基于有限元法的地鐵隧道下穿房屋風(fēng)險分析

代 遠 （華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

地鐵是地下交通體系的重要組成部分，具有運量大，速度快，安全準時等優(yōu)點[1]，2010年以來，全國各地地鐵建設(shè)快速發(fā)展，為人民的日常出行帶來了極大的便利。城市中心城區(qū)開發(fā)建設(shè)程度高，但也為地鐵建設(shè)帶來了較大的困難，地鐵隧道下穿各種既有建筑不可避免，鄰近構(gòu)筑物條件下隧道施工受力特性較為復(fù)雜[2]，文章以廈門某地鐵隧道為例，模擬分析了地鐵隧道施工對既有建筑造成的影響。

1 工程概況

本區(qū)間隧道自甲車站起，線路沿市政路先以R=2500m半徑的右偏曲線，再以R=2500 m半徑的左偏曲線接入乙車站。市政路現(xiàn)狀為雙向六車道，交通量較大，地下管線密集，周邊以大型企業(yè)、工業(yè)廠房、居住小區(qū)為主?？刂埔蛩刂饕獮樽越穹浚?層磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)，區(qū)間隧道左線下穿民房，豎向距離約10米。隧道單洞斷面凈跨5200mm，斷面凈空5600mm，初支厚度300mm，二襯厚度300mm，預(yù)留變形量100mm。

1.1 工程地質(zhì)

本段地質(zhì)土層由上至下描述如下。

1-2 素填土（Q4ml）：以灰褐、黃褐色為主，可塑，主要成分為粉質(zhì)黏土，局部含少量碎、塊石，層厚0.6m～3.0m。

3-1 粉質(zhì)黏土（Q4al+pl）：以黃褐、棕褐色為主，可塑～堅硬，局部含角礫，韌性、干強度中等，層厚2.2m～10.5m。

11-1 殘積砂質(zhì)黏性土（Qel）：以灰白、褐黃色為主，可塑～堅硬，巖石結(jié)構(gòu)完全破壞，巖石基本風(fēng)化成土狀，含有少量石英顆粒，手搓易成粉狀，泡水易散，標準貫入擊數(shù)N<30擊，層厚2.9m～13.7m。

17-1全風(fēng)化花崗巖（γ）：以灰褐、灰白色為主，巖石結(jié)構(gòu)基本破壞，巖石基本風(fēng)化成堅硬土狀，含少量石英顆粒，手搓易成粉狀，泡水易散，標準貫入擊數(shù)30擊≤N<50擊，層厚0.9m～9.3m。

17-2散體狀強風(fēng)化花崗巖（γ）：以灰褐色為主，巖石結(jié)構(gòu)大部分破壞，巖石基本風(fēng)化成土狀，含有少量石英顆粒，手搓易成粉狀，泡水易散，標貫擊數(shù)N≥50擊，層厚2.2m～24.5m。

17-3碎裂狀強風(fēng)化花崗巖（γ）：以褐灰色為主，中粗粒結(jié)構(gòu)，母巖風(fēng)化強烈，巖石大多成碎石狀為主，含部分石英顆粒，層厚1.0m～6.7m。

17-4中等風(fēng)化花崗巖（γ）：灰白色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖芯較完整，RQD=60%～85%，層厚0.6m～8.5m。

17-5 微風(fēng)化花崗巖（γ）：青灰、灰白色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖芯完整，RQD=80%～85%，層厚6.5m～33.4m。

19-1全風(fēng)化輝綠巖（γδ）：黃褐色，巖石結(jié)構(gòu)基本破壞，巖石基本風(fēng)化成堅硬土狀，手搓易成粉狀，泡水易散，層厚7.2m～9.3m。

19-2強風(fēng)化輝綠巖（γδ）：黃褐色，輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，母巖風(fēng)化強烈，巖芯大多呈碎塊狀，少量呈短柱狀，層厚3.7m。

19-3中風(fēng)化輝綠巖（γδ）：灰綠色，輝綠結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖芯較完整，局部較破碎，RQD=42%，層厚5.2m。

1.2 自建民居與地鐵隧道的相對位置關(guān)系

圖1 自建民居與地鐵隧道平面位置關(guān)系

2 施工環(huán)境風(fēng)險分析與評級

參照《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》（GB 50652-2011），結(jié)合本工程地質(zhì)條件、地下水情況、施工工法等，擬定下穿自建民居環(huán)境風(fēng)險等級為Ⅱ級。

3 變形控制指標

建筑物允許沉降控制≤15mm，位移最大速率控制值為1mm/d，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傾的局部傾斜控制值≤0.002。

4 主要工程技術(shù)措施

4.1 設(shè)計原則

①新建軌道交通工程結(jié)構(gòu)（包括永久結(jié)構(gòu)和臨時結(jié)構(gòu)）的強度、剛度及穩(wěn)定性，應(yīng)保證工程的安全和周邊環(huán)境的正常使用。

②根據(jù)新建軌道交通工程及受影響周邊環(huán)境的特點選擇得當(dāng)?shù)氖┕し椒?，確定合理的施工步序。

③通過工程類比、數(shù)值模擬、解析法等計算分析制定合理的控制指標。

④風(fēng)險工程控制設(shè)計應(yīng)遵循“規(guī)避原則、降低原則、控制原則”。

⑤風(fēng)險工程設(shè)計采取的技術(shù)措施具有可操作性且工程造價合理。

⑥風(fēng)險工程設(shè)計應(yīng)包括有關(guān)風(fēng)險工程識別、分級和風(fēng)險分析、評價等。

⑦遵循“先加固后施工地鐵結(jié)構(gòu)”的原則。

⑧保護方案有條件時宜采取洞內(nèi)外相結(jié)合的方式。

⑨監(jiān)控量測是環(huán)境風(fēng)險工程保護設(shè)計的重要組成部分，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)施工、優(yōu)化設(shè)計，形成真正意義上的“動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工”。

4.2 臨近區(qū)間隧道洞身的工程保護措施

設(shè)計措施：洞體開挖時，采用小導(dǎo)管超前預(yù)注漿加固地層，施作臨時仰拱控制地面沉降；洞體開挖完成后，做好壁后注漿，防止后期沉降。

施工措施：開挖中堅持短進尺、早封閉、強支護、勤量測的施工原則，當(dāng)需要爆破時，應(yīng)采取微震控制爆破，減少對管涵的影響。

監(jiān)測措施：施工期間加強動態(tài)監(jiān)控量測，包括對隧道、建筑物的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)施工，做好應(yīng)急措施。

5 專項監(jiān)控測量方案

5.1 施工監(jiān)測項目

區(qū)間施工監(jiān)測主要包括豎向位移、傾斜及裂縫。

5.2 測點布置、監(jiān)測手段與監(jiān)測頻率

建（構(gòu)）筑物豎向位移檢測點應(yīng)布設(shè)在外墻或承重柱上，并且在外墻轉(zhuǎn)角處應(yīng)有監(jiān)測點布控；水平位移檢測點應(yīng)布設(shè)在鄰近隧道一側(cè)的建（構(gòu)）筑物外墻、承重墻、變形縫兩側(cè)及其他有代表性的部位，并可與建（構(gòu)）筑物豎向位移監(jiān)測點布設(shè)在同一位置；傾斜測點應(yīng)沿主體結(jié)構(gòu)頂部、底部上下對應(yīng)按組布設(shè)，每組監(jiān)測點不應(yīng)少于兩個；裂縫寬度監(jiān)測應(yīng)根據(jù)裂縫的分布位置、走向、長度、寬度、錯臺等參數(shù)，分析裂縫的性質(zhì)、產(chǎn)生原因以及發(fā)展趨勢，選取應(yīng)力或應(yīng)力變化較大部位的裂縫或?qū)挾容^大的裂縫進行檢測。監(jiān)測頻率如表1所示。

監(jiān)測頻率表 表1

土層與結(jié)構(gòu)主要物理力學(xué)參數(shù) 表2

5.3 爆破震動監(jiān)測

爆破或其它作業(yè)所引起地面震動，不得損壞地面現(xiàn)有建筑物、地下管線和公共設(shè)施。

承包人應(yīng)提供合格的儀器、量測人員和資料分析人員，監(jiān)測并記錄每次爆破的震動情況及空氣增壓情況，調(diào)整爆破作業(yè)，使震速不超過允許值，并防止開挖失穩(wěn)。

所有的爆破和施工操作，對建構(gòu)筑物震動的最大震速應(yīng)小于20mm/s。

5.4 裂縫、變形監(jiān)測

施工期間要對全過程進行觀測。各項監(jiān)測工作的監(jiān)測周期根據(jù)施工進程確定，在開挖卸載急劇階段，間隔時間不應(yīng)超過3天，其余情況下可延至5至10天。當(dāng)變形超過有關(guān)標準或場地條件變化較大時，應(yīng)加密監(jiān)測。當(dāng)有危險事故征兆時，則需進行連續(xù)監(jiān)測。

圖2 整體三維模型圖

圖3 水平位移云圖

圖4 豎向位移云圖

當(dāng)出現(xiàn)裂縫時，除了要增加沉降觀測的次數(shù)外，應(yīng)立即進行對裂縫變化加以觀測，觀測裂縫首先要設(shè)置觀測標志。當(dāng)裂縫開展時，標志就能相應(yīng)地開裂或變化，正確地反映建（構(gòu)）筑物裂縫發(fā)展情況，觀測方法可用千分尺量測裂縫標志的變化。

6 結(jié)構(gòu)計算

模型計算采用MIDAS GTS NX有限元計算軟件，建立三維立體模型進行模擬計算。為減小邊界約束對計算結(jié)果的影響，使模擬結(jié)果更接近實際情況，建模范圍取X方向（垂直于線路方向）結(jié)構(gòu)外緣兩側(cè)各25m（約4D），Z方向（豎直方向）結(jié)構(gòu)覆土根據(jù)實際情況取值，結(jié)構(gòu)底部以下25m（約4D），Y方向（沿線路方向）40m，地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場分析。模型網(wǎng)格單元按照非關(guān)鍵區(qū)域疏、關(guān)鍵區(qū)域密的原則進行劃分[3-5]。

通過上述計算得出的結(jié)論如下。

①地表沉降最大值為0.55mm，位于左線隧道正上方地表處，小于規(guī)定的15mm限值，滿足要求。地表最大水平位移0.77mm，小于規(guī)定的10mm限值，滿足要求。

②房屋最大沉降為0.55mm，最大水平位移為0.79mm，均小于規(guī)定的限值，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 5007-2011）砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜值為0.002，本房屋基礎(chǔ)沉降差為0.18mm，傾 斜 值 為 0.000018<0.002，故隧道施工對房屋的影響均能滿足要求，房屋是安全的。

7 結(jié)論

通過在設(shè)計、施工、監(jiān)測等方面采取一系列相關(guān)聯(lián)的技術(shù)措施可較好的控制隧道開挖對既有建筑造成的影響，“動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工”的理念可供借鑒。

有限元模擬是隧道開挖風(fēng)險分析的一種重要手段，通過計算機數(shù)值模擬，可得出隧道開挖過程對周邊既有建筑產(chǎn)生影響的趨勢，可為設(shè)計、施工提供一定的前瞻性指導(dǎo)。