地铁明挖隧道与上方高层建筑共建方案研究

2015-12-21柳兴旺

水利与建筑工程学报 2015年3期

柳兴旺

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043）

目前城市轨道交通以地下敷设为主，从规划—设计—建设—开始运营一般需4a～5a时间，在此期间沿线必有高层建筑的规划或实施[1]。随着高层建筑基坑规模变大，地铁隧道小净距穿越周边高层建筑基础工程也越来越多。既有地铁隧道工法中矿山法开挖过程地层受到扰动，由此产生位移，并导致周边建筑物的附加沉降，严重时甚至威胁到建筑物的安全[2]，盾构隧道虽然控制沉降较好，但掘进压力仍会对构筑物基础造成影响。同时上部附加荷载对管片耐久性影响较大[3]。因此，此种建设时序交叉项目在净距较小工况下，选择合适明挖共建方案，才能充分合理的开发地面空间、地下空间与上部空间，间接的证实城市中心改造成败[4－5]。

本文借助于数值分析理论，分析地铁隧道与上方高层建筑共建方案，对高层建筑地下室与上方建筑施工过程中，下方地铁明挖隧道的内力与位移进行分析与比较，结构分离方案能确保地下室底板下设置的转换体系将高层建筑附加荷载有效地传递到地层深处，可有效地减小基坑下方明挖隧道的附加应力与变形。研究结论可为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

本文研究某区间隧道，在里程YDK25＋113.876～YDK25＋200.000范围内，下穿拟建中央商务区大厦，该大厦总占地面积接近5万m2，商务区高层建筑主要有23层（高约100m）与37层（高约160 m）两种，区间隧道上方建筑主要为23层的甲级写字楼具体平面位置如图1所示，商务区包含3层地下室，地下室结构顶板顶埋深约为16.4m，隧道外轮廓线距离地下室结构底板净距1.839m，由于距离较小，拟定地铁采用明挖隧道并与商务区地下室共建降低施工风险。

根据强风化砂岩力学特性并结合当地高层建筑物基础型式，拟定中央商务区地下室结构采用整体筏板基础，基坑采用支护桩＋预应力锚索围护结构体系。区间隧道与商务区地下室交叉范围落成后，盾构从车站端头井处拼装下井，随后空推通过地下室下方框架结构进行始发。

图1 区间平面示意图

2 方案介绍

2.1 方案一

明挖区间与中央商务区地下室结构整体施做，即明挖区间顶板即为地下室结构底板，结构合建，相对位置关系如图2所示，地下室结构筏板基础厚度按2.0m考虑，明挖区间结构顶板按700mm考虑，隧道拱顶与地下室结构底板间净距为1 839mm。

2.2 方案二

明挖区间与中央商务区地下室结构分离，并在商务区地下室筏板下方做结构转换层，同时在转换层下方需施做桩基础，转换层及其下方桩基组成的转换体系应能将商务区高层建筑荷载有效传递至地层深处，确保高层建筑荷载不会对商务区地下室下方的隧道结构产生附加荷载，不会影响隧道结构的承载力与稳定性。此时，明挖区间与中央商务区地下室的相对位置关系如图3所示，地下室结构筏板（含转换层）基础厚度按2.0m考虑，明挖区间结构顶板与地下室基础间净距暂按500mm考虑，明挖区间结构顶板按700mm考虑，里程YDK25＋113.876处，隧道拱顶与明挖区间结构顶板间净距为489 mm。

图2 合建方案示意图

图3 分建方案示意图

3 有限元计算模型的建立及参数分析

通过Midas GTS大型岩土仿真软件建模分析。地层、商务区地下室结构底板与地铁区间结构等采用实体单元模拟，基坑围护桩与商务区内部结构体系等采用梁单元模拟，基坑两侧锚杆采用植入式桁架模拟，高层上部结构采用20kPa/每层模拟。

（1）合建计算模型

尺寸:182m（长）×45m（高），共有7 764个单元，3 895个节点，采用位移边界条件，地面超载取20kPa，具体如图4所示。

（2）分建计算模型

尺寸:182m（长）×45m（高），共有6 335个单元，3 240个节点，采用位移边界条件，地面超载取20kPa，具体如图5所示。

图4 合建方案模型示意图

图5 分建方案模型示意图

（3）边界条件

土层底部完全固定；左右两侧面限制水平方向的位移，竖向自由。

土体采用Mohr－Coulomb理想弹塑性本构模型；高层建筑物主体、围护桩、隧道主体单元采用Mohr－Coulomb本构模型并将混凝土与钢筋合为一体考虑。

根据下穿隧道段地质勘察资料，工程影响范围内地层以填土、砂卵石、砂岩为主，区间隧道主要穿行于风化砂岩。场地范围内地层综合渗透系数按K＝22.0m/d考虑，属于强透水地层。计算过程中土体材料参数取值如表1所示。

表1 土体材料物理力学参数

4 各方案分析结果

4.1 合建分析

（1）合建施工步骤:施做高层建筑物基坑围护体系并开挖—施做隧道主体基坑施工围护体系并开挖—施做隧道主体与高层基础底板—施做高层地下室—施做地上二层—高层主体完成。

（2）竖向位移结果分析:区间主体结构施工后，结构竖向位移以沉降为主，最大沉降量为－16.4 mm，但受基坑开挖卸载影响，结构底板局部出现隆变形，最大值达到＋182.3mm；当商务区地下室结构施工后，区间结构沉降趋势加大，最大沉降值增大到－30.0mm，同时底板处的最大隆起值减小至＋175.0mm；当高层写字楼施工后，区间结构沉降趋势达到最大值，最大沉降变形达到－114.2mm，同时底板处的隆起值也相应减小到＋131.7mm[6]。

（3）商务区地下室与高层写字楼施工引起下方隧道结构的附加变形结果分析:为了进一步分析明挖隧道结构施工后，上方商务区地下室与高层写字楼施工的附加影响，将隧道结构施工后的整体位移清零处理。

商务区地下室与高层写字楼施工，引起下方区间隧道结构竖向位移以沉降为主，商务区地下室施工引起的隧道结构最大沉降值为－29.2mm，高层写字楼施工引起的隧道结构最大沉降值为－110.2 mm。

由以上分析可知，由于高层写字楼附加荷载大，引起的地层沉降比较明显，同时引起了下方明挖区间的附加沉降，最大值超过－100mm，这可能会导致结构出现裂缝与局部开裂，影响区间结构的整体稳定性与长期耐久性。

（4）水平向位移结果分析:区间主体结构施工后，结构水平向位移以向右为主，最大变形量为130.2mm，出现在右侧结构侧墙；当商务区地下室结构施工后，区间上部结构水平位移以向左为主，最大值为－128.3mm，出现在右侧结构侧墙，同时结构底板水平位移仍以向右为主，但数值有所减小，整个区间结构在高度方向出现向左边的扭曲变形；当高层写字楼施工后，区间结构水平位移以向左为主，最大值为－130.1mm。

由以上分析可知，商务区地下室与高层写字楼的附加荷载，可能会引起下方区间隧道结构顶板、底板在水平方向上不同步的位移，导致结构在竖直方向上形成扭转变形，水平向扭转曲率约为－0.6%，这对于结构受力是非常不利的[7－8]。

（5）最大主应力分析结果分析:区间主体结构施工后，出现的最大压应力为168.4kPa，最大拉应力为－158.1kPa；商务区地下室施工后，区间结构的最大压应力为1 181.3kPa，最大拉应力为－324.9kPa；高层写字楼施工后，区间结构的最大压应力为7 597.1kPa，最大拉应力为－1 073.4kPa。

按混凝土的极限压应变为3.3‰考虑，按极限拉应变为万分之一考虑，对于C40混凝土（E＝3.25×107kPa）而言，能承受的最大压应力为107.25×103kPa最大拉应力为－3.25×103kPa。

由以上分析可知，不同施工阶段，区间结构的最大主应力尚未超出其承载范围，结构不会出现裂缝或开裂。

（6）最小主应力分析:区间主体结构施工后，结构的最大拉应力为－1 040.9kPa。商务区地下室施工后，区间结构的最大拉应力为－1 593.0kPa；高层写字楼施工后，区间结构的最大拉应力为－5 401.3kPa。

由以上分析可知，在区间主体结构与商务区地下室结构施工期间，区间结构的最大拉应力尚未超出其承载范围，但在高层写字楼施工后，区间结构左侧墙与顶板相交处腋角位置的最大拉应力大于抗拉极限强度（5 401.3kPa＞3 250kPa），相应位置混凝土结构将会出现拉裂破坏。

（7）等效应力结果分析:区间主体结构施工后，区间结构的最大等效应力为847.5kPa；商务区地下室施工后，区间结构的最大等效应力为1 248.2 kPa；高层写字楼施工后，区间结构的最大等效应力为7 061.6kPa。

由以上分析可知，在区间主体结构与商务区地下室结构施工期间，区间结构的等效主应力并未超出其承载范围（7 061.6kPa＜1.0725×105kPa），区间结构不会出现受压破坏。

4.2 分建分析

（1）分建施工步骤:施做高层建筑物基坑围护体系并开挖—施做隧道主体基坑围护体系并开挖—施做隧道主体—回填土至高层底板标高—施做基础桩与高层结构底板—施做高层地下室—施做地上二层—高层主体完成。

（2）竖向位移结构分析:区间主体结构施工后，结构竖向位移以沉降为主，最大沉降量为－22.1 mm，但受基坑开挖卸载影响，结构底板局部出现隆起变形，最大值达到＋86.5mm；当商务区地下室结构施工后，区间结构沉降趋势加大，最大沉降值增大到－33.4mm，同时底板处的最大隆起值减小至＋75.6mm；当高层写字楼施工后，区间结构沉降趋势达到最大值，最大沉降变形达到－74.5mm，同时底板处的隆起值也相应减小到＋39.3mm[9]。

由以上区间结构在不同施工阶段的竖向位移情况可知，通过高层建筑物地下室下部设置的转换体系，并将地铁区间隧道与商务区地下室进行结构分离处理后，区间结构竖向变形显著减小，最大沉降值由－114.2mm减小至－74.5mm，减小了34.8%。

（3）商务区地下室与高层写字楼施工引起下方隧道结构的附加变形结果分析:为了进一步分析明挖隧道结构施工后，上方商务区地下室与高层写字楼施工的附加影响，将隧道结构施工后的整体位移清零处理，分析商务区地下室与高层写字楼施工引起的附加变形。

商务区地下室与高层写字楼施工，引起下方区间隧道结构竖向位移以沉降为主，商务区地下室施工引起的隧道结构最大沉降值为－13.2mm，高层写字楼施工引起的隧道结构最大沉降值为－60.8 mm，与受力转换体系与结构分离前的最大沉降值－110.2mm相比，减小了44.8%。

由以上分析可知，在采用转换体系与结构分离措施后，尽管区间结构依旧有明显的沉降变形，但是沉降趋势已经明显减弱，这对于确保区间结构的承载力与长期稳定性是非常有利的[10]。

（3）水平向位移结果分析:不同施工阶段，区间结构水平向位移趋势变化不大，向右侧的位移最大值为＋25.2mm，向左侧的位移最大值约为－82.5 mm，同时结构高度方向没有出现扭转变形趋势，表明商务区地下室与高层写字楼施工，对下方区间结构的水平位移影响不大（最大变化量不足5mm）[11]。

（4）最大主应力结果分析:不同施工阶段，区间结构的最大压应力为1 508.6kPa，最大拉应力为－1 397.0kPa；商务区地下室施工后，区间结构的最大压应力为1 623.6kPa，最大拉应力为－2 351.6kPa（小于极限拉应力－3 250kPa）；高层写字楼施工后，区间结构的最大压应力为6 519.8kPa（小于极限压应力1.0725×105kPa），最大拉应力为－1 570.4kPa。

由以上分析可知，不同施工阶段，区间结构的最大主应力尚未超出其承载范围，结构不会出现裂缝或开裂。

（5）最小主应力结果分析:不同施工阶段区间最小主应力以拉应力为主，区间主体结构施工后，区间结构的最大拉应力为－1 223.4kPa；商务区地下室施工后，区间结构的最大拉应力为－1 647.6 kPa；高层写字楼施工后，区间结构的最大拉应力为－7 309.9kPa。

由以上分析可知，在区间主体结构与商务区地下室结构施工期间，区间结构的最大拉应力尚未超出其承载范围，但在高层写字楼施工后，区间结构左侧墙与底板相交处位置的最大拉应力大于抗拉极限强度（7 309.9kPa＞3 250kPa），相应位置混凝土结构将会出现拉裂破坏，因此实际工程中应在底板与侧墙相交处设置腋角，加强构建的局部承载能力[8]。

（6）等效应力结果分析:不同施工阶段，区间结构的等效主应力，以压应力为主，区间主体结构施工后，区间结构的最大等效应力为1 395.3kPa；商务区地下室施工后，区间结构的最大等效应力为2 157.9kPa；高层写字楼施工后，区间结构的最大等效应力为8 854.4kPa。

由以上分析可知，在区间主体结构与商务区地下室结构施工期间，区间结构的等效主应力并未超出其承载范围（8 854.4kPa＜1.0725×105kPa），区间结构不会出现受压破坏。