盾构下穿复合地基高层建筑相互安全影响分析

2019-11-08刘力李名淦高辛财乔峰

特种结构 2019年5期

刘力李名淦高辛财乔峰

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

近年来，伴随各大城市地铁建设的发展，地铁区间隧道下穿及临近建筑物的工程案例越来越多。苏州市轨道交通 2 号线线路全长约26.556km，从522 余幢各类房屋的正下方或侧面通过[1]。上海轨道交通11 号线从徐汇中学崇思楼正下方穿过，盾构隧道外壁距离地表约14.1m，盾构隧道中线间距17.2m[2]。北京地铁10 号线盾构穿越南、北小街8 号楼，盾构隧道与南小街8 号楼距离近且旁穿距离较长，结构老化且已有多处结构裂缝，穿越时，由于不均匀沉降可能会加剧裂缝延伸，对建筑安全影响较大[3]。以上下穿建筑物的地铁隧道均以施工过程中地层变形对建筑物的影响控制为重点，较少对地铁隧道下穿建筑进行全面的分析，如对后期地铁运营期间振动对上方建筑的影响[4]，隧道与建筑的抗震性能相互影响[5]，以及考虑上部建筑附加荷载对地铁隧道结构设计的影响。

北京地铁16 号线万泉河桥站—苏州街站区间以350m 小半径曲线下穿左岸工社大厦复合地基高层建筑。本工程要实现在不影响左岸工社大厦正常使用条件下盾构工程的穿越，需解决一系列技术难题。

1 工程概况

万泉河桥站—苏州街站区间下穿左岸工社大厦平面及竖向位置关系如图1 所示。线路平面与大厦基底呈60°斜交下穿，左、右中心线间距约12.1m。隧道覆土约 23m ～24m，隧道顶距大厦筏板基础底约11.7m。穿越地层为卵石层，位于地下水位下。左岸工社大厦竣工于2003 年，位于北四环路与苏州街交叉路口西南角，地上17层～20 层，地下 3 层。采用钢筋混凝土筏板基础，高层基础筏板厚0.7m，外挑地下室筏板厚0.45m，设井字倒梁，地下室无结构变形缝。上部结构西侧为钢筋混凝土框剪结构，东侧为中央混凝土剪力墙核心筒结合框架结构。大厦基底打设2000 余颗 CFG 桩，桩长约 10m，桩底落于卵石地层，复合地基承载力400kPa。区间采用加泥式土压平衡盾构施工，盾构区间管片外径6.4m、管片厚300mm、错缝拼装。

图1 区间线路与左岸工社大厦社位置关系Fig.1 The section of shield tunnel crossing through the building

由于地面条件限制，下穿左岸工社大厦主要从隧道洞内采取保护措施。下穿范围管片增加预埋壁后注浆孔，在盾构通过后，通过壁后注浆孔向隧道全周径向深孔注浆。

2 盾构下穿建筑施工影响预测分析

2.1 模型建立

采用Midas/GTS 软件进行数值模拟计算，模型土体采用摩尔-库仑屈服准则。地下室结构、围护结构、隧道衬砌采用弹性模型。计算模型土体参数按表1 取值。

表1 土层参数Tab.1 The material parameters of soil

根据隧道与建筑位置关系建模如下：地下室及钢筋混凝土筏板基础采用弹性实体模拟；地上高层建筑采用等效荷载替换，结构恒载及活载按每层14kPa 施加于地下室立柱；管片采用板单元模拟，考虑接头及错缝拼装方式影响，管片刚度折减系数取0.85。模型上表面为地表自由面，侧面施加水平约束，底部施加竖向约束。如图2 所示，整体模型共划分单元22 万余个。

模拟盾构机推进施工过程，模拟盾构机开挖土体，掌子面压力平衡，盾构管片拼装以及盾尾同步注浆等几个关键步骤，反复进行直到隧道贯通。模拟盾构隧道掘进方向由北向南进行，5m为一个开挖步，两条隧道掘进共分42 步进行。

图2 三维有限元整体模型Fig.2 Numerical analysis model

2.2 计算结果分析

(1)盾构掘进方向对地层与建筑沉降影响不大，由南至北或由北向南掘进可根据实际需要选择；盾构掘进顺序对地层和建筑沉降、管片变形受力有影响，应按先掘进右线隧道施工。结合对比分析结论和工程实际情况，确定区间采用由北向南、先右线后左线掘进顺序进行施工。

(2)不同深度地层变形有较明显差别，地层变形受掌子面支护压力影响较大，受管片与开挖面之间空隙注浆模拟等代层弹性模量影响较小；地表沉降为“U”型，靠近隧道上方地层沉降为“W”型，隧道下部地层隆起为“M”型；非建筑范围地表最大沉降值4.86mm，位于隧道中心线上方。

(3)筏板基础沉降随隧道施工过程变化明显，最大沉降位于筏板东南角右线隧道穿出筏板与复合地基边界处，最大沉降值6.22mm；最大隆起部位在筏板西北角，最大隆起值1.5mm，差异沉降7.72mm。建筑向东南方向倾斜，筏板最大倾斜率0.086‰。

(4)地下室变形分布规律与筏板基础接近，但由于框架结构荷载多集中于立柱，因此沉降范围较筏板基础更为集中；东西向柱间最大差异沉降位于南向北第3 行，东向西第3、第4 列两柱之间，最大差异沉降1.72mm；南北向最大差异沉降位于东向西第2 列，北向南第3、第4 行两柱之间，最大差异沉降0.87mm。

(5)管片的较大变形集中于盾构出入洞部位与高层建筑下方，受管片与开挖面之间空隙注浆模拟等代层弹性模量影响较大，等代层弹性模量越大管片变形越小；双线贯通后管片最大变形位于隧道穿越筏板基础与复合地基边界处，拱顶最大沉降14.9mm，拱底最大隆起17.9mm；管片受力与管片变形相关联，因而管片弯矩最大值部位与变形最大值部位一致，管片最大正弯矩位于拱顶；最大负弯矩位于东侧拱腰。

(6)由于复合地基中桩体与土体刚度差别较大，CFG 桩承担了大部分荷载，桩土应力比约70；复合地基桩间土体受力由桩群中心向外逐步增大；单桩受力呈现桩体中部大、两端小的特点；复合地基受力分布表现为外围受力大，内部受力小，地基外围桩体竖向应力约是地基内部桩体2 倍。

学员希望的学习内容前三位分别为：临床常用口语（67.02%），文献阅读（46.81%）和临床指南（45.74%）。见表2。

(7)CFG 桩复合地基对管片受力影响较大，不同位置管片弯矩变化较大；复合地基外围应力集中力明显，对管片受力不利；右线管片最大弯矩较没有复合地基大23%，左线管片因为由筏板基础与复合地基边界穿出，所受集中力较右线管片大，最大弯矩较没有复合地基大52.3%，应在穿越CFG 桩复合地基时加强管片强度，做好安全加固措施。

3 盾构隧道管片结构受力影响分析

3.1 考虑基底平面以下为半无限体情况

假定左岸工社大厦三层地下室开挖到基坑底后地应力场达到平衡，可假定左岸工社大厦基础底板标高处以下为半无限体，对应左岸大厦基础基底压力280kPa 为相应的附加压力。根据此假定对上部结构作用下隧道附加应力及总应力进行计算。

1.按天然地基考虑附加应力布辛内斯克解

利用基础板下设计承载力值作为基底压力值，根据矩形面积均布荷载作用下的地层中应力布辛内斯克解，可得到盾构管片所在层卵石层的地层应力值。将基础板分为多个区域板块，再利用叠加原理，将各个分块基础板产生的应力相加，最终可求出总的附加应力。

2.按桩基考虑的附加应力明德林解

按照弹性解析解及数值解，根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94 -2008)中关于群桩作用下桩端以下地层中的附加应力计算模式，采取考虑桩径影响的Mindlin 计算公式求取盾构管片附加应力。

3.按复合地基考虑的附加应力解

按CFG 桩复合地基考虑，地基处理CFG 桩单桩设计承载力597.88kN，据此确定单桩荷载值，其余荷载由桩间土承担。盾构下穿区复合地基下任一点附加竖向应力为单桩荷载值对该点的竖向作用力之和与整体基础板对该点附加应力相叠加的结果。按照明德林解与布氏解相叠加结果，左线最大附加竖向应力值为262.8kPa，右线最大竖向附加应力值为267.2kPa。考虑11.7m厚土层自重应力，左线管片顶竖向应力值最大为496.8kPa，右线最大竖向应力值为501.2kPa。相应附加应力及总应力计算结果见表2。

表2 基底平面以下为半无限体管片竖向荷载最大值Tab.2 Maximum vertical load of segment in the situation of a semi-infinite body below the base plane

3.2 考虑地表面以下为半无限体情况

同样按3.1 节中三种方法对上部结构作用下隧道附加应力及总应力进行计算，相应附加应力及总应力计算结果见表3。

按复合地基考虑地层与CFG 桩共同作用计算。根据左、右线管片顶部纵向土层竖向附加应力及竖向应力分布，左线最大竖向附加应力值为32.8kPa，右线最大附加应力值为31.4kPa。最大竖向应力值则分别为517.4kPa 和515.9kPa。根据左、右线管片顶部横向土层竖向附加应力及竖向应力分布，左线最大竖向附加应力值为33.2kPa，右线最大附加应力值为31.1kPa。最大竖向应力值则分别为517.8kPa 和515.7kPa。

表3 地表面以下为半无限体管片竖向荷载最大值Tab.3 Maximum vertical load of segment in the situation of a semi-infinite body below the surface of the earth

3.3 隧道结构设计

左岸工社大厦基础底板距离管片顶部最小垂直距离11.7m，埋设深度大于1 倍隧道外径，但对于CFG 桩复合地基尚缺少是否产生土拱效应的明确结论，CFG 桩施工过程中对原状地层置换扰动了原状土，太沙基松动土压力公式不适用。在上述条件下，根据日本《隧道标准规范(盾构篇)及解说》中第29 条解说2，采用隧道全覆土重作为土压力可对实际情况全面包络。考虑水土合算，管片顶部垂直土压力可根据表3 得到，管片顶部垂直土压力为517.8kPa。

4 盾构隧道下穿高层建筑抗震分析

对隧道下穿地表建筑物穿越工程，较多关注隧道施工对地表建筑物安全的影响，以确保工程实施中隧道与地表建筑安全为控制重点，忽视隧道建成后对被穿越地表临近建筑抗震性能的影响。

地下结构抗震需要考虑很多问题，诸如：土与结构相互动力作用，地下土层非均质及地下水影响，边界条件选取，土介质非线性、接触非线性，地震波波长、入射角度、计算范围选取等。地下结构抗震的研究方法主要分为三个方面：理论方法、数值模拟和试验法。

相比理论方法需要对很多方面做一定假定或简化，数值模拟方法有很大优势。地下结构抗震问题已从静力分析发展到动力分析，并在地铁结构抗震分析中推广应用。建立盾构隧道-土体-地表邻近框架结构相互作用体系三维数值计算模型，分析隧道与邻近框架结构相互之间地震响应的影响规律。

4.1 模型建立

土体参数按表1 取值，采用 MIDAS/GTS 软件进行时程法计算分析。模型网格与盾构下穿建筑施工影响预测分析一致，增加左岸大厦地上结构，地上框架结构墙采用板单元、梁柱采用梁单元模拟。

计算模型以盾构隧道施工完成后阶段开始，分析隧道、上部结构地震相互作用。抗震分析有限元整体模型如图3 所示。采用粘-弹性吸收边界，采用万泉河桥站-苏州街站区间抗震分析地震波数据。

图3 抗震分析有限元整体模型Fig.3 Numerical model of seismic performance analysis

4.2 计算结果分析

建立三种工况地上建筑、隧道地震工况分析模型：(1)无盾构隧道只有地上建筑左岸工社大厦模型，分析地震工况左岸工社大厦地下室、地上结构抗震性能； (2)无上部地面建筑只有地下隧道模型，计算地震工况隧道变形； (3)隧道—地基土体—上部结构整体模型，计算地震工况隧道、上部结构变形。将三种工况地上建筑、隧道地震工况变形进行比较，分析隧道—地基土体—上部结构相互作用的地震响应。

1.双隧道存在对左岸大厦抗震性能的影响

综合考虑隧道埋深和间距、基础深度、土体特性、地上建筑自振周期等因素，通过模拟计算分析，得到罕遇地震工况下，由于地下隧道下穿引起的左岸工社大厦抗震性能变化：①层间位移角增幅为20%； ②水平位移幅值增加28%，竖向影响可忽略。

考虑隧道存在的影响后，左岸大厦结构满足抗震设计规范要求。

2.左岸大厦对隧道抗震性能的影响

有高层建筑时隧道最大变形增加，最大直径变形率增幅4.37%。最大直径变形率小于《城市轨道交通结构抗震设计》限值。盾构区间满足E3地震作用下抗震性能要求。

5 地铁运营振动对高层建筑影响分析

5.1 模型建立与计算

地基土层分布与抗震计算分析相同，阻尼系数取0.03。采用“地铁列车—轨道—环境地层—地面建筑系统”空间动力分析模型，将复杂的三维空间体系转化为两个子系统：子系统1 为二维地铁列车耦合模型，利用车辆-轨道系统沿线路纵向对称性，在图4 所示x-z平面内建立二维车辆-轨道耦合模型，计算作用在轨枕上的动力荷载时程；子系统2 为三维轨道-地层-地面建筑耦合动力模型，通过输入子系统1 求得的列车动力荷载，分析普通道床与浮置板道床工况下列车运行引起建筑物室内动力响应，并与规范进行比较，得出相应结论。

图4 地铁列车-轨道-环境地层系统空间动力分析模型Fig.4 The subway train-track-stratum spatial dynamic analysis model

根据左岸工社大厦结构、隧道结构及地层情况，在MIDAS/GTS 中建立隧道-地层-建筑物耦合模型，模型整体和各个细部构造如图5所示。

图5 三维隧道-地层-建筑物耦合模型Fig.5 Three dimensional model of tunnel-stratum-building

5.2 计算结果分析

基于隧道-地层-建筑物耦合模型，对普通道床、浮置板道床的减振效果进行分析：对左岸工社大厦内垂向振动加速度响应三分之一倍频程进行分析，研究地铁列车运行引起周边建筑物内振动的传播规律和分布规律；根据《城市区域环境振动标准》对铅垂向Z振级的控制要求，对不同道床减振效果进行对比。

(1)普通道床和浮置板道床工况下，频率低于10Hz 时，两种工况频率成分差异较小；高于20Hz 时，浮置板道床工况振动较普通道床小，差异较大，且随频率增大，差异越明显，浮置板道床主要对20Hz 以上振动起作用，对低频振动作用较小。

(2)在三分之一倍频程中，对比普通道床，浮置板道床使10Hz 以外其他频段振动减弱；中心频率为10Hz 时，即处于浮置板的固有频率处，振动有所增强。浮置板道床减振效果较好的频段为中心频率大于20Hz 频段，此频段内插入损失为 10dB ～31dB；当中心频率为 63Hz 时，减振效果最好；低于10Hz 时，底层建筑减振效果不明显，插入损失为 4dB ～8dB；随楼层增加，减振效果有一定增强，顶层建筑插入损失为12dB～15dB。

(3)振动最强的 5s ～10s 时间段内，浮置板轨道工况下，室内振动最大Z振级插入损失为3dB ～15dB，减振效果较好；随楼层增加，减振效果增强，在 0s ～15s 内，插入损失由 -5dB ～10dB 变化为 10dB ～15dB。最大Z振级插入损失随楼层增加呈现一致增大趋势，插入损失分布于2.2dB ～12.4dB 之间，浮置板的施加对高层的振动控制具有更好的效果。