城市復(fù)雜近接隧道地區(qū)新建構(gòu)筑物安全影響分析

楊進(jìn)京，郭永發(fā)

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200）

1 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，在充分利用地上、地下資源的同時(shí)，各種建設(shè)工程也在互相交疊、融合，如地鐵、隧道、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)、高層建筑基礎(chǔ)工程等。為保證各工程結(jié)構(gòu)之間的安全，需要結(jié)合實(shí)際工況對(duì)建構(gòu)筑物進(jìn)行充分的論證和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估【1】。本文利用有限元方法分析了某市公園立體停車庫的開挖及修建對(duì)地鐵3 號(hào)線隧道及樞紐客（貨）線隧道的影響，從而評(píng)價(jià)立體停車庫對(duì)既有工程和周邊環(huán)境的影響程度及潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程概況

擬建立體停車庫為地下1 層，地上3 層建筑，總建筑面積18 721.83m2。其中，地下層層高4.8m，地上1、2 層層高3.3m，地上3 層層高4.2m，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該建筑物依場(chǎng)地地勢(shì)而建，頂部與西南側(cè)公路齊平，地下層底層與東北側(cè)公路齊平，其西南側(cè)與東北側(cè)挖方段建永久邊坡及支擋結(jié)構(gòu)。立體停車庫位于地鐵3 號(hào)線隧道南側(cè)，同時(shí)位于樞紐鐵路貨線隧道、客線隧道及平導(dǎo)上方。立體停車庫與既有地鐵、樞紐隧道平面關(guān)系如圖1 所示。

3 計(jì)算模型及參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

本文研究對(duì)象為立體停車庫、北側(cè)緊鄰?fù)＼噹斓牡罔F3號(hào)線隧道、下穿停車庫的樞紐客（貨）線鐵路隧道及既有鐵路平導(dǎo)。由于研究基坑邊線與隧道線路方向基本平行，故采用二維平面有限元模型進(jìn)行分析【2】。根據(jù)最不利條件擬定模擬施工工序如下：開挖前初始地應(yīng)力狀態(tài)分析→車庫開挖卸荷→車庫建成加載。

圖1 立體停車庫與周邊工程關(guān)系平面圖

計(jì)算模型中土體采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則【3】，用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬；土釘墻面層、加固樁、筏板基礎(chǔ)、擋土墻及隧道襯砌采用梁單元進(jìn)行模擬【4】；土釘墻錨桿采用桁架/植入式桁架單元模擬。模型兩豎邊進(jìn)行X 向約束，水平邊進(jìn)行X 向及Y 向約束。

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

立體停車庫底板荷載：80kN/m2。

立體停車庫土釘墻：C30 混凝土，高12.6m，厚0.3m，胸坡1∶0.2，彈性模量 31GPa。

立體停車庫土釘：φ25mm HRB400 螺紋鋼筋，長6~8m，彈性模量200GPa。

立體停車庫加固樁：C30 鋼筋混凝土，彈性模量31GPa。隧道襯砌混凝土：C35 鋼筋混凝土，厚0.55m，彈性模量31.5GPa。

3.2.2 巖土參數(shù)

巖土物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 立體停車庫開挖對(duì)地鐵3 號(hào)線隧道的影響分析

分別對(duì)立體停車庫開挖前、開挖后及加載后3 種工況進(jìn)行模擬，并提取地鐵3 號(hào)線隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和最終位移進(jìn)行分析如下。

4.1.1 位移分析

由圖2 可知，立體停車庫開挖后隧道產(chǎn)生微小的位移，其中拱頂產(chǎn)生水平位移1.27mm；墻腳水平位移1.25mm。可見立體停車庫開挖后隧道變形微小，說明立體停車庫開挖對(duì)隧道影響較小。

圖2 立體停車庫引起地鐵3 號(hào)線產(chǎn)生水平位移云圖

4.1.2 受力分析

襯砌結(jié)構(gòu)受力薄弱環(huán)節(jié)主要為拱頂及墻腳部位，提取拱頂及墻腳部位內(nèi)力結(jié)果如表2 所示。

表2 地鐵3 號(hào)線隧道襯砌關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力結(jié)果

由于開挖卸荷，所以開挖后軸力值減小，同時(shí)，開挖應(yīng)力釋放引起隧道左側(cè)圍巖偏壓略微增大，因此，左側(cè)墻腳部位彎矩值有所增大；加載后在荷載作用下襯砌的軸力和彎矩均有所增大。最終拱頂部位襯砌軸力較初始狀態(tài)減小12.4%，墻腳部位減小5.2%；拱頂部位彎矩較初始狀態(tài)增大7.1%，墻腳部位增大8.0%。

根據(jù)開挖和加載后的內(nèi)力結(jié)果對(duì)襯砌進(jìn)行配筋驗(yàn)算，結(jié)果表明，按照原襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度及配筋能夠滿足襯砌的安全穩(wěn)定性要求。

4.2 立體停車庫開挖對(duì)樞紐客（貨）線隧道及平導(dǎo)的影響分析

分別對(duì)立體停車庫開挖前、開挖后及加載后3 種工況進(jìn)行模擬，并提取樞紐客（貨）線隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和最終位移進(jìn)行分析如下。

4.2.1 位移分析

由圖3 可知，立體停車庫開挖后隧道及平導(dǎo)產(chǎn)生位移較小，其中，貨線拱頂產(chǎn)生豎向位移3.44mm，邊墻產(chǎn)生豎向位移2.01mm；客線拱頂產(chǎn)生豎向位移3.33mm，邊墻產(chǎn)生豎向位移2.09mm；平導(dǎo)拱頂產(chǎn)生豎向位移3.56mm。可見立體停車庫開挖對(duì)隧道及平導(dǎo)影響較小。

圖3 立體停車庫引起地鐵3 號(hào)線產(chǎn)生豎向位移云圖

4.2.2 受力分析

1）隧道正洞受力分析

結(jié)合隧道襯砌內(nèi)力圖分析，襯砌結(jié)構(gòu)受力薄弱環(huán)節(jié)主要為拱頂及墻腳部位，提取拱頂及墻腳部位內(nèi)力結(jié)果如表3 所示。

表3 樞紐客（貨）線隧道襯砌關(guān)鍵點(diǎn)內(nèi)力結(jié)果

由于客（貨）2 座隧道均位于停車庫正下方,開挖卸荷引起隧道內(nèi)力減小明顯；停車場(chǎng)修建后，在加載的作用下襯砌的軸力和彎矩增大，但未超過開挖前初始應(yīng)力狀態(tài)。貨線拱頂部位襯砌軸力較初始狀態(tài)減小20.3%，墻腳部位減小25.0%；貨線拱頂部位彎矩較初始狀態(tài)減小53.6%，邊墻部位減小22.8%。客線拱頂部位襯砌軸力較初始狀態(tài)減小21.3%，墻腳部位減小14.0%；客線拱頂部位彎矩較初始狀態(tài)減小44.2%，邊墻部位減小8.5%。

根據(jù)開挖和加載后的襯砌內(nèi)力結(jié)果對(duì)襯砌進(jìn)行配筋驗(yàn)算，結(jié)果表明，按照原襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度及配筋能夠滿足襯砌的安全穩(wěn)定性要求。

2）平導(dǎo)受力分析

平導(dǎo)斷面尺寸約為3.2m（寬）×3.5m（高），在停車場(chǎng)開挖前，其埋深為14~33m，停車場(chǎng)開挖后其埋深為12~13m。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》【5】計(jì)算，其在開挖前和開挖后均屬深埋，覆土厚度能夠起到成拱效應(yīng)，停車場(chǎng)開挖并未改變其基本受力狀態(tài)，因此，理論上停車場(chǎng)開挖和建設(shè)不會(huì)對(duì)其造成破壞。

5 結(jié)語

通過公園立體停車庫開挖及修建對(duì)地鐵3 號(hào)線隧道及樞紐客（貨）線隧道影響的數(shù)值模擬分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）立體停車場(chǎng)開挖及建設(shè)后，地鐵3 號(hào)線隧道總體表現(xiàn)出開挖卸荷和圍巖左側(cè)偏壓略微增大的趨勢(shì)，樞紐客（貨）線隧道在開挖后襯砌內(nèi)力減小，加載后襯砌內(nèi)力又有所回升，但未達(dá)到開挖前的初始應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)均能夠滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2）停車場(chǎng)開挖未改變平導(dǎo)的受力形式，按照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的坍落拱高度分析，停車場(chǎng)開挖后平導(dǎo)仍屬深埋，因此，理論上停車場(chǎng)開挖和建設(shè)不會(huì)對(duì)其造成破壞。