既有铁路隧道与上部建筑物相互作用及稳定性分析

周莹，杜鹏，吴欣

（1重庆市建筑科学研究院重庆4000152重庆市公路局重庆4011473广西壮族自治区公路桥梁工程总公司南宁530011）

既有铁路隧道与上部建筑物相互作用及稳定性分析

周莹1，杜鹏2，吴欣3

（1重庆市建筑科学研究院重庆4000152重庆市公路局重庆4011473广西壮族自治区公路桥梁工程总公司南宁530011）

襄渝铁路新人和场隧道相临重庆市某新建小区建筑岩体地基，本文采用地层结构法和结构荷载法两种技术手段，对拟建建筑和既有铁路隧道的相互影响及其稳定性进行综合分析与评价，全面分析了修建高层建筑对既有隧道围岩位移和其安全系数产生的附加影响，提出必须采取相应的措施以减小该工程的修建对地下洞室的安全和围岩稳定性的影响。

既有隧道；相互作用；三维有限元分析；稳定性

1 引言

随着地面与地下空间综合开发利用的日趋增多，地面建筑与地下工程的冲突也日益明显。在铁路附近或上方修建各类型大型建筑物越来越常见，因而出现开挖基坑处于既有铁路上方或者铁路、车站旁边的情况。在既有铁路隧道周围进行基坑开挖，隧道会产生相应的附加变形，基坑开挖将会对既有铁路的稳定性产生影响，最本质的原因是基坑的开挖卸载引起围岩应力状态再次重分布，从而导致一系列力学行为变化。既有铁路隧道周边荷载变化引起隧道变形，因此掌握基坑开挖过程中既有铁路隧道的变形特性及内力分布是至关重要的。

本文以紧邻襄渝线新人和场隧道的某房地产基坑为研究背景，对基坑工程施工对铁路隧道的影响进行分析，探讨基坑开挖对紧邻铁路隧道影响的控制措施[1]。

2 项目背景

2.1 拟建小区概况

重庆某房地产开发有限公司拟在重庆市人和兴建住宅小区。拟建场地位于重庆市北部新区黄山大道北侧，雪松路与胡杨路之间，属人和片区。场地用地成梯形，长边约197m，短边分别长约157m和143m，规划总用地面积约32521m2。整个拟建场地东北角最高西南角最低，最大高差约6m。

2.2 既有隧道概况

襄渝铁路新人和场隧道进口里程：DK12+795，出口里程：DK17+566，隧道起于吴家桥附近，终于江北客站重庆端，全长4771m，隧道为单线铁路隧道。

隧道采用C25耐腐蚀混凝土Ⅴ级复合式衬砌，衬砌断面如图1所示。隧道穿越的场地范围主要分布的岩性以中等风化泥岩为主，其岩性为：紫红色，岩体完整，岩芯呈长柱状。

图1 襄渝铁路新人和场隧道衬砌断面图

2.3 分析内容和方法

因拟建小区建筑物局部位于襄渝铁路新人和场隧道的保护控制线范围，为了保护拟建建筑物和既有隧道的稳定和安全，采用地层结构法和荷载结构法进行综合分析与评价。

3 拟建小区对隧道影响的安全分析

本次计算分析采用有限元分析软件MIDAS/GTS，对襄渝铁路新人和场隧道进行三维数值模拟分析。计算范围内的岩体采用三维实体单元模拟；隧道衬砌采用板单元模拟，锚杆则采用植入式桁架单元模拟。为了确保三维模型有足够计算精度，本次计算对计算范围进行了一定的限制。沿隧道方向取50m，模型宽度和深度分别取71.4m、76m。计算采用使用“激活、钝化”单元的方法实现隧道的开挖和支护、基坑开挖以及房屋修建的模拟，岩体材料的本构模型采用Mohr-Coulomb屈服准则[2]～[4]。其模型如图2所示。

根据《重庆某人和住宅小区铁路隧道地质钻探报告》及新人和场隧道的设计图，确定围岩和衬砌的计算参数，计算参数见表1。

图2 新人和场隧道实体模型

表1 三维模型计算参数

目前新人和场隧道已建成通车，而房地产项目即将修建。针对这种修建顺序，分别模拟隧道原始状态以及修建建筑物后的状态，并将两种状态下的变形进行对比，得出建筑物修建对隧道的影响。计算时采用7个计算步骤进行模拟。计算步骤1为模拟初始应力场状态；用4个计算步骤模拟新人和场隧道的开挖和支护；之后的计算步骤6、7分别模拟地基开挖和施加房屋荷载的过程。

根据上面所述的计算过程，分别计算两种状态：一是新人和场隧道自身的变形情况；二是地基开挖后，建筑物施工过程中，新人和场隧道位移变化情况。这两个计算状态下的位移结果见表2。

表2 不同计算状态竖向位移结果（单位：mm）

（1)状态一：无房屋建筑物时隧道的位移如图3。

图3 新人和场隧道竖向位移图

（2)状态二：房屋修建后隧道的位移如图4

图4 房屋建成后隧道竖向位移图

根据有限元计算结果，对两种状态下的隧道竖向位移进行对比。

从表2计算结果中可以看出，隧道在开挖的原始状态下各个部分的位移均较小。在房屋建设完成后，由于房屋对隧道的加载作用，造成拱顶向上拱起。而隧道其他位置的位移有明显的增大，增量在2.5～4.5mm之间，由此看出，房屋的桩基修建对隧道产生了一定的影响。

本次内力计算选取DK15+650作为验算截面，计算时考虑桩基对隧道的加载作用。按照对隧道埋深进行界定，Ⅴ级围岩浅埋单线隧道分界深度18～25m，可以判断新人和场隧道在分析段为深埋隧道。隧道衬砌内力计算主要分析隧道结构在房屋建成前、后结构内力情况。

由图5可以看出，襄渝铁路新人和场隧道地表建筑物桩基础密集，且荷载较大，为了确保隧道的安全，建议将高层的桩基进行加深。

图5 建筑物桩基与新人和场隧道位置平面关系图

（1)隧道原始内力状态

图6 新人和场隧道衬砌内力图

（2)施加桩基荷载后隧道内力状态

图7 新人和场隧道衬砌内力图

通过对表3和表4进行对比可以看出，采用加深桩基深度进行施工，隧道拱顶弯矩减小，安全系数提高，而墙腰、墙脚和仰拱的安全系数都在不同程度上有所降低，但基本能够保证隧道衬砌结构满足承载能力要求和正常使用要求。

4 结论

通过房地产工程修建对既有襄渝铁路新人和场隧道影响的有限元计算和结构计算可以得到如下结论：

(1)对隧道位移沉降图分析表明，由于房屋建筑的基底距襄渝铁路新人和场隧道的距离较近，基础的施工会对隧道产生一定影响，因此房屋基坑施工时应特别重视保护岩体完整性。

表3 原始状态新人和场衬砌强度计算

表4 施加基础荷载后新人和场衬砌强度计算

(2)通过对拟建小区房屋修建后的隧道结构内力计算表明，如果按原有的桩基深度施工，隧道安全系数显著降低，部分截面不能满足承载力要求，为了保证隧道的安全，必须对桩基进行加深处理。

[1]宋强辉.城市地下轻轨隧道与上部建筑物相互作用及稳定性实例分析[J].岩土力学，2007，28:423－429.

[2]梁志勇.地铁暗挖隧道紧邻既有建筑物施工方案分析[J].北方交通，2009，8:91－92.

[3]王桂林.复杂浅埋隧洞高层建筑地基安全性评价[J].地下空间，2004，24(2):265－267.

[4]张永兴.高层建筑岩石洞室地基稳定性分析方法与应用[J].工程力学，2007，24(2):110－119.

Effects of Mutual Interactions of High-Rising Buildings Construction on the Stability of Existing Railway Tunnel

The foundation construction of a certain high-rising buildings is adjacent to the existing railway underground tunnel,which will invariably influence the deformation and subsiding of the adjacent existing railway tunnel.In this paper,two methods,load structure method and layer structure method,are suggested and the interaction and influence between the tunnel and the adjacent structure are synthetically analyzed and evaluated.The result indicates that the structure's building has disturbance to the displacement of underground tunnel,the maximal vertical displacement of tunnel roof is 4.5mm.Hence,appropriate measures are suggested to be taken to reduce influence of the buildings on the safety and stability of surrounding rock structure of the existing railway tunnel.

existing railway;mutual interaction;three-dimensional analyze;stability

U445.4

A

1671-9107（2010）06-0029-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.6.029

2010-4-22

周莹（1983-），男，助理工程师，研究方向为桥梁与隧道，主要从事建筑工程监理、监控工作。