高層建筑建設(shè)對(duì)鄰近軌道隧道安全影響機(jī)理研究

熊桂開(kāi)，譚雙全，朱 波

（1.重慶市勘測(cè)院，重慶市 400020；2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，重慶市 400020）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的城鎮(zhèn)化水平不斷提高，但交通擁堵正成為制約城市發(fā)展的重大問(wèn)題，因城市軌道交通具有安全、便捷、舒適、載客量大等優(yōu)點(diǎn)，能有效改善城市公共交通環(huán)境，所以大力發(fā)展軌道公共交通成了我們解決城市交通問(wèn)題的有效手段。目前大中型城市的軌道交通建設(shè)正進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，軌道交通引領(lǐng)城市發(fā)展，在已建軌道交通周邊開(kāi)展工程建設(shè)活動(dòng)也逐漸增多，新建建構(gòu)筑物將會(huì)對(duì)既有運(yùn)營(yíng)軌道交通隧道安全造成一定的影響，所以工程師需掌握這種影響的機(jī)理，科學(xué)合理地評(píng)估新建建構(gòu)筑物對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)和軌道線路安全運(yùn)營(yíng)等方面的影響[1,2,3,4]。

本次研究根據(jù)擬建高層建筑與鄰近既有軌道交通隧道的位置關(guān)系，采用大型有限元軟件Ansys進(jìn)行數(shù)值模擬分析與監(jiān)控量測(cè)相結(jié)合的方法研究了隧道結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖和高層建筑建設(shè)完成后產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形等影響機(jī)理[5]，對(duì)指導(dǎo)高層建筑的設(shè)計(jì)施工與確保交通軌道結(jié)構(gòu)安全提供理論與數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

1.1 新建高層建筑設(shè)計(jì)概況

新建建筑為分為辦公塔樓和商業(yè)裙房，項(xiàng)目位于重慶某商圈區(qū)域。辦公塔樓結(jié)構(gòu)形式為框架核心筒結(jié)構(gòu)，地下5層，地上33層；商業(yè)裙樓結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)地下5層，地上4層商業(yè)，塔樓范圍內(nèi)除核心筒采用筏板基礎(chǔ)外，其余結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)，選用中等風(fēng)化泥巖作為基礎(chǔ)持力層。

本建筑辦公塔樓和商業(yè)裙房位于軌道交通三號(hào)線的東側(cè)，其中辦公室1號(hào)樓（塔樓）及部分商業(yè)裙樓和地下車庫(kù)位于軌道50 m保護(hù)線內(nèi)，建筑1號(hào)塔樓結(jié)構(gòu)與軌道交通三號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)邊線的距離為20.85～22.25 m，地下室結(jié)構(gòu)與軌道交通三號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)邊線的距離為16.26～17.37 m；附屬地下室基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距軌道交通三號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)邊線的距離為14.35～15.88 m。建筑基坑開(kāi)挖后，臨近軌道交通隧道結(jié)構(gòu)側(cè)將形成高邊坡，邊坡采用肋板式錨桿擋墻進(jìn)行支護(hù)，高度為22.5 m。兩者之間的平面關(guān)系見(jiàn)圖1，立面關(guān)系見(jiàn)圖2。

1.2 軌道交通區(qū)間隧道設(shè)計(jì)施工概況

本段軌道交通區(qū)間隧道為暗挖隧道，隧道總體走向332°，與構(gòu)造線呈大角度斜交，為雙洞單線。區(qū)間隧道圍巖為中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，局部上層分布有薄～中層砂巖或夾有砂巖透鏡體。中風(fēng)化圍巖厚13.79～21.58 m，為洞跨的2.81～4.11倍。圍巖中主要發(fā)育兩組裂隙，呈塊狀結(jié)構(gòu)，砂質(zhì)泥巖飽和抗壓強(qiáng)度10.5 MPa，縱波波速2 726～2 989 m/s。中風(fēng)化圍巖厚度為圍巖垂直壓力計(jì)算高度的3.74～5.85倍，屬深埋隧道。本段區(qū)間隧道巖體完整性好，隧道總體成洞條件較好，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。隧道采用礦山法施工，襯砌結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌，襯砌斷面見(jiàn)圖3。隧道初期支護(hù)以鋼格柵拱、鋼筋網(wǎng)片、C20噴射混凝土、錨桿等為主要支護(hù)手段，隧道二次襯砌采用C30防水鋼筋混凝土。

圖1 建筑與軌道三號(hào)線平面位置圖（單位：m）

圖2 建筑與軌道三號(hào)線立面位置關(guān)系圖（單位：m）

圖3 襯砌斷面圖（單位：m）

2 風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別與定性分析

根據(jù)新建項(xiàng)目與軌道交通結(jié)構(gòu)相互關(guān)系，可知擬建項(xiàng)目實(shí)施對(duì)軌道交通三號(hào)線影響風(fēng)險(xiǎn)源有：

（1）基坑開(kāi)挖深度約為26.9～28.9 m，深度大且開(kāi)挖面積大，開(kāi)挖卸載可能會(huì)造成隧道周邊圍巖不規(guī)律變形，圍巖變形將導(dǎo)致軌道隧道結(jié)構(gòu)變位或形變，若變形超過(guò)正常值，則影響軌道結(jié)構(gòu)的正常使用；

（2）裙樓塔樓修建完成后，建筑荷載對(duì)原始地面形成加載，可能會(huì)引起既有軌道交通隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，需要重新核算在新荷載作用下隧道結(jié)構(gòu)安全是否能夠得到保證；

（3）基坑邊坡開(kāi)挖后在未形成有效支護(hù)結(jié)構(gòu)以前，邊坡巖體處于不穩(wěn)當(dāng)狀態(tài)，若邊坡垮塌失穩(wěn)，將會(huì)影響軌道結(jié)構(gòu)的整體安全。

根據(jù)項(xiàng)目勘察資料及軌道設(shè)計(jì)資料，軌道結(jié)構(gòu)周邊圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，隧道為深埋隧道，礦山法施工，建筑基坑為明挖施工，軌道隧道最大毛洞跨徑為W=8.81 m，擬建項(xiàng)目基坑距軌道結(jié)構(gòu)水平凈距為L(zhǎng)=14.35 m，1.5 W＜L＜2.5 W，基坑與軌道隧道接近程度為較接近。擬建項(xiàng)目靠軌道側(cè)基坑開(kāi)挖深度h=23 m，L＜0.7 h，軌道隧道位于基坑強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)，按照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202－2013）[6]對(duì)外部作業(yè)影響等級(jí)的劃分，擬建高層建筑對(duì)軌道隧道結(jié)構(gòu)的影響等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 擬建項(xiàng)目外部作業(yè)影響等級(jí)判定

3 計(jì)算模型及參數(shù)

3.1 有限元模型及假定

本次研究采用大型有限元軟件Ansys進(jìn)行模擬分析，采用SHELL63三維殼體單元模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)，采用SOLID45三維實(shí)體單元模擬圍巖。三維有限元模型沿基坑橫向取142 m，沿區(qū)軌道隧道縱向取187 m，從地表向下取79 m。計(jì)算模型地表面為自由面，側(cè)面自由度約束側(cè)向X、Z方向，底面自由度約束豎直Y方向，整體有限元算模型見(jiàn)圖4，擬建建筑與軌道隧道結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖5。

圖4 整體有限元模型

圖5 擬建建筑與軌道隧道結(jié)有限元模型

3.2 計(jì)算方法及參數(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算分析中巖土體的計(jì)算參數(shù)根據(jù)擬建高層建筑與軌道交通工程勘察報(bào)告的數(shù)據(jù)進(jìn)行取值，采用Drucker－Prager準(zhǔn)則作為巖土體的彈性屈服準(zhǔn)則。此外，考慮到以下特殊情況對(duì)巖土參數(shù)進(jìn)行換算：

（1）因《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的Drucker-Prager準(zhǔn)則與ANSYS軟件與有一定差異，所以換算后的c、φ值則是根據(jù)二者屈服準(zhǔn)則表達(dá)式中α、β分別相等的原則進(jìn)行計(jì)算[7,8]；

（2）由于軌道區(qū)間隧道采用鉆爆法施工，考慮圍巖有一定損傷，故假定區(qū)間隧道外邊界2.0 m為松動(dòng)圈分布范圍。松動(dòng)圈范圍的巖體參數(shù)均按砂質(zhì)泥巖彈性模量的0.8倍計(jì)算[9,10]；

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的擬建項(xiàng)目資料，計(jì)算時(shí)將擬建項(xiàng)目的建筑荷載換算為建筑容重，取值750 kg/m3。

本次數(shù)值模擬計(jì)算分析相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算材料相關(guān)參數(shù)

4 模擬計(jì)算分析

4.1 軌道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

參考《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202－2013)[6]，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTGD 70—2004）[8]，本次研究分析的軌道結(jié)構(gòu)安全的控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 軌道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2 模擬工況

本次數(shù)值計(jì)算采用4種工況對(duì)既有軌道交通隧道及新建建筑建設(shè)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，計(jì)算工況見(jiàn)表4。

表4 計(jì)算工況表

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）位移分析

由于基坑開(kāi)挖卸荷，引起區(qū)間隧道產(chǎn)生豎向的上揚(yáng)變形與水平橫向變形，最大上揚(yáng)位移值為1.96 mm，最大水平橫向變形為-2.8 mm（方向指向基坑方向）；高層建筑建成后，在結(jié)構(gòu)荷載作用下會(huì)使區(qū)間隧道產(chǎn)生下沉變形和水平橫向變形恢復(fù)，最大下沉值為1.3 mm，最大水平橫向變形為-0.8 mm。由表5各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量值可知，因上行線隧道靠近建筑物基坑側(cè)，其受基坑開(kāi)挖及建筑修建的影響要大于下行線隧道，表中計(jì)算數(shù)值與真實(shí)情況一致。

表5 各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量

（3）襯砌內(nèi)力分析

為準(zhǔn)確掌握基坑開(kāi)挖及擬建建筑修建后受影響較大的上行線隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩與軸力，本次研究同步采用二維有限元方法進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算范圍內(nèi)土體、圍巖以及建筑使用PLANE42單元模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)使用BEAM3單元模擬。有限元計(jì)算模型底面約束豎向自由度，側(cè)面約束水平自由度，地表為自由面。各工況下隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)表6。

由表6計(jì)算結(jié)果推算隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大裂縫為0.12 mm,最不利位置安全系數(shù)為2.1，均滿足表3軌道結(jié)構(gòu)安全控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 各工況下襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

5 安全監(jiān)控與量測(cè)

在高層建筑施工過(guò)程中，通過(guò)制定合理的監(jiān)控量測(cè)方案對(duì)軌道交通三號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以充分了解該區(qū)間隧道凈空收斂變形的工程實(shí)況，通過(guò)分析該數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)一步分析軌道交通隧道隨高層建筑的修建與時(shí)間過(guò)程變化的工作狀態(tài)，做到信息化施工，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)以確保隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體布置見(jiàn)圖6。根據(jù)目前已經(jīng)掌握的高層建筑施工建設(shè)情況，本時(shí)間段僅示出建筑基坑開(kāi)挖過(guò)程中受影響最大的軌道上行線DM04-3、軌道下行線DM05-4代表性測(cè)點(diǎn)所測(cè)隧道結(jié)構(gòu)豎向位移、水平橫向位移累計(jì)變化曲線見(jiàn)圖7、圖8。

圖6 監(jiān)控點(diǎn)總體布置圖

從DM04-3測(cè)點(diǎn)豎向位移累計(jì)變化曲線圖可以看出，隨著建筑基坑的開(kāi)挖施工，測(cè)點(diǎn)位移從0逐漸變化至2 mm，在基坑開(kāi)挖完成后，變形基本趨向穩(wěn)定，與有限元計(jì)算分析結(jié)果（表5各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量）基本一致；從DM05-4測(cè)點(diǎn)水平位移累計(jì)變化曲線圖可以看出，隨著建筑基坑的開(kāi)挖施工，測(cè)點(diǎn)位移從0逐漸變化至4.2 mm，在基坑開(kāi)挖完成后，變形基本趨向穩(wěn)定，與有限元計(jì)算分析結(jié)果（表5各工況下隧道結(jié)構(gòu)位移增量）基本一致，驗(yàn)證了有限元模擬計(jì)算分析的正確性，監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明軌道交通隧道結(jié)構(gòu)在此時(shí)此類工況下處于安全狀態(tài)。

圖7 DM04-3測(cè)點(diǎn)豎向位移累計(jì)變化曲線

圖8 DM05-4測(cè)點(diǎn)水平位移累計(jì)變化曲線

6 結(jié)論

（1）新建高層建筑基坑開(kāi)挖將引起軌道交通區(qū)間隧道周邊圍巖卸荷，巖體發(fā)生回彈，隧道結(jié)構(gòu)將發(fā)生上揚(yáng)變形，最大上揚(yáng)位移值為1.96 mm，最大橫向位移值為2.8 mm，在卸荷作用下，隧道襯砌的彎矩與軸力會(huì)變小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力有利，但建筑建成后，在結(jié)構(gòu)、回填層等荷載作用下會(huì)使區(qū)間隧道產(chǎn)生下沉變形和水平橫向變形恢復(fù)至接近原始狀態(tài)后繼續(xù)發(fā)生位移，最大下沉值變?yōu)?.3 mm，最大水平橫向位移值變?yōu)闉?.8 mm，均小于10 mm位移控制指標(biāo)[6]，研究結(jié)果表明項(xiàng)目實(shí)施期間對(duì)軌道交通線路正常運(yùn)營(yíng)影響程度較小。

（2）數(shù)值計(jì)算研究成果表明高層建筑施工及建成后隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位最小安全系數(shù)2.1，大于2.0，最大裂縫寬度0.12 mm，小于0.2 mm，滿足規(guī)范[6,8,11]要求，因此其對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性影響較小。

（3）采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與有限元數(shù)值計(jì)算分析相結(jié)合的方法研究了新建高層建筑對(duì)鄰近軌道交通隧道的安全影響機(jī)理，有限元數(shù)值模擬分析得出的結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)基本一致。在下一步研究中，可進(jìn)一步對(duì)實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)差別深入分析判別，不斷修正巖土工程相關(guān)計(jì)算參數(shù)及有限元模型，進(jìn)一步充實(shí)理論計(jì)算分析類似工程的內(nèi)涵。