高层建筑建设对邻近轨道隧道安全影响机理研究

熊桂开，谭双全，朱 波

（1.重庆市勘测院，重庆市 400020；2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆市 400020）

0 引言

进入21世纪，我国的城镇化水平不断提高，但交通拥堵正成为制约城市发展的重大问题，因城市轨道交通具有安全、便捷、舒适、载客量大等优点，能有效改善城市公共交通环境，所以大力发展轨道公共交通成了我们解决城市交通问题的有效手段。目前大中型城市的轨道交通建设正进入高速发展时期，轨道交通引领城市发展，在已建轨道交通周边开展工程建设活动也逐渐增多，新建建构筑物将会对既有运营轨道交通隧道安全造成一定的影响，所以工程师需掌握这种影响的机理，科学合理地评估新建建构筑物对既有隧道结构和轨道线路安全运营等方面的影响[1,2,3,4]。

本次研究根据拟建高层建筑与邻近既有轨道交通隧道的位置关系，采用大型有限元软件Ansys进行数值模拟分析与监控量测相结合的方法研究了隧道结构在基坑开挖和高层建筑建设完成后产生的附加内力和变形等影响机理[5]，对指导高层建筑的设计施工与确保交通轨道结构安全提供理论与数据支撑。

1 工程概况

1.1 新建高层建筑设计概况

新建建筑为分为办公塔楼和商业裙房，项目位于重庆某商圈区域。办公塔楼结构形式为框架核心筒结构，地下5层，地上33层；商业裙楼结构形式为框架结构地下5层，地上4层商业，塔楼范围内除核心筒采用筏板基础外，其余结构采用桩基础，选用中等风化泥岩作为基础持力层。

本建筑办公塔楼和商业裙房位于轨道交通三号线的东侧，其中办公室1号楼（塔楼）及部分商业裙楼和地下车库位于轨道50 m保护线内，建筑1号塔楼结构与轨道交通三号线隧道结构边线的距离为20.85～22.25 m，地下室结构与轨道交通三号线隧道结构边线的距离为16.26～17.37 m；附属地下室基坑支护结构距轨道交通三号线隧道结构边线的距离为14.35～15.88 m。建筑基坑开挖后，临近轨道交通隧道结构侧将形成高边坡，边坡采用肋板式锚杆挡墙进行支护，高度为22.5 m。两者之间的平面关系见图1，立面关系见图2。

1.2 轨道交通区间隧道设计施工概况

本段轨道交通区间隧道为暗挖隧道，隧道总体走向332°，与构造线呈大角度斜交，为双洞单线。区间隧道围岩为中等风化砂质泥岩，局部上层分布有薄～中层砂岩或夹有砂岩透镜体。中风化围岩厚13.79～21.58 m，为洞跨的2.81～4.11倍。围岩中主要发育两组裂隙，呈块状结构，砂质泥岩饱和抗压强度10.5 MPa，纵波波速2 726～2 989 m/s。中风化围岩厚度为围岩垂直压力计算高度的3.74～5.85倍，属深埋隧道。本段区间隧道岩体完整性好，隧道总体成洞条件较好，围岩级别为Ⅳ级。隧道采用矿山法施工，衬砌结构为复合式衬砌，衬砌断面见图3。隧道初期支护以钢格栅拱、钢筋网片、C20喷射混凝土、锚杆等为主要支护手段，隧道二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土。

图1 建筑与轨道三号线平面位置图（单位：m）

图2 建筑与轨道三号线立面位置关系图（单位：m）

图3 衬砌断面图（单位：m）

2 风险源识别与定性分析

根据新建项目与轨道交通结构相互关系，可知拟建项目实施对轨道交通三号线影响风险源有：

（1）基坑开挖深度约为26.9～28.9 m，深度大且开挖面积大，开挖卸载可能会造成隧道周边围岩不规律变形，围岩变形将导致轨道隧道结构变位或形变，若变形超过正常值，则影响轨道结构的正常使用；

（2）裙楼塔楼修建完成后，建筑荷载对原始地面形成加载，可能会引起既有轨道交通隧道结构内力增大，需要重新核算在新荷载作用下隧道结构安全是否能够得到保证；

（3）基坑边坡开挖后在未形成有效支护结构以前，边坡岩体处于不稳当状态，若边坡垮塌失稳，将会影响轨道结构的整体安全。

根据项目勘察资料及轨道设计资料，轨道结构周边围岩级别为Ⅳ级，隧道为深埋隧道，矿山法施工，建筑基坑为明挖施工，轨道隧道最大毛洞跨径为W=8.81 m，拟建项目基坑距轨道结构水平净距为L=14.35 m，1.5 W＜L＜2.5 W，基坑与轨道隧道接近程度为较接近。拟建项目靠轨道侧基坑开挖深度h=23 m，L＜0.7 h，轨道隧道位于基坑强烈影响区内，按照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202－2013）[6]对外部作业影响等级的划分，拟建高层建筑对轨道隧道结构的影响等级划分见表1。

表1 拟建项目外部作业影响等级判定

3 计算模型及参数

3.1 有限元模型及假定

本次研究采用大型有限元软件Ansys进行模拟分析，采用SHELL63三维壳体单元模拟隧道衬砌结构，采用SOLID45三维实体单元模拟围岩。三维有限元模型沿基坑横向取142 m，沿区轨道隧道纵向取187 m，从地表向下取79 m。计算模型地表面为自由面，侧面自由度约束侧向X、Z方向，底面自由度约束竖直Y方向，整体有限元算模型见图4，拟建建筑与轨道隧道结构有限元模型见图5。

图4 整体有限元模型

图5 拟建建筑与轨道隧道结有限元模型

3.2 计算方法及参数

数值模拟计算分析中岩土体的计算参数根据拟建高层建筑与轨道交通工程勘察报告的数据进行取值，采用Drucker－Prager准则作为岩土体的弹性屈服准则。此外，考虑到以下特殊情况对岩土参数进行换算：

（1）因《公路隧道设计规范》中的Drucker-Prager准则与ANSYS软件与有一定差异，所以换算后的c、φ值则是根据二者屈服准则表达式中α、β分别相等的原则进行计算[7,8]；

（2）由于轨道区间隧道采用钻爆法施工，考虑围岩有一定损伤，故假定区间隧道外边界2.0 m为松动圈分布范围。松动圈范围的岩体参数均按砂质泥岩弹性模量的0.8倍计算[9,10]；

（3）根据设计单位提供的拟建项目资料，计算时将拟建项目的建筑荷载换算为建筑容重，取值750 kg/m3。

本次数值模拟计算分析相关参数见表2。

表2 计算材料相关参数

4 模拟计算分析

4.1 轨道结构安全控制标准

参考《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202－2013)[6]，公路隧道设计规范（JTGD 70—2004）[8]，本次研究分析的轨道结构安全的控制标准见表3。

表3 轨道结构安全控制标准

4.2 模拟工况

本次数值计算采用4种工况对既有轨道交通隧道及新建建筑建设过程进行模拟分析，计算工况见表4。

表4 计算工况表

4.3 计算结果分析

（1）位移分析

由于基坑开挖卸荷，引起区间隧道产生竖向的上扬变形与水平横向变形，最大上扬位移值为1.96 mm，最大水平横向变形为-2.8 mm（方向指向基坑方向）；高层建筑建成后，在结构荷载作用下会使区间隧道产生下沉变形和水平横向变形恢复，最大下沉值为1.3 mm，最大水平横向变形为-0.8 mm。由表5各工况下隧道结构位移增量值可知，因上行线隧道靠近建筑物基坑侧，其受基坑开挖及建筑修建的影响要大于下行线隧道，表中计算数值与真实情况一致。

表5 各工况下隧道结构位移增量

（3）衬砌内力分析

为准确掌握基坑开挖及拟建建筑修建后受影响较大的上行线隧道衬砌结构弯矩与轴力，本次研究同步采用二维有限元方法进行计算分析。计算范围内土体、围岩以及建筑使用PLANE42单元模拟，隧道衬砌结构使用BEAM3单元模拟。有限元计算模型底面约束竖向自由度，侧面约束水平自由度，地表为自由面。各工况下隧道结构内力见表6。

由表6计算结果推算隧道衬砌结构最大裂缝为0.12 mm,最不利位置安全系数为2.1，均满足表3轨道结构安全控制标准要求。

表6 各工况下衬砌结构内力

5 安全监控与量测

在高层建筑施工过程中，通过制定合理的监控量测方案对轨道交通三号线区间隧道结构进行了监测，以充分了解该区间隧道净空收敛变形的工程实况，通过分析该数据随时间变化的规律，进一步分析轨道交通隧道随高层建筑的修建与时间过程变化的工作状态，做到信息化施工，动态设计以确保隧道结构安全运营。监测点总体布置见图6。根据目前已经掌握的高层建筑施工建设情况，本时间段仅示出建筑基坑开挖过程中受影响最大的轨道上行线DM04-3、轨道下行线DM05-4代表性测点所测隧道结构竖向位移、水平横向位移累计变化曲线见图7、图8。

图6 监控点总体布置图

从DM04-3测点竖向位移累计变化曲线图可以看出，随着建筑基坑的开挖施工，测点位移从0逐渐变化至2 mm，在基坑开挖完成后，变形基本趋向稳定，与有限元计算分析结果（表5各工况下隧道结构位移增量）基本一致；从DM05-4测点水平位移累计变化曲线图可以看出，随着建筑基坑的开挖施工，测点位移从0逐渐变化至4.2 mm，在基坑开挖完成后，变形基本趋向稳定，与有限元计算分析结果（表5各工况下隧道结构位移增量）基本一致，验证了有限元模拟计算分析的正确性，监测结果也表明轨道交通隧道结构在此时此类工况下处于安全状态。

图7 DM04-3测点竖向位移累计变化曲线

图8 DM05-4测点水平位移累计变化曲线

6 结论

（1）新建高层建筑基坑开挖将引起轨道交通区间隧道周边围岩卸荷，岩体发生回弹，隧道结构将发生上扬变形，最大上扬位移值为1.96 mm，最大横向位移值为2.8 mm，在卸荷作用下，隧道衬砌的弯矩与轴力会变小，对隧道结构受力有利，但建筑建成后，在结构、回填层等荷载作用下会使区间隧道产生下沉变形和水平横向变形恢复至接近原始状态后继续发生位移，最大下沉值变为1.3 mm，最大水平横向位移值变为为0.8 mm，均小于10 mm位移控制指标[6]，研究结果表明项目实施期间对轨道交通线路正常运营影响程度较小。

（2）数值计算研究成果表明高层建筑施工及建成后隧道二次衬砌结构关键部位最小安全系数2.1，大于2.0，最大裂缝宽度0.12 mm，小于0.2 mm，满足规范[6,8,11]要求，因此其对隧道衬砌结构的安全性和耐久性影响较小。

（3）采用现场监控量测数据与有限元数值计算分析相结合的方法研究了新建高层建筑对邻近轨道交通隧道的安全影响机理，有限元数值模拟分析得出的结论与现场监控量测的数据基本一致。在下一步研究中，可进一步对实际监控数据与理论分析数据差别深入分析判别，不断修正岩土工程相关计算参数及有限元模型，进一步充实理论计算分析类似工程的内涵。