盾构隧道穿越既有建筑物影响分析

2021-04-01杨小兵

工程建设与设计 2021年4期

杨小兵

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043）

1 工程概述

兰州地铁2 号线邮电大楼—火车站区间长762.017m，下穿盛世芙蓉项目，平面关系图如图1 所示。盛世芙蓉项以住宅及办公为主，住宅区为31 层高层建筑，办公区（裙楼）为地上6层地下2 层建筑。住宅区基础形式采用桩筏基础，筏板厚3.6m，桩基长20～25m；办公区采用筏板基础，厚1.2m，筏板基础底距隧道顶面6.6m。区间隧道拱顶埋深14～24m。

图1 区间隧道与盛世芙蓉平面关系图

因盛世芙蓉项目先于地铁项目建设，前期与开发商技术交流，在保证2 号线技术条件及可实施性的基础上，对项目提出了轨道交通保护要求：（1）盛世芙蓉项目结构设计过程中，应遵循与轨道交通结构分离的原则，结构底板底面距轨道交通区间隧道顶面宜≥6m；主楼和裙楼遵循结构分离原则；（2）为确保后期实施过程中二者的结构安全，盛世芙蓉项目高层建筑荷载不能直接传递到地铁隧道结构上，高层建筑采用桩筏基础，桩基结构距地铁隧道结构最小净距≥2.0m，桩底标高位于地铁隧道结构底面下≥5m。

由于建筑物高层基础采用桩筏基础，荷载不直接传递到盾构隧道上，故本文重点分析盾构隧道施工与裙楼的相互影响。

2 工程地质

本段地层主要为人工填土、黄土状土、卵石及砂岩。地下水为第四系松散层孔隙潜水，地下水潜水位埋深2.6～4.5m，水位高程1 509.85～1 511.70m。含水层主要为卵石层，潜水含水层厚度约为15m，卵石下的砂岩为相对隔水层，砂岩顶部可能存在局部裂隙水。

3 风险分析及工程控制标准

风险分析：（1）盾构下穿裙楼施工，导致其基底地层沉降变形，影响上部结构安全；（2）裙楼上部荷载对管片结构受力的影响。

控制指标：（1）周边环境变形控制依据GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》与GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》等确定，其变形控制标准为：基础整体倾斜≤0.002；（2）依据相关规范要求，地表变沉降控制标准值的范围为+10～-30mm。

4 基本假定及计算模型

4.1 基本假定

考虑到区间隧道施工对周围地层的扰动效应，对于盾构法隧道，掘削面对地层的扰动引起的地层应力释放系数为10%，管片施作后，地层应力释放系数为90%。为了简化建模过程与计算，将裙楼按照梁柱结构建立，荷载施加于框架梁上并按照20kPa/层进行计算，计算中考虑地面超载作用，按20kPa 考虑。

地层、隧道采用实体单元，建筑物地下室连续墙采用板单元，梁柱采用梁单元，隧道管片采用板单元，筏板基础采用实体单元模拟[1,2]，管片宽度为1.2m。隧道开挖前，裙楼已经施工完成，因此，在盾构开挖前将地层位移清零，保留相应的地层应力。

4.2 计算模型

计算采用MIDAS/GTS 软件，模型尺寸：150m（长）×100m（宽）×50m（高），计算模型的建立严格按照实际尺寸进行，采用位移边界条件，模型以实体单元为主[3]。

5 计算结果分析

5.1 竖向位移等值线图分析

随盾构掘进完成，隧道及裙楼的竖向位移等值线图如图2和图3 所示。

图2 盾构完成隧道竖向位移数值图

由图2 和图3 可知，盾构掘进完成时，上部裙楼最大沉降为-5.03mm，上部裙楼最小沉降为-0.1mm，最大局部倾斜为0.000 1，满足沉降控制要求。

图3 盾构完成裙楼竖向位移数值图

5.2 水平位移等值线图分析

随盾构掘进完成后，隧道及裙楼的水平位移等值线图如图4 和图5 所示。

图4 盾构掘进完成隧道水平位移等值线图

图5 盾构掘进完成裙楼水平位移等值线图

由图4 和图5 可知，盾构下穿裙楼施工后，上部裙楼最大向水平位移（垂直于隧道方向）为3.81mm，上部裙楼最大向水平位移（平行于隧道方向）为2.06mm，均满足要求。从地层位移趋势上看，区间隧道下穿盛世芙蓉裙楼施工，不会对裙楼造成明显的负面影响。

5.3 隧道管片内力分析

由模拟计算可知，盾构下穿裙楼施工，裙楼荷载传递至管片，管片的最大正弯矩为213.3kN·m，对应轴力为666.7kN；管片的最大负弯矩为210.2kN·m，对应轴力为1 052.8kN。通过内力分析，管片截面配筋为：内、外侧φ20mm@167mm（1 885mm2），安全系数最小1.63，裂缝宽度验算满足要求，管片结构安全。