地铁隧道与邻近建筑物施工相互影响的数值分析

龙 彪

(南昌市政公用城轨咨询管理有限公司,330038,南昌//高级工程师)

南昌县某办公楼改扩建工程位于南昌县莲塘大道和银良北路交口西南侧，为地面7层、地下1层的框架结构，采用桩基础；该建筑物对差异沉降敏感，相邻桩基的允许沉降差为建筑物长度的2‰，整体倾斜允许值为3 mm。场区地面整平标高约为24.50 m。

南昌地铁3号线延伸线区间隧道采用盾构法施工[1]，其外径为6 m、内径为5.4 m；隧道外侧距离南昌县该办公楼桩基础约2 m。两者位置关系如图1所示。

图1 南昌地铁3号线延伸线与某办公楼改扩建工程横剖面示意图

根据两项目实施顺序，待南昌县该办公楼改扩建工程完成后，地铁3号线结合后续建设规划，再进行延伸线施工。因此，南昌县该办公楼设计方案，必须考虑今后地铁3号线盾构隧道施工对其产生的影响。

场地地层属第四系全新统人工堆积层(Q4ml)和冲积层(Q4al)，下伏基岩为第三系新余群(Exn)地层。按地层时代、地质成因类型及工程地质性质分为8个工程地质层，各地层岩土主要参数详见表1。

场地内地下水主要为第四系人工填土中的上层滞水及第四系砂土层中孔隙潜水。

表1 岩土层主要参数

上层滞水：主要赋存于浅部人工填土层中，水量较贫乏，主要受大气降水补给，蒸发为主要排泄方式。

孔隙潜水：主要赋存于全新统冲积(Q4al)砂土层中，勘察期间测得场区稳定水位埋深为2.80～6.35 m，稳定水位高程为20.16～20.64 m。场地内地下水主要受赣江水体控制，地下水主要接受赣江地表水体的补给，受人为开采影响小。平水季节及枯水季节，地下水向赣江排泄；汛期赣江水位上涨，江水返补给地下水。常水位年变幅为1.0～3.0 m。

采用Plaxis软件进行数值分析[2]，模拟中由于Plaxis软件较难真实模拟该办公楼，因此采用回填覆土压重的方式模拟该楼的楼面荷载(包括恒载与活载)。荷载计算方法如下：框架结构为11～14 kN/m2，框架-剪力墙结构为12～15 kN/m2，剪力墙结构为14～17 kN/m2；框架-核心筒结构为13～15 kN/m2。当建筑物较高时(大于20层)可取上限，较低时可取下限，地下室每层可按20 kN/m2估算。按最不利情形，建筑物的荷载W=125 kN/m2(7层楼和1层地下室)，回填覆土为114.075 kN/m2，因此需在桩基础上增加11 kN/m2的分布荷载。

为分析不同桩长时地铁盾构推进对该办公楼建筑的影响，采用三维有限元分析两种不同的工况。

工况一：该办公楼桩底按正常设计，桩底位于粗砂层，且桩底标高位于隧道顶,如图1所示。

工况二：将办公楼靠近地铁侧桩底深入中风化泥质粉砂层，且桩底标高低于隧道底,如图2所示。

图2 工况二下区间隧道与建筑物桩基横剖面示意图

3.3.1 工况一计算结果

当隧道开挖完成后，土体附加水平位移为13 mm左右，出现在隧道左斜上方位置，桩基与隧道之间的附加水平位移约6 mm,如图3所示。

图3 工况一下区间隧道施工完后土体水平位移

当隧道开挖完成后，土体附加竖向沉降位移增量为18 mm，出现在隧道上方位置，桩基与隧道之间的附加竖向位移约10 mm,如图4所示。

从图5中可以看到，基础梁在地铁隧道开挖完成后，最大竖向位移为9.6 mm。最大变形的桩基在地铁隧道开挖完成后，最大竖向位移为9.5 mm。考虑已建办公楼荷载影响，地铁3号线盾构隧道完成后，工况一状况下隧道结构内力如图6～8所示。

图4 工况一下区间隧道施工完后土体竖向位移

图5 工况一下区间隧道施工完成后基础梁竖向位移

图6 工况一下隧道轴力

图7 工况一下隧道剪力

图8 工况一下隧道弯矩

3.3.2 工况二计算结果

当隧道开挖完成后，土体附加水平位移为11 mm左右，出现在隧道右斜上方位置，桩基与隧道之间的附加水平位移约4 mm,如图9所示。

当隧道开挖完成后，土体附加竖向沉降位移增量在14 mm，出现在隧道上方位置，桩基与隧道之间的附加竖向位移约6 mm,如图10所示。

从图11中可以看到，基础梁在地铁开挖完成后，最大竖向位移为1.8 mm。

从图12中可以看到，桩基在地铁隧道开挖完成后，最大竖向位移为1.7 mm。

图9 工况二下区间隧道施工完后土体水平位移

图10 工况二下区间隧道施工完后土体竖向位移

图11 工况二下基础梁竖向位移

图12 工况二下桩基最大竖向位移

考虑已建办公楼荷载影响，地铁3号线盾构隧道完成后，工况二状况下隧道结构内力如图13～15所示。

图13 工况二下隧道轴力

从图14中可以看到，隧道在开挖完成后，承受最大轴力-3 050 kN，最大剪力315.6 kN，最大弯矩37.5 kN·m。

图14 工况二下隧道剪力

图15 工况二下隧道弯矩

通过增加靠近区间隧道的建筑物桩长，在隧道开挖完后，土体的最大附加竖向位移明显减小，同时建筑物基础位移受隧道开挖影响也减少。先行建设的建筑物基础梁最大竖向位移由9.5 mm变为1.8 mm，桩基最大竖向位移由9.5 mm变为1.8 mm。这是由于增加靠近区间隧道侧的桩长，使建筑物上部荷载直接通过桩基转递至中风化岩石，建筑物不会有超载作用于区间隧道上，故区间隧道的受力大幅度减少。

通过比较计算分析可知，加长靠近地铁线路建筑物桩基后再施工地铁线路这一方案能够获得更小的地层位移、隧道内力、基础梁位移和桩基位移。

考虑后期地铁建设，对先期建设的建筑物基础深度进行适当优化，是十分必要的。

城市轨道交通研究2019年8期