浙商朝天門中心項目對未來兩江隧道建設(shè)的影響分析

劉鶴冰, 郭艷華

(1. 中鐵建昆侖投資集團有限公司， 四川成都 610041； 2. 廈門市市政工程設(shè)計院有限公司重慶分院，重慶 400015)

[定稿日期]2017-09-29

重慶朝天門兩江隧道為規(guī)劃中的連接中央商務(wù)區(qū)解放碑、江北城和彈子石的快捷交通干線。浙商朝天門中心項目位于渝中區(qū)半島朝天門節(jié)約街片區(qū)渝中組團F20-2/02地塊，建筑紅線與兩江隧道部分重疊。為避免該項目的建設(shè)影響未來的兩江通道建設(shè)，因此有必要對其可實施性進行分析論證。

1 工程概述

朝天門兩江隧道采用城市干道I級標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計車速50km/h，雙洞雙向四車道。兩江隧道由嘉陵江隧道、長江隧道和望龍門隧道按“Y”字型布置組成。雙洞長度4 576m。浙商朝天門中心項目位于解放碑商圈與朝天門碼頭之間朝天門中心項目地塊，用地成凹字形，東西長約123m，南北長約210m。項目與兩江隧道的平面布置如圖1所示。

圖1 浙商朝天門中心項目與兩江隧道平面關(guān)系

浙商朝天門中心項目分兩期實施，一期項目為近期開發(fā)項目，包含2號塔樓(高89.05m)，13層商業(yè)裙樓(高54.15m)，5層地下室，地下室底面高程195.0(基坑深42.0m)。2號塔樓與兩江隧道最近距離約45.2m，部分裙樓和地下室位于兩江隧道上方。二期項目為遠期開發(fā)項目，含1號塔樓，暫時不實施。1號、2號塔樓與隧道平面關(guān)系如圖2所示，剖面關(guān)系如圖3所示。

圖2 1號、2號塔樓與隧道平面關(guān)系

圖3 浙商朝天門中心項目與兩江隧道橫剖面

兩項目的建設(shè)時序為浙商朝天門中心項目先行建設(shè)。因此兩個工程之間存在相互干擾，浙商朝天門中心項目建成后會對兩江隧道上方的巖層應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，增加兩江隧道的施工難度。另一方面，兩江隧道后期施工開挖也可能會影響浙商朝天門中心項目基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此在浙商朝天門中心項目實施前，有必要對這兩個項目之間可能存在的風(fēng)險進行模擬、評估，以便于風(fēng)險控制。

2 理論計算分析

根據(jù)地勘報告，該地塊位于長江與嘉陵江交匯處的三角形地帶，地勢總的趨勢南邊及中間高，北側(cè)及東、西兩側(cè)低。經(jīng)后期人工改造，場地呈多級臺階狀。其主要巖土層有全新統(tǒng)人工雜填土(Q4ml)、沖洪積(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土和卵石土，侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)的泥巖、泥質(zhì)砂巖和砂巖組成，浙商朝天門中心項目基坑底的圍巖級別為Ⅳ級，規(guī)劃兩江隧道車行道寬度8.5m，擬定開挖隧道斷面寬度D=11.86m。按照TB10003-2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]中的內(nèi)容，可以計算兩江隧道的塌落拱高度，并通過塌落拱高度判斷兩江隧道在浙商朝天門中心項目影響下是深埋隧道還是淺埋隧道，計算過程如下。

寬度影響系數(shù)：

ω=1+i(B-5)=1+0.1×(11.86-5)=1.686

荷載等效高度(塌落拱高度)：

hq=0.45×2s-1ω=0.45×24-1×1.686=6.070 m

深淺埋分界高度：

Hp= (2.0～2.5)hq=(2.0～2.5)×6.07=

12.14～15.175 m

如果隧道深淺埋分界高度按最大計算值15.175m計算，可以得到如表1所示的深淺埋判定。

表1 浙商朝天門中心項目影響下兩江隧道深淺埋判定

按照表1的計算結(jié)果，在浙商朝天門中心項目影響下兩江隧道仍為深埋隧道。根據(jù)TB10003-2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，深埋隧道荷載只由巖土體塌落拱荷載引起，與塌落拱范圍外的建筑荷載無關(guān)。因此規(guī)劃兩江隧道施工引起的圍巖變形和巖體應(yīng)力釋放，只通過隧道塌落拱上方的圍巖承擔(dān)，不會傳遞給隧道上方的建筑結(jié)構(gòu)上。

3 數(shù)值模擬分析

根據(jù)相關(guān)資料，浙商朝天門中心項目一期包含2號塔樓(19F/-5F，89.05m高)，13層商業(yè)裙樓(高54.15m)，5層地下室，地下室底面高程195.0(基坑深42.0m)。兩江隧道為小凈距隧道，隧道開挖寬度11.86m，隧道中心線間距16.67m，兩江隧道洞頂與一期項目的建筑基坑底面最近距離約41.36m，與樁基礎(chǔ)底面最近距離約36.36m。

計算有限元程序進行數(shù)值模擬。根據(jù)影響范圍為開挖半徑5倍的原則[1]，區(qū)間隧道開挖和支護在采用“死”、“生”單元的方法實現(xiàn)[2]。

計算采用5個計算步模擬施工過程：

(1) 計算步1模擬初始地應(yīng)力場分布(圖4)；

圖4 計算步1初始地應(yīng)力場

(2) 計算步2至計算步3模擬浙商朝天門中心項目的基坑開挖和建筑修建(圖5、圖6)；

圖5 計算步2基坑開挖

圖6 計算步3 塔樓修建

(3) 計算步4至計算步5 模擬兩江隧道圍巖開挖和襯砌支護(圖7、圖8)。

圖7 計算步4 隧道左洞開挖

圖8 計算步4、計算步5 右洞開挖

在浙商朝天門中心項目一期建筑影響條件下，兩江隧道施工建成后的位移云圖和應(yīng)力云圖和等效應(yīng)變云圖分別見圖9～圖11所示。

圖9 最終位移云圖

圖10 最終應(yīng)力云圖(單位:kPa)

圖11 等效應(yīng)變云圖

從計算模型的位移、應(yīng)力分布云圖中可以看出，兩江隧道施工引起圍巖位移、應(yīng)力場的改變主要集中在新建隧道周圍，受上方建筑物的影響很小。圖11所示的等效應(yīng)變分布圖中，兩江隧道施工引起的圍巖應(yīng)變重分布至在隧道周圍一定范圍內(nèi)改變，隧道施工產(chǎn)生的應(yīng)變區(qū)與建筑物基礎(chǔ)有一段距離并未擴散到建筑物基礎(chǔ)部分。等效應(yīng)變云圖分布與隧道深淺埋分界區(qū)域形狀相吻合，這就從數(shù)值計算角度證明在浙商朝天門中心項目一期范圍內(nèi)的兩江隧道為深埋隧道，隧道施工不會對上方建筑物產(chǎn)生影響。

兩江隧道施工后，引起浙商朝天門中心項目的變形如下圖所示，其中因隧道施工引起2號塔樓頂側(cè)向位移為2.47mm，基礎(chǔ)底沉降為3.26mm。因基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的基礎(chǔ)傾斜率為2.91×10-5，小于DBJ50-047-2006《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的4×10-3限值，因此可以確保浙商朝天門中心2號塔樓的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

浙商朝天門中心項目因兩江隧道施工產(chǎn)生的變形和位移曲線如圖12～圖14所示。

圖12 2號塔樓基底位移曲線(單位：m)

圖13 2號塔樓側(cè)移曲線(單位:m)

圖14 朝天門中心項目建筑位移云圖(單位:m)

在浙商朝天門中心項目影響下，兩江隧道建成后的襯砌變形和內(nèi)力(圖15～圖17、表2)。

根據(jù)計算結(jié)果，隧道的受力和變形可滿足承載能力要求和正常使用要求。兩江隧道的襯砌變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力隧道左洞要大于隧道右洞。是因為模擬計算先開挖隧道左洞再開挖隧道右洞的結(jié)果。

圖15 隧道襯砌位移圖(單位：m)

圖16 襯砌彎矩(單位: kN·m)

圖17 襯砌軸力(單位: kN)

4 結(jié)論通過在浙商朝天門中心項目影響下對兩江隧道修建的有限元仿真計算可以得到如下結(jié)論：

(1)理論分析表明，浙商朝天門中心項目一期、二期建筑基礎(chǔ)與規(guī)劃兩江隧道洞頂間距大于隧道深淺埋分界線，兩江隧道為深埋隧道，浙商朝天門中心項目不會對兩江隧道今后的修建產(chǎn)生影響；

(2)平面有限元分析表明，兩江隧道施工引起浙商朝天門中心項目2號塔樓的基礎(chǔ)位移小于DBJ50-047-2006《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的基礎(chǔ)安全變形限值。因此今后兩江隧道施工不會影響上方浙商朝天門中心項目的安全；

(3)通過計算得到，在浙商朝天門中心項目影響范圍內(nèi)，在建筑自重荷載影響下影響下，兩江隧道的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力按照標(biāo)準(zhǔn)隧道設(shè)計就能滿足承載要求和正常使用要求，因此不需要對浙商朝天門中心項目影響范圍內(nèi)的兩江隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行加強設(shè)計。

[1] 關(guān)寶樹. 隧道力學(xué)概論[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社, 1993：49-54.

[2] 吳波, 高波. 城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J]. 中國公路學(xué)報,2005(3): 84-89.

[3] 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司.TB10003-2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社, 2016.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[5] 李強,王明年. 淺埋隧道近接施工地表沉降有限元分析[J]. 四川建筑， 2004,24(5): 98-101.

[6] 章立峰,劉建國. 地鐵區(qū)間隧道施工過程動態(tài)模擬分析[J]. 隧道建設(shè)， 2003,23(6): 3-5.