運營期盾構隧道臨近建筑拆除影響性分析研究

呂媛媛，于旭東，羅士瑾

（1.杭州交通投資建設管理集團有限公司，浙江 杭州 310024；2.舟山市新城公路與運輸管理中心，浙江 舟山 316021；3.舟山市鐵路建設中心，浙江 舟山 316021）

伴隨著城市建設的高速發展和區域交通網絡的逐步完善，地鐵已成為城市現代化交通的主流符號。城市地鐵的修建往往面臨穿越城市密集建筑群的挑戰，如何評價臨近建筑施工對城市地鐵的影響程度，保證臨近建筑施工過程中盾構隧道的安全，已然成為區域交通建設中不可避免的難題。

針對此類問題，國內學者對近接盾構隧道工程進行了大量的研究。何川[1]等針對盾構隧道結構的特點，引入橫向和縱向不等的剛度折減系數，對地鐵盾構隧道重疊下穿施工所引起的上方已建隧道變形及內力的影響進行了深入研究。崔光耀[2]等研究了超大矩形頂管盾構隧道近接下穿高鐵段的不同施工加固方案的效果，提出了人工挖孔樁+D 型鋼便梁的加固方案。魏綱[3]等結合理論分析和實測數據得到鄰近并平行于盾構隧道的基坑側壁的卸荷效應對旁邊隧道的影響最大的結論。劉佳佳[4]等以地鐵上方廠房拆除項目為依托，分析了不同廠房拆除項目對周邊土體、盾構隧道變形及內力的影響。

現階段的研究多集中于基坑開挖或臨近隧道施工對既有隧道的影響，針對臨近建筑拆除對盾構隧道的影響研究較少。本文結合武漢軌道交通2 號線臨近建筑拆除項目，運用數值模擬方法研究建筑拆除對既有運營盾構隧道的影響，保證盾構隧道的安全服役。

1 工程概況

1.1 軌道交通項目概況

武漢軌道交通2 號線一期工程是武漢市第一條以地下線為主的軌道交通線路，也是線網規劃中客流量最大的軌道交通骨干線路。本項目研究區段采用盾構法施工，管片結構外徑6.0m，襯砌厚度0.30m，環寬1.5m，管片結構采用C50 高強度防水混凝土預制。

1.2 擬拆工程項目概況

省建行學校宿舍樓拆除項目位于武漢市武昌區和平大道與中山路交叉口處，項目占地面積約6020m2，總建筑面積約為9465m2，為省建行棄用建筑。該項目用地西臨和平大道，南臨中山路。

1.3 軌道交通與擬拆工程相對位置

區間的控制紅線部分穿越省建行學校宿舍樓地塊里程范圍，穿越長約37m，右線隧道在里程DK15+520處穿越省建行學校宿舍樓地塊，與所拆宿舍樓最近水平距離約為5.81m，研究區段內隧道底板底埋深在9.8～12.6m 之間，軌道交通研究區段與擬建工程平面相對位置如圖1 所示。

圖1 軌道交通與擬拆工程平面相對位置

省建行學校建筑所在地塊部分位于軌道交通控制線以內，其中B 棟住宅房屋緊鄰區間隧道，B 棟建筑離區間隧道外輪廓線水平凈距約為5.81m。

圖2 擬拆工程與地鐵隧道剖面相對位置

房屋建筑拆除引起的卸載會引起隧道周邊已趨于穩定的地層應力發生變化，從而導致隧道結構產生變形及結構內力變化，嚴重時可能影響結構正常使用和運營行車安全。基于上述分析，本文針對武漢軌道交通2 號線一期工程臨近擬拆工程實例，結合數值模擬方法分析宿舍樓拆除項目對運營地鐵盾構隧道的影響規律。

2 有限元模型和計算工況

基于盾構隧道與擬拆工程空間幾何關系，利用有限元軟件建立了宿舍樓、樁基、承重柱、隧道及圍巖三維模型，分析擬拆工程不同拆除順序下盾構隧道的結構受力及變形規律。

2.1 有限元模型

本次數值模型采用有限元分析軟件MIDAS/GTS 進行計算。土體采用四面體實體單元模擬，本構模型采用摩爾－庫倫模型。地質分層情況依據地質報告提供的資料，按照土體特性劃分地層。樁基、承重柱、條形基礎等采用梁單元模擬，本構模型設為彈性模型。計算模型采用接觸單元模擬土體與樁基之間的相互作用，樁基的承載采用樁端單元進行模擬。樓板及盾構管片采用2D板單元模擬，本構模型設為彈性模型，樓板范圍按照房屋建筑面積確定，盾構管片通過析取網格得到。整體數值計算模型如圖3 所示。

圖3 數值計算模型整體示意圖

盾構隧道結構與擬拆工程的相對位置關系如圖4 所示。數值模擬過程中不考慮立柱、樁基等豎向支承體系的影響，同時對兩側垂直邊界施加水平向約束，底部水平邊界施加垂直向約束，對樁基施加旋轉約束。

圖4 盾構隧道與擬拆工程相對位置關系

2.2 計算工況及參數選取

地鐵區間隧道為雙線盾構隧道，管片外徑6.0m，內徑5.4m，兩條隧道線間距15.0～15.6m。省建行學校宿舍樓其中B 棟房屋與隧道外輪廓線最近距離為5.81m，C 棟離地鐵區間隧道較遠，其產生的卸載作用影響較小。由于拆除C 棟宿舍樓對區間隧道結構影響較小，其位置臨近道路交通口，故應先拆除C 棟宿舍樓。綜合考慮施工便利程度和安全性，確定了如下表1 中的三種工況。

表1 數值模擬工況

3 計算結果對比分析

擬拆工程項目廠房采用不同的拆除順序會對土層及隧道結構的應力及變形產生不同程度的影響，根據上述工況計算得到不同拆除方案下的盾構隧道位移云圖和內力云圖。并基于不同工況下盾構隧道的位移及受力特征分析擬拆項目對運營期盾構隧道的影響程度。

3.1 盾構隧道位移分析

圖5 表示三種工況下的盾構隧道豎向位移云圖。上部房屋建筑拆除過程中，由于卸荷作用，隧道管片有向施工地塊位移的趨勢，卸荷后隧道管片豎向位移表現為隆起，方向向上。三種工況下的豎向位移最大值分別為1.60mm、1.85mm 和1.65mm。

圖5 三種工況下盾構隧道豎向位移云圖

由位移結果可知，工況二中隧道位移值最大，為最不利工況。對比工況一、二可知，在拆除離區間隧道最近的B 棟宿舍樓時，其周圍存在的相應荷載對盾構結構有一定的反壓作用，故工況一的位移值較小。對比工況一、三可知，當荷載超過一定界限時，區間隧道的位移值又有增大的趨勢。因此最佳拆除方案為按照C、B、A 的拆除工序，且場地內的施工荷載不能超過20kPa。

3.2 盾構隧道結構內力分析

此次計算將盾構管片視為勻質圓環，但考慮環向接頭的存在，整體的彎曲剛性降低，折減系數取0.75。且考慮錯縫拼裝后整體補強效果，進行彎矩的重分配，彎矩增大系數ξ ＝0.3。由上述分析可知工況2 為最不利工況，提取得到工況2 下工況二區間隧道在宿舍拆除前后X 方向結構內力值如圖6 所示。

房屋拆除之后，X 方向彎矩最大值增大0.5%，由圖6 可見宿舍樓拆除前后隧道結構內力變化較小，對結構強度影響較小。

圖6 房屋拆除前后隧道結構彎矩云圖

4 結論

本文采用有限元軟件MIDAS/GTS 對運營期盾構隧道臨近建筑拆除影響性進行相關分析，考慮了建筑廠房不同拆除順序對運營期盾構隧道的應力及位移影響規律，得到了以下主要結論：

（1）數值模擬結果顯示，擬拆工程的拆除順序會對臨近盾構隧道產生不同程度的影響。擬拆工程的最佳拆除順序為先拆除C 棟，然后拆除B 棟，后拆除A 棟，拆除過程應分層、分段有序施工。為了避免一次性卸載過大，應該隨拆隨清，且場地內的施工荷載不能超過20kPa。

（2）考慮最不利工況下房屋拆除前后盾構隧道內力結果可知，房屋拆除之后，X 方向彎矩最大值增大0.5%。擬拆工程的作業不會影響盾構隧道的結構安全及正常使用。