超高層建筑群施工對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響分析

王遠(yuǎn)

摘 要：超高層建筑施工期間，因基坑開挖卸荷與上部結(jié)構(gòu)加載導(dǎo)致原有應(yīng)力場(chǎng)持續(xù)發(fā)生改變，引發(fā)鄰近地鐵隧道的沉降變形和軟土地層長(zhǎng)期沉降，對(duì)軌道交通等城市基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大影響。本文選取鄰近上海地鐵隧道的典型超高層建筑群區(qū)域，利用長(zhǎng)時(shí)序現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開分析。結(jié)果表明：超高層建筑施工對(duì)鄰近隧道的沉降具有一定影響；建筑荷載增加，隧道出現(xiàn)相對(duì)沉降；隧道的沉降量主要取決于深部土層的樁土應(yīng)力傳遞以及附加變形。

關(guān)鍵詞：軟土地區(qū)；高層荷載；應(yīng)力傳遞；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；隧道變形

中圖分類號(hào)：P642.26；P258 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2023）03-0049-06

近幾年來，國內(nèi)外特大型城市高層建筑和軌道交通的建設(shè)步伐逐步加快，高層建筑鄰近隧道的情況不可避免。英國的工程師早在20 世紀(jì)50 年代就意識(shí)到新建的高層建筑基礎(chǔ)與既有隧道之間的互相影響問題[1]。高層建筑在基坑開挖階段、基礎(chǔ)施工階段、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)筑階段以及后期的正常使用階段，每個(gè)階段都會(huì)對(duì)緊鄰隧道產(chǎn)生相互影響。

超高層建筑荷載通過樁基應(yīng)力傳遞引起地基應(yīng)力場(chǎng)的改變，從而引發(fā)鄰近隧道的附加沉降和軟土地層長(zhǎng)期沉降，對(duì)隧道等城市基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大的影響，隨之而來的城市安全問題不可預(yù)知，此為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)問題[2-4]。目前針對(duì)高層建筑施工期間在上部荷載作用下對(duì)既有隧道的影響，學(xué)者多采用理論分析、模型試驗(yàn)、案例分析以及有限元分析等多種方法，對(duì)該問題進(jìn)行了研究[5-8]。

雖然目前計(jì)算理論很多，有限元計(jì)算軟件功能也非常強(qiáng)大，但還是不能非常準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)際工程的預(yù)測(cè)。因此，實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可為理論研究提供可靠的參考數(shù)據(jù)。本文選取上海典型的超高層建筑群鄰近地鐵隧道的區(qū)域，利用長(zhǎng)時(shí)序現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開分析，以期對(duì)地面沉降綜合防治提供借鑒。

1 案例工程概況

擬選取研究區(qū)域的核心建筑上海中心大廈工程于2008 年11 月正式開工，主樓底板混凝土澆筑工作于2010年3 月完成，2013 年8 月實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)封頂，并于2014年底基本完成土建竣工，2015 年年中投入運(yùn)營。所在場(chǎng)地地基土在150 m 深度范圍內(nèi)的土層主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，土層及試樁剖面詳見圖1[9]，土層巖性及特征詳見表1。主樓基坑開挖深度31 m，工程樁樁頂位于砂質(zhì)粉土層，樁端持力層為粉砂層，有效樁長(zhǎng)均位于砂質(zhì)土層內(nèi)。地下水靜止水位埋深在1.00～1.70 m，粉砂承壓含水層的水頭埋深12.3～14.2 m。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)區(qū)選取在上海中心大廈鄰近的地鐵隧道區(qū)間（圖2），該地鐵于1995 年12 月開工建設(shè)，1999 年9月建成并試通車。因高層建筑施工易引起鄰近隧道結(jié)構(gòu)的變形，從而影響隧道結(jié)構(gòu)及地鐵行車安全，故對(duì)該隧道區(qū)間開展監(jiān)測(cè)工作。根據(jù)實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)，及時(shí)分析判斷高層建筑施工對(duì)地鐵隧道的影響情況，以便及時(shí)采取有效措施，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)變形，保護(hù)地鐵運(yùn)營期間安全的目的。

鄰近上海中心大廈的高層建筑還有金茂大廈與環(huán)球金融中心。其中：金茂大廈于1994 年5 月動(dòng)工，1997 年8 月結(jié)構(gòu)封頂；環(huán)球金融中心于2005 年11 月全面開工，2007 年9 月結(jié)構(gòu)封頂。上海中心大廈（632 m）采用了直徑為1 m、樁端埋深88 m 的大直徑超長(zhǎng)灌注樁，有別于金茂大廈（420 m）、環(huán)球金融中心（492 m），另兩棟超高層建筑所采用的鋼管樁[10]（見表2）。

2 監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)

按照相關(guān)規(guī)范要求，布設(shè)監(jiān)測(cè)專用高程控制網(wǎng)[11-12]。高程控制網(wǎng)以精密水準(zhǔn)閉合路線形式布設(shè)，分為地面高程控制網(wǎng)和隧道高程控制網(wǎng)兩部分，地面高程控制網(wǎng)由基巖標(biāo)或深標(biāo)點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目附近的工作基點(diǎn)共同構(gòu)成，點(diǎn)數(shù)不少于3 個(gè)，隧道高程控制網(wǎng)工作基點(diǎn)選擇在堅(jiān)固穩(wěn)定的3 倍開挖深度以外的區(qū)域進(jìn)行埋設(shè)，如設(shè)置在車站站臺(tái)上，點(diǎn)數(shù)不少于3 個(gè)，以確保所布設(shè)的高程控制網(wǎng)滿足沉降監(jiān)測(cè)的要求。定期進(jìn)行地面與隧道上下聯(lián)測(cè)，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 長(zhǎng)歷時(shí)沉降分析

地鐵區(qū)間的隧道沉降監(jiān)測(cè)始于1999 年11 月，本節(jié)分析以該時(shí)刻隧道的測(cè)量高程為初始值。圖3 為上海中心大廈建設(shè)和運(yùn)營期間的隧道沉降歷時(shí)曲線圖。

從圖3（a）靠近3 幢超高層建筑的地鐵上行線隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，隧道總體呈現(xiàn)出逐步回彈的趨勢(shì)，整個(gè)隧道區(qū)間的變形表現(xiàn)的較為一致，其中陸家嘴綠地處的隧道累積沉降最大，上海中心大廈處的隧道累積沉降最小，其他位置累積沉降較為接近。整體來看，在上海中心大廈土建工程竣工后，隧道整體回彈速率有減小的趨勢(shì)。圖3（b）下行線隧道的整體沉降（回彈）趨勢(shì)與上行線較為近似。

為了更清晰地表現(xiàn)出分析區(qū)間隧道的差異沉降情況，繪制了以陸家嘴站出站處為起始點(diǎn)、東昌路站進(jìn)站處為終點(diǎn)的區(qū)間斷面累積沉降圖（圖4）。從上行線曲線（圖4（a））可以看出，自地鐵線建成運(yùn)營以來，陸家嘴站的累積沉降量相對(duì)較大，且在金茂大廈與環(huán)球金融中心之間出現(xiàn)了明顯的沉降漏斗，表明超高層建筑群對(duì)隧道沉降會(huì)產(chǎn)生一定的影響。從圖4（b）可以看出，遠(yuǎn)離上海中心大廈的下行線隧道沉降漏斗的位置有所東移，可能與高層荷載附加應(yīng)力的傳遞導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)處應(yīng)力重分布有關(guān)。

圖5 為上海中心大廈建設(shè)與運(yùn)營期間鄰近線隧道沉降速率的歷時(shí)曲線。選定地鐵區(qū)間的隧道沉降速率整體上較為一致，平均回彈速率大于沉降速率。初步分析出現(xiàn)回彈的原因可能由于基坑的開挖卸荷后，坑底回彈帶動(dòng)了周邊土體出現(xiàn)向上的位移變化。其中，上海中心大廈鄰近的上行線隧道段在上海中心大廈基坑底板澆筑完成前出現(xiàn)了一定程度的沉降速率加快現(xiàn)象，由此可見隧道結(jié)構(gòu)變形的主要因素可能就是基坑的開挖卸荷以及基坑開挖降水地下水位降低的影響。

3.2 施工期沉降分析

上海中心大廈鄰近的金茂大廈和環(huán)球金融中心分別于1997 年8 月和2007 年9 月結(jié)構(gòu)封頂，其建設(shè)和運(yùn)營對(duì)隧道產(chǎn)生的影響不可忽視。為在數(shù)據(jù)中盡量剔除上海中心大廈主樓荷載施加前研究區(qū)域建（構(gòu)）筑物群施工對(duì)隧道的影響，本節(jié)以上海中心大廈底板澆筑完成前的2009年11 月隧道高程測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。

由圖6（a）可以看出，上海中心大廈鄰近的地鐵上行線隧道累積沉降（回彈）量在整個(gè)區(qū)間段為最大（最?。懠易炀G地鄰近的隧道累積沉降（回彈）量最?。ㄗ畲螅?，這與圖3 所表現(xiàn)的規(guī)律截然相反，表明上海中心大廈的建設(shè)對(duì)鄰近隧道的沉降產(chǎn)生了一定的影響。圖6（b）下行線的變形規(guī)律相較上行線而言并不突出，可能由于其處于遠(yuǎn)離上海中心大廈的一側(cè)，深部土層的樁土應(yīng)力傳遞有所衰減，且一定程度上受益于隧道結(jié)構(gòu)與其埋置土層的相互作用影響。

從圖7 隧道區(qū)間斷面的累積沉降圖來看，上海中心大廈附近出現(xiàn)的隧道沉降漏斗特征較為明顯，下行區(qū)間一側(cè)隧道沉降漏斗的位置也出現(xiàn)了一定的東移現(xiàn)象，但相較于圖4 其沉降漏斗區(qū)域更加靠近于上海中心大廈處。

圖6 和圖7 也表現(xiàn)出該區(qū)間隧道總體上由于周邊地質(zhì)環(huán)境變化的影響處于不斷回彈的趨勢(shì)，同時(shí)可以看出，陸家嘴綠地鄰近的隧道區(qū)域?yàn)榛貜椓康姆逯堤帯?/p>

3.3 隧道相對(duì)沉降分析

由于隧道區(qū)間是一個(gè)整體，某一段的隧道變形會(huì)引發(fā)周邊隧道的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)[13]，為了最大限度剔除隧道整體回彈的影響，選取受回彈影響最顯著、且相對(duì)遠(yuǎn)離高層建筑群的陸家嘴綠地處為參考點(diǎn)，來分析隧道區(qū)間相對(duì)沉降。

以陸家嘴綠地處的隧道沉降為參考點(diǎn)，繪制以2009年11 月高程數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的隧道沉降歷時(shí)曲線圖（圖8）。

由圖8（a）可以看出，上行線整體均處于相對(duì)沉降的區(qū)間，其中上海中心大廈鄰近的上行線隧道累積沉降量在整個(gè)區(qū)間段為最大，這與3.2 節(jié)的分析相一致。圖8（a）還表明，2012 年5 月至2014 年3 月上部結(jié)構(gòu)施工期間，隨著建筑結(jié)構(gòu)傳遞至樁基荷載的增加，上海中心大廈鄰近的隧道出現(xiàn)了微量的相對(duì)沉降現(xiàn)象。圖8（b）中浦發(fā)大廈鄰近的下行線出現(xiàn)了較大的相對(duì)沉降，可能與其附近的工程建設(shè)活動(dòng)相關(guān)。

圖9（a）斷面累積沉降圖可以更加清晰的看出上海中心大廈鄰近隧道的相對(duì)沉降漏斗，而其相對(duì)沉降速率則趨于減小。下行線的沉降曲線圖表明，遠(yuǎn)離超高層建筑一側(cè)的隧道亦會(huì)受到樁基荷載傳遞的影響，但影響效果弱化明顯，差異變形量約3 mm，仍需要進(jìn)一步的研究論證。

4 區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)成果分析

區(qū)域性地面沉降監(jiān)測(cè)主要圍繞三大建筑（上海中心大廈、金茂大廈、上海環(huán)球金融中心）布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分為A、B、C 三個(gè)剖面，本節(jié)以2005 年底測(cè)得的高程值為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。

圖10 為2006—2021 年三個(gè)剖面的累計(jì)沉降量變化曲線圖，從圖中可以看出，受高層建筑建設(shè)施工的影響，三個(gè)剖面的地面沉降變化趨勢(shì)基本一致，表面高層建筑在建設(shè)期和使用期對(duì)區(qū)域性的地面沉降產(chǎn)生顯著的影響，從整體上看，在上海中心大廈土建工程竣工后，區(qū)域性的地面沉降逐漸趨于平緩態(tài)勢(shì)[14]，沉降變化較小。

5 結(jié)論

本文開展了上海中心大廈對(duì)鄰近隧道變形影響的研究，得到了以下主要結(jié)論：

（1）伴隨著高層建筑的基坑開挖和降水施工，易引起周邊地面及鄰近隧道的沉降變化；

（2）超高層建筑的建設(shè)對(duì)緊鄰建筑一側(cè)隧道的沉降產(chǎn)生了一定的影響，遠(yuǎn)離建筑一側(cè)的隧道變形量相對(duì)較小，差異變形約3 mm；

（3）隧道的變形與作用于樁基礎(chǔ)上的荷載呈線性關(guān)系，隨著高層建筑主體結(jié)構(gòu)的施工，建筑荷載的增大，隧道的變形影響也逐步增大，在鄰近高層建筑區(qū)域內(nèi)的隧道變形明顯大于高層建筑區(qū)域以外，說明建筑加載是造成隧道沉降的主要因素之一；

（4）隧道的沉降量主要取決于結(jié)構(gòu)下臥土層的變形量，超高層建筑荷載對(duì)鄰近隧道的影響主要是荷載在深部土層的樁土應(yīng)力傳遞和附加變形；

（5）通過分析近距離高層建筑施工對(duì)隧道變形的影響，并總結(jié)了近高層建筑區(qū)域性地面沉降變化，得出隧道變形規(guī)律與區(qū)域地面沉降趨勢(shì)之間具有很好的相似性，其變形規(guī)律是基本相同的。

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