地铁区间隧道近接建筑施工工程影响分析

2020-12-01刘清名

四川建材 2020年11期

刘清名

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

0 前言

最近几年以来，我国很多城市都在建设地下轨道交通。由于城市建筑物密度较大，导致很多地铁隧道与建筑物比较接近，该问题已经引起了社会各界的广泛关注[1]。近接建筑施工过程会对原本平衡的受力状态造成不利影响。不同工程项目由于所处位置的地理环境、施工方法、工程大小不同，所以对建筑造成的影响程度也存在差异[2]。根据施工工程项目对近接建筑物影响程度的不同，可以对相关的影响区域进行科学划分，进而判断对不同区域建筑物的影响程度，在此基础上指导工程项目的设计规划。对近接工程影响分区进行研究时涉及到的内容主要包括分区影响因素、分区准则以及辅助施工工程等[3]。本文以某城市地铁线区间隧道近接建筑施工具体项目为例，对近接建筑施工工程影响分区开展分析与研究。

1 近接建筑施工工程影响分区模型及其划分方法

1.1 影响分区模型概述

工程影响分区指的是在进行正常隧道工程项目施工过程中，基于相关准则，其对近接建筑物影响程度大小的区域划分方法。通常可以划分成为三个区域，分别为无影响区域、弱影响区以及强影响区域。对于无影响区域不需要采取特殊的措施，按照常规施工措施进行施工即可；对于弱影响区域通常也不需要采取特殊的辅助措施，但需要对施工过程加强控制，避免造成不利影响；对于强影响区域则需要考虑通过专门的辅助措施开展施工工作。

对于地铁隧道项目而言，需要穿过的地层区域相对较长，使得其地层条件变化情况显著。为了方便计算，通常假设沿隧道所在区域的地质具有相同的性质。本研究在计算时将地层假设为连续的弹性体，并且通过摩尔-库伦屈服准则进行计算，地面上的建筑物载荷均匀的分布在水平地面上。在充分结合工程实际情况以及近接施工工程影响分区特点的基础上，地铁区间隧道与建筑之间的关系进行抽象处理，结果见图1。

图1 抽象模型

1.2 工程影响分区划分方法

假设地面上没有建筑物时，开挖隧道的安全系数用K0表示。地面上存在不同类型和高度的建筑物时开挖隧道的安全系数用Ki表示，将上述的两个参数作对比，可以得到安全比值ɑ，其中ɑ=Ki/K0，通过安全比值ɑ可以确定地面建筑物对隧道开挖安全程度造成的影响。其中ɑ越大说明影响程度越小，如果ɑ等于100%，则说明地面建筑物不会对隧道开挖安全造成影响。隧道拱顶与建筑基底之间的距离H越小，那么隧道开挖导致的潜在破裂区域就会延伸到建筑物地基中，影响程度就越大。相反的，如果H很大，那么潜在破裂区域不会对建筑物地基造成影响，这些区域只会集中在隧道拱顶附近。结合实际情况，本研究将三个影响区的界限划分方法规定如下：强弱影响区域之间的界限为安全系数K随H的变化曲线的突变点对应的位置区域；ɑ几乎接近100%的区域为弱无影响区域界限。

2 工程影响分区

2.1 分区方法

通过有限元软件开展相关分析计算工作。计算时考虑到隧道长度较长，所以按照平面问题进行处理。为确保模型计算的准确性，设置隧洞左右边界以及下边界的区域范围全部超过隧洞尺寸的4倍以上。隧洞顶部区域的大小则根据实际情况设置。模拟仿真分析时为简化计算过程，节省模型分析计算的时间。忽略了一些因素的影响，比如爆破震动的影响。但不会对计算结果造成显著影响。

本文所述的地铁工程项目沿线地层变化幅度比较大。从上至下依次为土层、强风化花岗岩和中风化花岗岩，对应的厚度分别在2～15 m、2～13 m和2～25 m。仿真分析时假设所有的隧道围岩具有相同的属性，全部按照中风化花岗岩的属性进行设置，具体属性参数如下：弹性模量和泊松比分别为5GPa和0.25，密度为24.5 kN/m3，粘聚力和内摩擦角分别为0.6 MPa和35°。

以某建筑物正好位于隧道上方为例进行仿真计算。建筑物的重量载荷以及基地的宽度分别为265 kPa和12 m，隧道高度以及跨度分别为6.5 m和6 m。计算了拱顶距离建筑基底的距离H的大小对隧道围岩安全系数和潜在破裂区域的影响。研究结果发现，当H不超过6 m时，随着H值的不断增大，安全系数以较快的速度增长。与此同时，潜在破裂区域延伸到了建筑基底区域。也就是说隧道施工会对建筑产生显著的影响，建筑处在施工工程的强影响区范围内。当H为6 m时，围岩安全系数出现突变。也就是说H为6 m是强弱影响区域的分界。H超过6 m后，隧道围岩安全系数随着H的增大，其增大幅度非常小。当H为18 m时，潜在破裂区域仅出现在隧洞附近区域，建筑基底附近的区域不存在任何问题。

随着H的不断增大，安全比值ɑ也随之逐渐增大。当安全比值ɑ在75%左右时，隧道开挖造成的潜在破裂区域正好不会对建筑基底造成影响。进一步对其他工况进行模拟分析得到了同样的规律。基于此，可以将安全比值ɑ等于75%时对应的H值来划分弱无影响区域。基于上述的施工工程影响分区方法，本研究最终得到的强弱影响区域分界值为6 m，弱无影响区域的分界值为18 m。

2.2 计算结果与分析

以隧道宽度6 m和建筑物载荷265 kPa分别作为基础宽度D0和基础载荷P0。分析了建筑载荷P/P0、隧道跨度D/D0、水平距离L/D0、基底宽度B/D0四个影响因子对施工工程影响分区的影响。取P/P0为0.4、1、2、4，D/D0分别为1、2、3，L/D0分别为-1/2、1/2、3/2、7/2，B/D0分别为1、2、6。基于以上工况条件建立模拟仿真模型进行分析计算，提取相关的结果进行研究和分析。以下详细介绍四个影响因子对对施工工程影响分区的影响规律。

1)P/P0逐渐增加的时候，施工工程影响分区分界值总体上呈现出逐渐变大的趋势，但是增大速度表现出两头大中间小的规律。说明地面上建筑的载荷大小会对工程影响分区产生非常强烈的影响。具体而言，当P/P0为0.4时，强弱分界和弱无分界分别为0.5D和1.5D；当P/P0为1和2时，强弱分界和弱无分界分别为1D和3D；当P/P0为4时，强弱分界和弱无分界分别为1.5D和5D。

2)D/D0逐渐增大时，施工工程影响分区分界值逐渐降低，表明隧道跨度大小会对工程影响分区产生非常强烈的影响。当D/D0为1时，强弱分界和弱无分界分别为1D和3D；当D/D0为2时，强弱分界和弱无分界分别为0.75D和1.75D；当D/D0为3时，强弱分界和弱无分界分别为0.5D和1.33D。

3)当L/D0在-1/2～1/2范围变化时，对施工工程影响分区分界值没有任何影响。而当L/D0超过1/2且不断增加时施工工程影响分区分界值逐渐降低。当L/D0为-1/2和1/2时，强弱分界和弱无分界分别为1D和3D；当L/D0为3/2时，强弱分界和弱无分界分别为0和1D；当L/D0为7/2时，强弱分界和弱无分界全部为0。

4)无论B/D0取多少，强弱影响区分界值始终保持不变，为1D。而当B/D0为1时，弱无影响区分界值为2D；当B/D0为2和6时，弱无影响区分界值均为3D。

3 地铁区间隧道近接建筑施工工程实例

3.1 工程概况

某城市地铁线穿过城市中心，需穿过高层办公建筑的区域属于双洞单线隧道。隧道断面尺寸分别为高度6.5 m、跨度6 m。隧道附近的建筑A投入使用已经20年，主楼总共17层，其中地下2层、地上15层，裙楼总共4层，其中地下1层，地上3层。整个建筑的长度和宽度分别约为66 m和15.5 m，基底的埋深约为10 m左右。隧道行走方向与建筑中轴之间的夹角为45°，隧道顶板与基底之间的距离H在15～17 m范围内，其中岩石覆盖厚度约为7～10 m。附近一座建筑B投入使用已经10年，该建筑总共29层，其中地下4层，地上25层，基底埋深在15 m左右，隧道顶板与基底之间的距离H在12 m左右，其中岩石覆盖厚度为1～4 m。

隧洞穿越的这部分建筑区域表面覆盖有厚度为9～15 m的土层，土层下面为花岗岩且颗粒比较粗大，局部地方还存在有脉岩。强风化花岗岩的厚度在5～7.8 m，部分花岗岩结构已经出现了损坏现象，经过检测发现围岩级别属于Ⅴ级。中风化花岗岩覆盖厚度在9.8～12 m范围内，属于比较容易破碎的软岩，检测发现花岗岩级别属于Ⅲ级。

3.2 工程影响区域划分

在计算建筑物载荷时按照层数进行计算，其中地下每层根据40 kPa计算，地上每层根据15 kPa计算。根据以上计算方法，可以计算得到两个建筑的载荷分别为305 kPa和535 kPa。假设隧道正好从两个建筑中间穿过，根据上节计算结果可以知道，两栋建筑物的强弱影响区域分界值以及弱无影响区域分界值分别是6 m和18 m。根据两栋建筑基底与隧道顶板之间的距离H可以得出结论：建筑A处在弱影响区域，建筑B处在强影响区域。

3.3 工程影响区域划分结果的实践验证

本文所述的地铁隧道工程项目已经完成施工并交付使用。在隧道施工过程中，为了确保施工安全，对隧道围岩以及附近建筑物的沉降情况进行了系统、全面的监测。根据当前阶段执行的规范标准以及工程项目设计要求，在隧道开挖过程中，如果能够将隧道沉降量控制在16 mm以内，并且变形速率控制在每天2 mm，就认为是满足要求的。经过系统全方位的监测，发现隧道开挖过程中建筑A的最大沉降量大约为5 mm，最快的沉降速度为每天1.35 mm，完全能够满足相关规范标准以及设计要求。建筑A属于弱影响区域，所以在施工过程中没有采取任何措施，施工过程没有对建筑A产生较大的影响。对于建筑B，经过本文的计算分析可知，属于强影响区域范围，经过监测发现建筑B的基础最大沉降量达到了20 mm，已经超过了规范标准要求。为了对建筑B的变形进行控制，在隧道开挖过程中，在建筑周边以及隧道拱顶等区域进行了注浆处理，以达到加固的目的。通过辅助施工措施有效避免了建筑B的继续沉降，确保了安全。