基于有限元法的地鐵隧道下穿房屋風險分析

代 遠 （華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

地鐵是地下交通體系的重要組成部分，具有運量大，速度快，安全準時等優點[1]，2010年以來，全國各地地鐵建設快速發展，為人民的日常出行帶來了極大的便利。城市中心城區開發建設程度高，但也為地鐵建設帶來了較大的困難，地鐵隧道下穿各種既有建筑不可避免，鄰近構筑物條件下隧道施工受力特性較為復雜[2]，文章以廈門某地鐵隧道為例，模擬分析了地鐵隧道施工對既有建筑造成的影響。

1 工程概況

本區間隧道自甲車站起，線路沿市政路先以R=2500m半徑的右偏曲線，再以R=2500 m半徑的左偏曲線接入乙車站。市政路現狀為雙向六車道，交通量較大，地下管線密集，周邊以大型企業、工業廠房、居住小區為主。控制因素主要為自建民房，7層磚混結構，淺基礎，區間隧道左線下穿民房，豎向距離約10米。隧道單洞斷面凈跨5200mm，斷面凈空5600mm，初支厚度300mm，二襯厚度300mm，預留變形量100mm。

1.1 工程地質

本段地質土層由上至下描述如下。

1-2 素填土（Q4ml）：以灰褐、黃褐色為主，可塑，主要成分為粉質黏土，局部含少量碎、塊石，層厚0.6m～3.0m。

3-1 粉質黏土（Q4al+pl）：以黃褐、棕褐色為主，可塑～堅硬，局部含角礫，韌性、干強度中等，層厚2.2m～10.5m。

11-1 殘積砂質黏性土（Qel）：以灰白、褐黃色為主，可塑～堅硬，巖石結構完全破壞，巖石基本風化成土狀，含有少量石英顆粒，手搓易成粉狀，泡水易散，標準貫入擊數N<30擊，層厚2.9m～13.7m。

17-1全風化花崗巖（γ）：以灰褐、灰白色為主，巖石結構基本破壞，巖石基本風化成堅硬土狀，含少量石英顆粒，手搓易成粉狀，泡水易散，標準貫入擊數30擊≤N<50擊，層厚0.9m～9.3m。

17-2散體狀強風化花崗巖（γ）：以灰褐色為主，巖石結構大部分破壞，巖石基本風化成土狀，含有少量石英顆粒，手搓易成粉狀，泡水易散，標貫擊數N≥50擊，層厚2.2m～24.5m。

17-3碎裂狀強風化花崗巖（γ）：以褐灰色為主，中粗粒結構，母巖風化強烈，巖石大多成碎石狀為主，含部分石英顆粒，層厚1.0m～6.7m。

17-4中等風化花崗巖（γ）：灰白色，中粗粒結構，塊狀構造，節理、裂隙較發育，巖芯較完整，RQD=60%～85%，層厚0.6m～8.5m。

17-5 微風化花崗巖（γ）：青灰、灰白色，中粗粒結構，塊狀構造，節理、裂隙不發育，巖芯完整，RQD=80%～85%，層厚6.5m～33.4m。

19-1全風化輝綠巖（γδ）：黃褐色，巖石結構基本破壞，巖石基本風化成堅硬土狀，手搓易成粉狀，泡水易散，層厚7.2m～9.3m。

19-2強風化輝綠巖（γδ）：黃褐色，輝綠結構，塊狀構造，母巖風化強烈，巖芯大多呈碎塊狀，少量呈短柱狀，層厚3.7m。

19-3中風化輝綠巖（γδ）：灰綠色，輝綠結構，塊狀構造，節理、裂隙較發育，巖芯較完整，局部較破碎，RQD=42%，層厚5.2m。

1.2 自建民居與地鐵隧道的相對位置關系

圖1 自建民居與地鐵隧道平面位置關系

2 施工環境風險分析與評級

參照《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》（GB 50652-2011），結合本工程地質條件、地下水情況、施工工法等，擬定下穿自建民居環境風險等級為Ⅱ級。

3 變形控制指標

建筑物允許沉降控制≤15mm，位移最大速率控制值為1mm/d，砌體承重結構基礎傾的局部傾斜控制值≤0.002。

4 主要工程技術措施

4.1 設計原則

①新建軌道交通工程結構（包括永久結構和臨時結構）的強度、剛度及穩定性，應保證工程的安全和周邊環境的正常使用。

②根據新建軌道交通工程及受影響周邊環境的特點選擇得當的施工方法，確定合理的施工步序。

③通過工程類比、數值模擬、解析法等計算分析制定合理的控制指標。

④風險工程控制設計應遵循“規避原則、降低原則、控制原則”。

⑤風險工程設計采取的技術措施具有可操作性且工程造價合理。

⑥風險工程設計應包括有關風險工程識別、分級和風險分析、評價等。

⑦遵循“先加固后施工地鐵結構”的原則。

⑧保護方案有條件時宜采取洞內外相結合的方式。

⑨監控量測是環境風險工程保護設計的重要組成部分，根據監測結果指導施工、優化設計，形成真正意義上的“動態設計、動態施工”。

4.2 臨近區間隧道洞身的工程保護措施

設計措施：洞體開挖時，采用小導管超前預注漿加固地層，施作臨時仰拱控制地面沉降；洞體開挖完成后，做好壁后注漿，防止后期沉降。

施工措施：開挖中堅持短進尺、早封閉、強支護、勤量測的施工原則，當需要爆破時，應采取微震控制爆破，減少對管涵的影響。

監測措施：施工期間加強動態監控量測，包括對隧道、建筑物的監測，根據監測結果指導施工，做好應急措施。

5 專項監控測量方案

5.1 施工監測項目

區間施工監測主要包括豎向位移、傾斜及裂縫。

5.2 測點布置、監測手段與監測頻率

建（構）筑物豎向位移檢測點應布設在外墻或承重柱上，并且在外墻轉角處應有監測點布控；水平位移檢測點應布設在鄰近隧道一側的建（構）筑物外墻、承重墻、變形縫兩側及其他有代表性的部位，并可與建（構）筑物豎向位移監測點布設在同一位置；傾斜測點應沿主體結構頂部、底部上下對應按組布設，每組監測點不應少于兩個；裂縫寬度監測應根據裂縫的分布位置、走向、長度、寬度、錯臺等參數，分析裂縫的性質、產生原因以及發展趨勢，選取應力或應力變化較大部位的裂縫或寬度較大的裂縫進行檢測。監測頻率如表1所示。

監測頻率表 表1

土層與結構主要物理力學參數 表2

5.3 爆破震動監測

爆破或其它作業所引起地面震動，不得損壞地面現有建筑物、地下管線和公共設施。

承包人應提供合格的儀器、量測人員和資料分析人員，監測并記錄每次爆破的震動情況及空氣增壓情況，調整爆破作業，使震速不超過允許值，并防止開挖失穩。

所有的爆破和施工操作，對建構筑物震動的最大震速應小于20mm/s。

5.4 裂縫、變形監測

施工期間要對全過程進行觀測。各項監測工作的監測周期根據施工進程確定，在開挖卸載急劇階段，間隔時間不應超過3天，其余情況下可延至5至10天。當變形超過有關標準或場地條件變化較大時，應加密監測。當有危險事故征兆時，則需進行連續監測。

圖2 整體三維模型圖

圖3 水平位移云圖

圖4 豎向位移云圖

當出現裂縫時，除了要增加沉降觀測的次數外，應立即進行對裂縫變化加以觀測，觀測裂縫首先要設置觀測標志。當裂縫開展時，標志就能相應地開裂或變化，正確地反映建（構）筑物裂縫發展情況，觀測方法可用千分尺量測裂縫標志的變化。

6 結構計算

模型計算采用MIDAS GTS NX有限元計算軟件，建立三維立體模型進行模擬計算。為減小邊界約束對計算結果的影響，使模擬結果更接近實際情況，建模范圍取X方向（垂直于線路方向）結構外緣兩側各25m（約4D），Z方向（豎直方向）結構覆土根據實際情況取值，結構底部以下25m（約4D），Y方向（沿線路方向）40m，地應力場按自重應力場分析。模型網格單元按照非關鍵區域疏、關鍵區域密的原則進行劃分[3-5]。

通過上述計算得出的結論如下。

①地表沉降最大值為0.55mm，位于左線隧道正上方地表處，小于規定的15mm限值，滿足要求。地表最大水平位移0.77mm，小于規定的10mm限值，滿足要求。

②房屋最大沉降為0.55mm，最大水平位移為0.79mm，均小于規定的限值，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007-2011）砌體承重結構基礎的局部傾斜值為0.002，本房屋基礎沉降差為0.18mm，傾 斜 值 為 0.000018<0.002，故隧道施工對房屋的影響均能滿足要求，房屋是安全的。

7 結論

通過在設計、施工、監測等方面采取一系列相關聯的技術措施可較好的控制隧道開挖對既有建筑造成的影響，“動態設計、動態施工”的理念可供借鑒。

有限元模擬是隧道開挖風險分析的一種重要手段，通過計算機數值模擬，可得出隧道開挖過程對周邊既有建筑產生影響的趨勢，可為設計、施工提供一定的前瞻性指導。