地鐵區間隧道近接建筑施工工程影響分析

劉清名

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

0 前 言

最近幾年以來，我國很多城市都在建設地下軌道交通。由于城市建筑物密度較大，導致很多地鐵隧道與建筑物比較接近，該問題已經引起了社會各界的廣泛關注[1]。近接建筑施工過程會對原本平衡的受力狀態造成不利影響。不同工程項目由于所處位置的地理環境、施工方法、工程大小不同，所以對建筑造成的影響程度也存在差異[2]。根據施工工程項目對近接建筑物影響程度的不同，可以對相關的影響區域進行科學劃分，進而判斷對不同區域建筑物的影響程度，在此基礎上指導工程項目的設計規劃。對近接工程影響分區進行研究時涉及到的內容主要包括分區影響因素、分區準則以及輔助施工工程等[3]。本文以某城市地鐵線區間隧道近接建筑施工具體項目為例，對近接建筑施工工程影響分區開展分析與研究。

1 近接建筑施工工程影響分區模型及其劃分方法

1.1 影響分區模型概述

工程影響分區指的是在進行正常隧道工程項目施工過程中，基于相關準則，其對近接建筑物影響程度大小的區域劃分方法。通常可以劃分成為三個區域，分別為無影響區域、弱影響區以及強影響區域。對于無影響區域不需要采取特殊的措施，按照常規施工措施進行施工即可；對于弱影響區域通常也不需要采取特殊的輔助措施，但需要對施工過程加強控制，避免造成不利影響；對于強影響區域則需要考慮通過專門的輔助措施開展施工工作。

對于地鐵隧道項目而言，需要穿過的地層區域相對較長，使得其地層條件變化情況顯著。為了方便計算，通常假設沿隧道所在區域的地質具有相同的性質。本研究在計算時將地層假設為連續的彈性體，并且通過摩爾-庫倫屈服準則進行計算，地面上的建筑物載荷均勻的分布在水平地面上。在充分結合工程實際情況以及近接施工工程影響分區特點的基礎上，地鐵區間隧道與建筑之間的關系進行抽象處理，結果見圖1。

圖1 抽象模型

1.2 工程影響分區劃分方法

假設地面上沒有建筑物時，開挖隧道的安全系數用K0表示。地面上存在不同類型和高度的建筑物時開挖隧道的安全系數用Ki表示，將上述的兩個參數作對比，可以得到安全比值ɑ，其中ɑ=Ki/K0，通過安全比值ɑ可以確定地面建筑物對隧道開挖安全程度造成的影響。其中ɑ越大說明影響程度越小，如果ɑ等于100%，則說明地面建筑物不會對隧道開挖安全造成影響。隧道拱頂與建筑基底之間的距離H越小，那么隧道開挖導致的潛在破裂區域就會延伸到建筑物地基中，影響程度就越大。相反的，如果H很大，那么潛在破裂區域不會對建筑物地基造成影響，這些區域只會集中在隧道拱頂附近。結合實際情況，本研究將三個影響區的界限劃分方法規定如下：強弱影響區域之間的界限為安全系數K隨H的變化曲線的突變點對應的位置區域；ɑ幾乎接近100%的區域為弱無影響區域界限。

2 工程影響分區

2.1 分區方法

通過有限元軟件開展相關分析計算工作。計算時考慮到隧道長度較長，所以按照平面問題進行處理。為確保模型計算的準確性，設置隧洞左右邊界以及下邊界的區域范圍全部超過隧洞尺寸的4倍以上。隧洞頂部區域的大小則根據實際情況設置。模擬仿真分析時為簡化計算過程，節省模型分析計算的時間。忽略了一些因素的影響，比如爆破震動的影響。但不會對計算結果造成顯著影響。

本文所述的地鐵工程項目沿線地層變化幅度比較大。從上至下依次為土層、強風化花崗巖和中風化花崗巖，對應的厚度分別在2～15 m、2～13 m和2～25 m。仿真分析時假設所有的隧道圍巖具有相同的屬性，全部按照中風化花崗巖的屬性進行設置，具體屬性參數如下：彈性模量和泊松比分別為5GPa和0.25，密度為24.5 kN/m3，粘聚力和內摩擦角分別為0.6 MPa和35°。

以某建筑物正好位于隧道上方為例進行仿真計算。建筑物的重量載荷以及基地的寬度分別為265 kPa和12 m，隧道高度以及跨度分別為6.5 m和6 m。計算了拱頂距離建筑基底的距離H的大小對隧道圍巖安全系數和潛在破裂區域的影響。研究結果發現，當H不超過6 m時，隨著H值的不斷增大，安全系數以較快的速度增長。與此同時，潛在破裂區域延伸到了建筑基底區域。也就是說隧道施工會對建筑產生顯著的影響，建筑處在施工工程的強影響區范圍內。當H為6 m時，圍巖安全系數出現突變。也就是說H為6 m是強弱影響區域的分界。H超過6 m后，隧道圍巖安全系數隨著H的增大，其增大幅度非常小。當H為18 m時，潛在破裂區域僅出現在隧洞附近區域，建筑基底附近的區域不存在任何問題。

隨著H的不斷增大，安全比值ɑ也隨之逐漸增大。當安全比值ɑ在75%左右時，隧道開挖造成的潛在破裂區域正好不會對建筑基底造成影響。進一步對其他工況進行模擬分析得到了同樣的規律。基于此，可以將安全比值ɑ等于75%時對應的H值來劃分弱無影響區域。基于上述的施工工程影響分區方法，本研究最終得到的強弱影響區域分界值為6 m，弱無影響區域的分界值為18 m。

2.2 計算結果與分析

以隧道寬度6 m和建筑物載荷265 kPa分別作為基礎寬度D0和基礎載荷P0。分析了建筑載荷P/P0、隧道跨度D/D0、水平距離L/D0、基底寬度B/D0四個影響因子對施工工程影響分區的影響。取P/P0為0.4、1、2、4，D/D0分別為1、2、3，L/D0分別為-1/2、1/2、3/2、7/2，B/D0分別為1、2、6。基于以上工況條件建立模擬仿真模型進行分析計算，提取相關的結果進行研究和分析。以下詳細介紹四個影響因子對對施工工程影響分區的影響規律。

1)P/P0逐漸增加的時候，施工工程影響分區分界值總體上呈現出逐漸變大的趨勢，但是增大速度表現出兩頭大中間小的規律。說明地面上建筑的載荷大小會對工程影響分區產生非常強烈的影響。具體而言，當P/P0為0.4時，強弱分界和弱無分界分別為0.5D和1.5D；當P/P0為1和2時，強弱分界和弱無分界分別為1D和3D；當P/P0為4時，強弱分界和弱無分界分別為1.5D和5D。

2)D/D0逐漸增大時，施工工程影響分區分界值逐漸降低，表明隧道跨度大小會對工程影響分區產生非常強烈的影響。當D/D0為1時，強弱分界和弱無分界分別為1D和3D；當D/D0為2時，強弱分界和弱無分界分別為0.75D和1.75D；當D/D0為3時，強弱分界和弱無分界分別為0.5D和1.33D。

3)當L/D0在-1/2～1/2范圍變化時，對施工工程影響分區分界值沒有任何影響。而當L/D0超過1/2且不斷增加時施工工程影響分區分界值逐漸降低。當L/D0為-1/2和1/2時，強弱分界和弱無分界分別為1D和3D；當L/D0為3/2時，強弱分界和弱無分界分別為0和1D；當L/D0為7/2時，強弱分界和弱無分界全部為0。

4)無論B/D0取多少，強弱影響區分界值始終保持不變，為1D。而當B/D0為1時，弱無影響區分界值為2D；當B/D0為2和6時，弱無影響區分界值均為3D。

3 地鐵區間隧道近接建筑施工工程實例

3.1 工程概況

某城市地鐵線穿過城市中心，需穿過高層辦公建筑的區域屬于雙洞單線隧道。隧道斷面尺寸分別為高度6.5 m、跨度6 m。隧道附近的建筑A投入使用已經20年，主樓總共17層，其中地下2層、地上15層，裙樓總共4層，其中地下1層，地上3層。整個建筑的長度和寬度分別約為66 m和15.5 m，基底的埋深約為10 m左右。隧道行走方向與建筑中軸之間的夾角為45°，隧道頂板與基底之間的距離H在15～17 m范圍內，其中巖石覆蓋厚度約為7～10 m。附近一座建筑B投入使用已經10年，該建筑總共29層，其中地下4層，地上25層，基底埋深在15 m左右，隧道頂板與基底之間的距離H在12 m左右，其中巖石覆蓋厚度為1～4 m。

隧洞穿越的這部分建筑區域表面覆蓋有厚度為9～15 m的土層，土層下面為花崗巖且顆粒比較粗大，局部地方還存在有脈巖。強風化花崗巖的厚度在5～7.8 m，部分花崗巖結構已經出現了損壞現象，經過檢測發現圍巖級別屬于Ⅴ級。中風化花崗巖覆蓋厚度在9.8～12 m范圍內，屬于比較容易破碎的軟巖，檢測發現花崗巖級別屬于Ⅲ級。

3.2 工程影響區域劃分

在計算建筑物載荷時按照層數進行計算，其中地下每層根據40 kPa計算，地上每層根據15 kPa計算。根據以上計算方法，可以計算得到兩個建筑的載荷分別為305 kPa和535 kPa。假設隧道正好從兩個建筑中間穿過，根據上節計算結果可以知道，兩棟建筑物的強弱影響區域分界值以及弱無影響區域分界值分別是6 m和18 m。根據兩棟建筑基底與隧道頂板之間的距離H可以得出結論：建筑A處在弱影響區域，建筑B處在強影響區域。

3.3 工程影響區域劃分結果的實踐驗證

本文所述的地鐵隧道工程項目已經完成施工并交付使用。在隧道施工過程中，為了確保施工安全，對隧道圍巖以及附近建筑物的沉降情況進行了系統、全面的監測。根據當前階段執行的規范標準以及工程項目設計要求，在隧道開挖過程中，如果能夠將隧道沉降量控制在16 mm以內，并且變形速率控制在每天2 mm，就認為是滿足要求的。經過系統全方位的監測，發現隧道開挖過程中建筑A的最大沉降量大約為5 mm，最快的沉降速度為每天1.35 mm，完全能夠滿足相關規范標準以及設計要求。建筑A屬于弱影響區域，所以在施工過程中沒有采取任何措施，施工過程沒有對建筑A產生較大的影響。對于建筑B，經過本文的計算分析可知，屬于強影響區域范圍，經過監測發現建筑B的基礎最大沉降量達到了20 mm，已經超過了規范標準要求。為了對建筑B的變形進行控制，在隧道開挖過程中，在建筑周邊以及隧道拱頂等區域進行了注漿處理，以達到加固的目的。通過輔助施工措施有效避免了建筑B的繼續沉降，確保了安全。

4 結束語

本文利用有限元仿真軟件分析的地鐵區間隧道近接建筑施工工程影響分區結果，達到了預期效果，與實際情況非常吻合。

本文詳細闡述了地鐵區間隧道近接建筑施工工程影響分區相關理論和方法。將本文提出的施工工程影響分區方法應用到某地鐵隧道施工工程項目中，取得了較好的應用效果，預測結果與實際情況非常吻合。

[ID:010420]