城市復(fù)雜近接隧道地區(qū)新建構(gòu)筑物安全影響分析

楊進京，郭永發(fā)

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責任公司，昆明 650200）

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，在充分利用地上、地下資源的同時，各種建設(shè)工程也在互相交疊、融合，如地鐵、隧道、地下商場、地下停車場、高層建筑基礎(chǔ)工程等。為保證各工程結(jié)構(gòu)之間的安全，需要結(jié)合實際工況對建構(gòu)筑物進行充分的論證和風險評估【1】。本文利用有限元方法分析了某市公園立體停車庫的開挖及修建對地鐵3 號線隧道及樞紐客（貨）線隧道的影響，從而評價立體停車庫對既有工程和周邊環(huán)境的影響程度及潛在風險。

2 工程概況

擬建立體停車庫為地下1 層，地上3 層建筑，總建筑面積18 721.83m2。其中，地下層層高4.8m，地上1、2 層層高3.3m，地上3 層層高4.2m，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該建筑物依場地地勢而建，頂部與西南側(cè)公路齊平，地下層底層與東北側(cè)公路齊平，其西南側(cè)與東北側(cè)挖方段建永久邊坡及支擋結(jié)構(gòu)。立體停車庫位于地鐵3 號線隧道南側(cè)，同時位于樞紐鐵路貨線隧道、客線隧道及平導(dǎo)上方。立體停車庫與既有地鐵、樞紐隧道平面關(guān)系如圖1 所示。

3 計算模型及參數(shù)

3.1 計算模型

本文研究對象為立體停車庫、北側(cè)緊鄰?fù)＼噹斓牡罔F3號線隧道、下穿停車庫的樞紐客（貨）線鐵路隧道及既有鐵路平導(dǎo)。由于研究基坑邊線與隧道線路方向基本平行，故采用二維平面有限元模型進行分析【2】。根據(jù)最不利條件擬定模擬施工工序如下：開挖前初始地應(yīng)力狀態(tài)分析→車庫開挖卸荷→車庫建成加載。

圖1 立體停車庫與周邊工程關(guān)系平面圖

計算模型中土體采用摩爾-庫倫準則【3】，用平面應(yīng)變單元進行模擬；土釘墻面層、加固樁、筏板基礎(chǔ)、擋土墻及隧道襯砌采用梁單元進行模擬【4】；土釘墻錨桿采用桁架/植入式桁架單元模擬。模型兩豎邊進行X 向約束，水平邊進行X 向及Y 向約束。

3.2 計算參數(shù)

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

立體停車庫底板荷載：80kN/m2。

立體停車庫土釘墻：C30 混凝土，高12.6m，厚0.3m，胸坡1∶0.2，彈性模量 31GPa。

立體停車庫土釘：φ25mm HRB400 螺紋鋼筋，長6~8m，彈性模量200GPa。

立體停車庫加固樁：C30 鋼筋混凝土，彈性模量31GPa。隧道襯砌混凝土：C35 鋼筋混凝土，厚0.55m，彈性模量31.5GPa。

3.2.2 巖土參數(shù)

巖土物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖土物理力學參數(shù)

4 計算結(jié)果及分析

4.1 立體停車庫開挖對地鐵3 號線隧道的影響分析

分別對立體停車庫開挖前、開挖后及加載后3 種工況進行模擬，并提取地鐵3 號線隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和最終位移進行分析如下。

4.1.1 位移分析

由圖2 可知，立體停車庫開挖后隧道產(chǎn)生微小的位移，其中拱頂產(chǎn)生水平位移1.27mm；墻腳水平位移1.25mm?？梢娏Ⅲw停車庫開挖后隧道變形微小，說明立體停車庫開挖對隧道影響較小。

圖2 立體停車庫引起地鐵3 號線產(chǎn)生水平位移云圖

4.1.2 受力分析

襯砌結(jié)構(gòu)受力薄弱環(huán)節(jié)主要為拱頂及墻腳部位，提取拱頂及墻腳部位內(nèi)力結(jié)果如表2 所示。

表2 地鐵3 號線隧道襯砌關(guān)鍵點內(nèi)力結(jié)果

由于開挖卸荷，所以開挖后軸力值減小，同時，開挖應(yīng)力釋放引起隧道左側(cè)圍巖偏壓略微增大，因此，左側(cè)墻腳部位彎矩值有所增大；加載后在荷載作用下襯砌的軸力和彎矩均有所增大。最終拱頂部位襯砌軸力較初始狀態(tài)減小12.4%，墻腳部位減小5.2%；拱頂部位彎矩較初始狀態(tài)增大7.1%，墻腳部位增大8.0%。

根據(jù)開挖和加載后的內(nèi)力結(jié)果對襯砌進行配筋驗算，結(jié)果表明，按照原襯砌設(shè)計強度及配筋能夠滿足襯砌的安全穩(wěn)定性要求。

4.2 立體停車庫開挖對樞紐客（貨）線隧道及平導(dǎo)的影響分析

分別對立體停車庫開挖前、開挖后及加載后3 種工況進行模擬，并提取樞紐客（貨）線隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和最終位移進行分析如下。

4.2.1 位移分析

由圖3 可知，立體停車庫開挖后隧道及平導(dǎo)產(chǎn)生位移較小，其中，貨線拱頂產(chǎn)生豎向位移3.44mm，邊墻產(chǎn)生豎向位移2.01mm；客線拱頂產(chǎn)生豎向位移3.33mm，邊墻產(chǎn)生豎向位移2.09mm；平導(dǎo)拱頂產(chǎn)生豎向位移3.56mm?？梢娏Ⅲw停車庫開挖對隧道及平導(dǎo)影響較小。

圖3 立體停車庫引起地鐵3 號線產(chǎn)生豎向位移云圖

4.2.2 受力分析

1）隧道正洞受力分析

結(jié)合隧道襯砌內(nèi)力圖分析，襯砌結(jié)構(gòu)受力薄弱環(huán)節(jié)主要為拱頂及墻腳部位，提取拱頂及墻腳部位內(nèi)力結(jié)果如表3 所示。

表3 樞紐客（貨）線隧道襯砌關(guān)鍵點內(nèi)力結(jié)果

由于客（貨）2 座隧道均位于停車庫正下方,開挖卸荷引起隧道內(nèi)力減小明顯；停車場修建后，在加載的作用下襯砌的軸力和彎矩增大，但未超過開挖前初始應(yīng)力狀態(tài)。貨線拱頂部位襯砌軸力較初始狀態(tài)減小20.3%，墻腳部位減小25.0%；貨線拱頂部位彎矩較初始狀態(tài)減小53.6%，邊墻部位減小22.8%。客線拱頂部位襯砌軸力較初始狀態(tài)減小21.3%，墻腳部位減小14.0%；客線拱頂部位彎矩較初始狀態(tài)減小44.2%，邊墻部位減小8.5%。

根據(jù)開挖和加載后的襯砌內(nèi)力結(jié)果對襯砌進行配筋驗算，結(jié)果表明，按照原襯砌設(shè)計強度及配筋能夠滿足襯砌的安全穩(wěn)定性要求。

2）平導(dǎo)受力分析

平導(dǎo)斷面尺寸約為3.2m（寬）×3.5m（高），在停車場開挖前，其埋深為14~33m，停車場開挖后其埋深為12~13m。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》【5】計算，其在開挖前和開挖后均屬深埋，覆土厚度能夠起到成拱效應(yīng)，停車場開挖并未改變其基本受力狀態(tài)，因此，理論上停車場開挖和建設(shè)不會對其造成破壞。

5 結(jié)語

通過公園立體停車庫開挖及修建對地鐵3 號線隧道及樞紐客（貨）線隧道影響的數(shù)值模擬分析，得出以下幾點結(jié)論：

1）立體停車場開挖及建設(shè)后，地鐵3 號線隧道總體表現(xiàn)出開挖卸荷和圍巖左側(cè)偏壓略微增大的趨勢，樞紐客（貨）線隧道在開挖后襯砌內(nèi)力減小，加載后襯砌內(nèi)力又有所回升，但未達到開挖前的初始應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)計算襯砌結(jié)構(gòu)均能夠滿足設(shè)計強度要求。

2）停車場開挖未改變平導(dǎo)的受力形式，按照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的坍落拱高度分析，停車場開挖后平導(dǎo)仍屬深埋，因此，理論上停車場開挖和建設(shè)不會對其造成破壞。