軌道交通隧道上方房屋改建對軌道交通運營安全的影響分析

胡煥馳

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引 言

進入21世紀以來，我國的軌道交通事業(yè)得到了巨大發(fā)展，越來越多的城市將軌道交通建設(shè)放在了城市基礎(chǔ)建設(shè)的收尾。民間常說:“地鐵一響,黃金萬兩。”地鐵作為城市的主動脈，具有綠色環(huán)保、低碳出行、準時便捷、運量巨大的特點，深受廣大城市居民的喜愛。隨著地下空間的逐步開發(fā)，地面建筑的建設(shè)對地下軌道交通的影響也越來越大。一般來說，新建工程均需避讓城市軌道交通本體一定保護范圍，但當(dāng)周邊無建設(shè)條件時，也會出現(xiàn)位于軌道正上方的工程建設(shè)。新工程建設(shè)期間，周邊土地的擾動勢必會對已運營的地鐵線路產(chǎn)生影響，做好提前分析及措施，對于城市軌道交通設(shè)施的保護將會有重要意義。

1 蘇州某體檢中心樓工程概述及其與軌道交通結(jié)構(gòu)關(guān)系

1.1 軌道交通工程概述

蘇州軌道交通2號線某區(qū)間下穿原體檢中心房屋，位于房屋基礎(chǔ)正下方?，F(xiàn)需先行拆除原有建筑物，在原址同規(guī)模復(fù)建體檢中心樓。復(fù)建體檢中心和門診樓位于已運營區(qū)間左線隧道上方，距離右線隧道分別為6.45 m和11.46 m，此處隧道上覆土為9.27 m。復(fù)建體檢中心樓距離已運營2號線車站為24.22 m。

1.2 體檢中心樓工程概述

體檢中心工程原址現(xiàn)有急診部及門診部，上部結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，急診部為4層，門診部為2層，原有建筑基礎(chǔ)形式為筏式基礎(chǔ)，埋深約0.8 m(局部2.9 m)，平面位置與復(fù)建項目相同。施工本項目前，需拆除原有舊建筑及基礎(chǔ)，于原址復(fù)建本項目。擬建建筑上部1～4層，體檢中心樓(原急診樓)為地上4層，門診部為地上2層，均采用筏板基礎(chǔ)。本工程總用地面積約3 083.92 m2。

體檢中心樓改建項目具體施工步驟如下：

第一步：拆除原有急診部及門診部。

第二步：采用壓密注漿方法對填土進行改良，施作筏板基礎(chǔ)。

第三步：待基礎(chǔ)達到設(shè)計強度后，施作地面上部結(jié)構(gòu)。

1.3 工程地質(zhì)條件

場地位于姑蘇區(qū)，屬于沖湖積平原，域內(nèi)沒有高低凹凸，水系完善，具有明顯的水網(wǎng)化平原特征。蘇州市在江南水網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，被歸為長江太湖水系，區(qū)域中的地表水系發(fā)展良好，包括了太湖、陽澄湖群和各種規(guī)模的河渠。由蘇州市楓橋水文站的巡視記錄可知，以往的洪水最高位在2.59 m(1985國家高程標(biāo)準)，最小的水位在0.01 m。地下潛水不會腐蝕混凝土，也不會腐蝕長時間浸入水中的鋼筋混凝土里的鋼筋，但對于鋼結(jié)構(gòu)及干濕輪換前提下會存在較低的腐蝕性。

2 研究問題及方法

2.1 研究問題

本文研究范圍為體檢中心樓改建項目建筑物拆除卸載及復(fù)建施工加載對蘇州軌道交通2號線既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響。

主要是對以下幾個問題進行分析：

(1) 建筑物拆除卸荷階段對區(qū)間隧道的影響；

(2) 原有建筑物基礎(chǔ)拆除對區(qū)間隧道的影響；

(3) 上部結(jié)構(gòu)復(fù)建加載階段對區(qū)間隧道的影響；

(4) 隧道管片受力分析。

2.2 研究方法

采用有限元仿真模擬整個施工過程，基于分析結(jié)果，整體關(guān)注不同施工環(huán)節(jié)中區(qū)間隧道構(gòu)架存在的變形、應(yīng)力及沉降問題，從而給出有針對性的保護及施工辦法。

蘇州市軌道交通保護標(biāo)準如下：

(1) 項目施工引起的軌道交通結(jié)構(gòu)(設(shè)施)絕對沉降量及水平位移量≤10 mm(指包括各種加載和卸載的最終位移量)。

(2) 項目施工引起的隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m，相對彎曲≤1/2 500。

(3) 對高層、超高層建筑，應(yīng)嚴格控制工后沉降對軌道交通帶來的附加影響，須對樁基承載力進行必要的控制。

3 模擬計算

3.1 模型建立

由于重新進行項目施工存在一定的復(fù)雜性，選擇用以專門分析巖土隧道結(jié)構(gòu)的有限元軟件MIDAS GTS NX來構(gòu)建原結(jié)構(gòu)清拆，和對三維動態(tài)系統(tǒng)的重新構(gòu)建。

(1) 此次構(gòu)建模型時，主要選擇實體單元來進行，以詳勘報表來確立物理力學(xué)標(biāo)準，同時選擇MIDAS GTS NX給出的優(yōu)化摩爾-庫侖模型，對實際施工過程進行模仿。MIDAS GTS NX給出的優(yōu)化摩爾-庫侖模型對巖土行為的模擬進行了改善。其利用3個有差異的輸入剛度來體現(xiàn)各階段的土體剛度。此三階段的剛度顯示了三軸試驗時在最高強度的一半位置的割線彈性模量E50，壓密試驗中獲取的標(biāo)準壓下的彈性模量Eoed，刪除或重新加載中的彈性模量Eur。模擬數(shù)值時基本采用Eoed=E50與Eur=3E50。所以，模型標(biāo)準方面僅用給出三軸加載剛度E50、摩擦角φ和剪脹角ψ的采用數(shù)值。優(yōu)化摩爾-庫倫模型能體現(xiàn)出模量取決于應(yīng)力的狀況。圍壓與提升會讓土體剛度隨之提升，此狀況與具體情況相符?？梢?，模擬選取的剛度數(shù)值和參考應(yīng)力之間存在關(guān)聯(lián)，而此參考應(yīng)力等同于土體所受圍壓，模擬時大多采用100 kPa的數(shù)值。

(2) 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用350 mm厚板單元。

(3) 建模時，結(jié)構(gòu)單元的幾何模型數(shù)據(jù)都借鑒了體檢中心改建工程平剖面圖。三維建模原型中，x方向土體邊界控制：體檢中心樓基礎(chǔ)外邊緣距離土體邊界60 m；y方向土體邊界控制：隧道外邊緣距離土體邊界不小于45 m，體檢中心樓基礎(chǔ)外邊緣距離土體邊界不小于60 m；z方向土體邊界控制：基坑底部距離土體下邊界32 m。模型尺寸196 m×174 m×50 m。

(5) 土體邊界(四周和底部)采取法向約束。

(6) 道路車輛超載取20 kPa，嚴格按基坑周圍道路實際尺寸施加。

(7) 體檢中心樓荷載按照體檢中心樓地基壓力荷載分布施加。

3.2 施工模擬階段

施工階段1：拆除原有醫(yī)院急診樓、門診樓上部結(jié)構(gòu)。

施工階段2：拆除原有醫(yī)院急診樓、門診樓基礎(chǔ)，開挖2 m深土方。

施工階段3：澆筑體檢中心樓筏板基礎(chǔ)，施加復(fù)建體檢中心樓上部荷載。

通過模擬計算可知，原建筑物拆除時，土體最大隆起為3.7 mm，開挖2 m拆除原基礎(chǔ)時土體隆起增加，累計隆起為6.6 mm，上部建筑物復(fù)建后土體稍微下沉，復(fù)建完成后最終隆起為2.7 mm，如圖1所示。

圖1 模型豎向位移云圖

通過模擬計算可知，原建筑物拆除對基礎(chǔ)底以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，引起坑底土體發(fā)生變位，帶動土體中的隧道產(chǎn)生位移。

體檢中心樓拆除時左線隧道最大隆起為1.7 mm，右線隧道最大隆起為0.9 mm；拆除筏式基礎(chǔ)，開挖2 m土方時，左線隧道最大隆起為3.4 mm，右線隧道最大隆起為1.3 mm；復(fù)建加載后左線與右線均有下沉，左線隧道最終隆起為1.4 mm，右線隧道最終隆起為0.5 mm，如圖2、圖3所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，體檢中心樓拆除復(fù)建過程中，體檢中心樓正下方左線隧道隆起量最大，對右線影響較小。

圖2 地鐵區(qū)間隧道豎向位移云圖

圖3 地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)管片受力分析

根據(jù)模擬計算產(chǎn)生的彎矩及軸力計算，通過對既有隧道的配筋分析、裂縫計算，房屋拆除、復(fù)建過程中對地鐵隧道影響有限，隧道配筋滿足要求，原車站結(jié)構(gòu)截面及配筋仍能滿足承載力及最大裂縫要求。

4 結(jié)果分析

基于以上數(shù)值模擬分析，初步可得出以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)計算結(jié)果，原建筑物拆除時，土體最大隆起為3.7 mm，開挖2 m拆除原基礎(chǔ)時土體隆起增加，累計隆起為6.6 mm，上部建筑物復(fù)建后土體稍微下沉，復(fù)建完成后最終隆起為2.7 mm。

(2) 原建筑物拆除時左線隧道最大隆起為1.7 mm，右線隧道最大隆起為0.9 mm；拆除筏式基礎(chǔ)，開挖2 m土方時，左線隧道最大隆起為3.4 mm，右線隧道最大隆起為1.3 mm；復(fù)建加載后左線與右線均有下沉，左線隧道最終隆起為1.4 mm，右線隧道最終隆起為0.5 mm，均滿足10 mm控制值的要求。

(3) 根據(jù)左線隧道變形圖可知距離復(fù)建體檢中心樓越遠，隧道隆起量越小，且衰減迅速。車站與區(qū)間接口位置幾乎沒有變形。

(4) 通過對拆除、復(fù)建過程中區(qū)間內(nèi)力進行分析，發(fā)現(xiàn)體檢中心復(fù)建對地鐵隧道影響有限，隧道配筋滿足要求。

5 措 施

數(shù)值理論計算均是建立在一定的假設(shè)之上，而實際施工條件是隨時變化的，同時地鐵軌道結(jié)構(gòu)對變位十分敏感，對復(fù)建施工提出了十分苛刻的要求。

結(jié)合理論分析，聯(lián)系施工實際，提出如下措施：

5.1 設(shè)計方面

(1) 優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形成，減小二次加載對隧道的影響。復(fù)建4層體檢中心樓做鉆孔樁基礎(chǔ)，避免加載二次擾動。

(2) 避免2層門診樓與4層急診樓同時拆除和復(fù)建，先拆除并復(fù)建4層體檢中心樓，完成后再進行2層門診樓的拆除復(fù)建工程，減小大面積卸載與加載對區(qū)間隧道產(chǎn)生的影響。

(3) 基底壓密注漿應(yīng)在挖除舊基礎(chǔ)前，在地面施工，明確注漿深度要求，且地基靜載試驗需避開隧道正上方。

(4) 明確原建筑物拆除及復(fù)建工序，細化拆除長度及時間要求，10 m左右為一段拆除長度，明確具體堆載反壓措施。

(5) 明確原建筑物拆除方式，避免采用爆破拆除等對隧道影響較大的拆除方式。

(6) 施作筏板基礎(chǔ)，明確限制基礎(chǔ)基坑暴露時間及施工完成時間，并采用早強混凝土。

(7) 調(diào)查周邊管線情況，設(shè)計中建議與產(chǎn)權(quán)部門溝通制定管線變形保護要求，設(shè)計文件中應(yīng)明確管線保護及應(yīng)急措施，確保體檢中心樓復(fù)建過程中鄰近管線的安全。

5.2 施工方面

(1) 對原有建筑物拆除時，分段拆除，并分段澆筑筏板基礎(chǔ)，避免大面積卸載對隧道上浮的影響。

(2) 原有建筑物拆除時，避免采用震動較大的爆破拆除，在周邊地面鋪設(shè)減震材料，減少沖擊振動對地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。拆除后的混凝土廢棄物等盡量遠離隧道堆砌，避免隧道上方荷載過大引發(fā)隧道變形。

(3) 基礎(chǔ)施工禁止大量抽取地下水，避免地下水位下降引起隧道沉降。

(4) 對原有建筑拆除后，及時澆筑筏板基礎(chǔ)，且在達到一定強度的結(jié)構(gòu)上方及時堆載，按照堆載與卸載相同的原則，減少土體的卸荷效應(yīng)引起隧道上浮。堆載材料可采用袋裝鋼砂等。

(5) 所有結(jié)構(gòu)清拆之后要在限定時間內(nèi)實現(xiàn)對筏板基礎(chǔ)的澆筑，在首晚地鐵停運到次日凌晨地鐵開始運行前做完。

(6) 施工時要隨時追蹤和檢測土體的位移、應(yīng)力、水壓力及沉降等，通過合理安排施工進度，做好卸載與配重的控制、預(yù)先放置模板、澆筑早強混凝土，并盡快完成回壓工作。

(7) 復(fù)建體檢中心樓時，基礎(chǔ)土處理時盡量避免采用強夯法，以減少因強夯震動引起隧道變形。

5.3 監(jiān)測方面

(1)本項目由于涉及對已運營地鐵的保護，監(jiān)測方案須報軌道公司審批，并建立與軌道公司監(jiān)測數(shù)據(jù)共享機制，確保軌道公司及時了解隧道結(jié)構(gòu)變形情況。

(2)應(yīng)對軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計專項監(jiān)測方案，細化并明確各工況分步變形控制指標(biāo)。

(3)對建筑物整體施工和竣工后沉降做永久性觀測，進行后評估分析，確保隧道后期運營安全。

(4)工程施工工程中，應(yīng)構(gòu)建周密的原區(qū)間隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)受力、變形及沉降監(jiān)測機制，充分檢測施工的全部，及時反映數(shù)據(jù)，引導(dǎo)施工的順利進行。

(5)原地鐵結(jié)構(gòu)沉降的速度值高于標(biāo)準時，要及時實施搶險預(yù)案，并立即對隧道的滲漏處進行注漿。

6 結(jié)束語

本文以蘇州某體檢中心樓項目改建為工程背景，通過理論分析和數(shù)值分析等方法，對城市軌道交通隧道正上方既有建筑物進行改建施工時軌道交通結(jié)構(gòu)的變形和受力情況進行分析，可以認為，在距離軌道交通很近的房屋改造及新建工程，通過合理的設(shè)計、精心的施工，對施工風(fēng)險進行分析和評價，采用合理有效的保護措施，可以保證軌道交通的正常使用。