劉力 李名淦 高辛財(cái) 喬峰

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082)

引言

近年來，伴隨各大城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，地鐵區(qū)間隧道下穿及臨近建筑物的工程案例越來越多。 蘇州市軌道交通 2 號(hào)線線路全長(zhǎng)約26.556km，從522 余幢各類房屋的正下方或側(cè)面通過[1]。 上海軌道交通11 號(hào)線從徐匯中學(xué)崇思樓正下方穿過，盾構(gòu)隧道外壁距離地表約14.1m，盾構(gòu)隧道中線間距17.2m[2]。 北京地鐵10 號(hào)線盾構(gòu)穿越南、北小街8 號(hào)樓，盾構(gòu)隧道與南小街8 號(hào)樓距離近且旁穿距離較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)老化且已有多處結(jié)構(gòu)裂縫，穿越時(shí)，由于不均勻沉降可能會(huì)加劇裂縫延伸，對(duì)建筑安全影響較大[3]。以上下穿建筑物的地鐵隧道均以施工過程中地層變形對(duì)建筑物的影響控制為重點(diǎn)，較少對(duì)地鐵隧道下穿建筑進(jìn)行全面的分析，如對(duì)后期地鐵運(yùn)營(yíng)期間振動(dòng)對(duì)上方建筑的影響[4]，隧道與建筑的抗震性能相互影響[5]，以及考慮上部建筑附加荷載對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

北京地鐵16 號(hào)線萬泉河橋站—蘇州街站區(qū)間以350m 小半徑曲線下穿左岸工社大廈復(fù)合地基高層建筑。 本工程要實(shí)現(xiàn)在不影響左岸工社大廈正常使用條件下盾構(gòu)工程的穿越，需解決一系列技術(shù)難題。

1 工程概況

萬泉河橋站—蘇州街站區(qū)間下穿左岸工社大廈平面及豎向位置關(guān)系如圖1 所示。 線路平面與大廈基底呈60°斜交下穿，左、右中心線間距約12.1m。 隧道覆土約 23m ～24m，隧道頂距大廈筏板基礎(chǔ)底約11.7m。 穿越地層為卵石層，位于地下水位下。 左岸工社大廈竣工于2003 年，位于北四環(huán)路與蘇州街交叉路口西南角，地上17層～20 層，地下 3 層。 采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，高層基礎(chǔ)筏板厚0.7m，外挑地下室筏板厚0.45m，設(shè)井字倒梁，地下室無結(jié)構(gòu)變形縫。 上部結(jié)構(gòu)西側(cè)為鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)，東側(cè)為中央混凝土剪力墻核心筒結(jié)合框架結(jié)構(gòu)。 大廈基底打設(shè)2000 余顆 CFG 樁，樁長(zhǎng)約 10m，樁底落于卵石地層，復(fù)合地基承載力400kPa。 區(qū)間采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)區(qū)間管片外徑6.4m、管片厚300mm、錯(cuò)縫拼裝。

圖1 區(qū)間線路與左岸工社大廈社位置關(guān)系Fig.1 The section of shield tunnel crossing through the building

由于地面條件限制，下穿左岸工社大廈主要從隧道洞內(nèi)采取保護(hù)措施。 下穿范圍管片增加預(yù)埋壁后注漿孔，在盾構(gòu)通過后，通過壁后注漿孔向隧道全周徑向深孔注漿。

2 盾構(gòu)下穿建筑施工影響預(yù)測(cè)分析

2.1 模型建立

采用Midas/GTS 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，模型土體采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。 地下室結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道襯砌采用彈性模型。 計(jì)算模型土體參數(shù)按表1 取值。

表1 土層參數(shù)Tab.1 The material parameters of soil

根據(jù)隧道與建筑位置關(guān)系建模如下：地下室及鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)采用彈性實(shí)體模擬； 地上高層建筑采用等效荷載替換，結(jié)構(gòu)恒載及活載按每層14kPa 施加于地下室立柱； 管片采用板單元模擬，考慮接頭及錯(cuò)縫拼裝方式影響，管片剛度折減系數(shù)取0.85。 模型上表面為地表自由面，側(cè)面施加水平約束，底部施加豎向約束。 如圖2 所示，整體模型共劃分單元22 萬余個(gè)。

模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)施工過程，模擬盾構(gòu)機(jī)開挖土體，掌子面壓力平衡，盾構(gòu)管片拼裝以及盾尾同步注漿等幾個(gè)關(guān)鍵步驟，反復(fù)進(jìn)行直到隧道貫通。 模擬盾構(gòu)隧道掘進(jìn)方向由北向南進(jìn)行，5m為一個(gè)開挖步，兩條隧道掘進(jìn)共分42 步進(jìn)行。

圖2 三維有限元整體模型Fig.2 Numerical analysis model

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)方向?qū)Φ貙优c建筑沉降影響不大，由南至北或由北向南掘進(jìn)可根據(jù)實(shí)際需要選擇； 盾構(gòu)掘進(jìn)順序?qū)Φ貙雍徒ㄖ两怠⒐芷冃问芰τ杏绊?，?yīng)按先掘進(jìn)右線隧道施工。 結(jié)合對(duì)比分析結(jié)論和工程實(shí)際情況，確定區(qū)間采用由北向南、先右線后左線掘進(jìn)順序進(jìn)行施工。

(2)不同深度地層變形有較明顯差別，地層變形受掌子面支護(hù)壓力影響較大，受管片與開挖面之間空隙注漿模擬等代層彈性模量影響較小；地表沉降為“U”型，靠近隧道上方地層沉降為“W”型，隧道下部地層隆起為“M”型； 非建筑范圍地表最大沉降值4.86mm，位于隧道中心線上方。

(3)筏板基礎(chǔ)沉降隨隧道施工過程變化明顯，最大沉降位于筏板東南角右線隧道穿出筏板與復(fù)合地基邊界處，最大沉降值6.22mm； 最大隆起部位在筏板西北角，最大隆起值1.5mm，差異沉降7.72mm。 建筑向東南方向傾斜，筏板最大傾斜率0.086‰。

(4)地下室變形分布規(guī)律與筏板基礎(chǔ)接近，但由于框架結(jié)構(gòu)荷載多集中于立柱，因此沉降范圍較筏板基礎(chǔ)更為集中； 東西向柱間最大差異沉降位于南向北第3 行，東向西第3、第4 列兩柱之間，最大差異沉降1.72mm； 南北向最大差異沉降位于東向西第2 列，北向南第3、第4 行兩柱之間，最大差異沉降0.87mm。

(5)管片的較大變形集中于盾構(gòu)出入洞部位與高層建筑下方，受管片與開挖面之間空隙注漿模擬等代層彈性模量影響較大，等代層彈性模量越大管片變形越??； 雙線貫通后管片最大變形位于隧道穿越筏板基礎(chǔ)與復(fù)合地基邊界處，拱頂最大沉降14.9mm，拱底最大隆起17.9mm； 管片受力與管片變形相關(guān)聯(lián)，因而管片彎矩最大值部位與變形最大值部位一致，管片最大正彎矩位于拱頂； 最大負(fù)彎矩位于東側(cè)拱腰。

(6)由于復(fù)合地基中樁體與土體剛度差別較大，CFG 樁承擔(dān)了大部分荷載，樁土應(yīng)力比約70； 復(fù)合地基樁間土體受力由樁群中心向外逐步增大； 單樁受力呈現(xiàn)樁體中部大、兩端小的特點(diǎn)； 復(fù)合地基受力分布表現(xiàn)為外圍受力大，內(nèi)部受力小，地基外圍樁體豎向應(yīng)力約是地基內(nèi)部樁體2 倍。

學(xué)員希望的學(xué)習(xí)內(nèi)容前三位分別為：臨床常用口語（67.02%），文獻(xiàn)閱讀（46.81%）和臨床指南（45.74%）。見表2。

(7)CFG 樁復(fù)合地基對(duì)管片受力影響較大，不同位置管片彎矩變化較大； 復(fù)合地基外圍應(yīng)力集中力明顯，對(duì)管片受力不利； 右線管片最大彎矩較沒有復(fù)合地基大23%，左線管片因?yàn)橛煞ぐ寤A(chǔ)與復(fù)合地基邊界穿出，所受集中力較右線管片大，最大彎矩較沒有復(fù)合地基大52.3%，應(yīng)在穿越CFG 樁復(fù)合地基時(shí)加強(qiáng)管片強(qiáng)度，做好安全加固措施。

3 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受力影響分析

3.1 考慮基底平面以下為半無限體情況

假定左岸工社大廈三層地下室開挖到基坑底后地應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到平衡，可假定左岸工社大廈基礎(chǔ)底板標(biāo)高處以下為半無限體，對(duì)應(yīng)左岸大廈基礎(chǔ)基底壓力280kPa 為相應(yīng)的附加壓力。 根據(jù)此假定對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用下隧道附加應(yīng)力及總應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

1.按天然地基考慮附加應(yīng)力布辛內(nèi)斯克解

利用基礎(chǔ)板下設(shè)計(jì)承載力值作為基底壓力值，根據(jù)矩形面積均布荷載作用下的地層中應(yīng)力布辛內(nèi)斯克解，可得到盾構(gòu)管片所在層卵石層的地層應(yīng)力值。 將基礎(chǔ)板分為多個(gè)區(qū)域板塊，再利用疊加原理，將各個(gè)分塊基礎(chǔ)板產(chǎn)生的應(yīng)力相加，最終可求出總的附加應(yīng)力。

2.按樁基考慮的附加應(yīng)力明德林解

按照彈性解析解及數(shù)值解，根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94 -2008)中關(guān)于群樁作用下樁端以下地層中的附加應(yīng)力計(jì)算模式，采取考慮樁徑影響的Mindlin 計(jì)算公式求取盾構(gòu)管片附加應(yīng)力。

3.按復(fù)合地基考慮的附加應(yīng)力解

按CFG 樁復(fù)合地基考慮，地基處理CFG 樁單樁設(shè)計(jì)承載力597.88kN，據(jù)此確定單樁荷載值，其余荷載由樁間土承擔(dān)。 盾構(gòu)下穿區(qū)復(fù)合地基下任一點(diǎn)附加豎向應(yīng)力為單樁荷載值對(duì)該點(diǎn)的豎向作用力之和與整體基礎(chǔ)板對(duì)該點(diǎn)附加應(yīng)力相疊加的結(jié)果。 按照明德林解與布氏解相疊加結(jié)果，左線最大附加豎向應(yīng)力值為262.8kPa，右線最大豎向附加應(yīng)力值為267.2kPa。 考慮11.7m厚土層自重應(yīng)力，左線管片頂豎向應(yīng)力值最大為496.8kPa，右線最大豎向應(yīng)力值為501.2kPa。 相應(yīng)附加應(yīng)力及總應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基底平面以下為半無限體管片豎向荷載最大值Tab.2 Maximum vertical load of segment in the situation of a semi-infinite body below the base plane

3.2 考慮地表面以下為半無限體情況

同樣按3.1 節(jié)中三種方法對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用下隧道附加應(yīng)力及總應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)附加應(yīng)力及總應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

按復(fù)合地基考慮地層與CFG 樁共同作用計(jì)算。 根據(jù)左、右線管片頂部縱向土層豎向附加應(yīng)力及豎向應(yīng)力分布，左線最大豎向附加應(yīng)力值為32.8kPa，右線最大附加應(yīng)力值為31.4kPa。 最大豎向應(yīng)力值則分別為517.4kPa 和515.9kPa。 根據(jù)左、右線管片頂部橫向土層豎向附加應(yīng)力及豎向應(yīng)力分布，左線最大豎向附加應(yīng)力值為33.2kPa，右線最大附加應(yīng)力值為31.1kPa。 最大豎向應(yīng)力值則分別為517.8kPa 和515.7kPa。

表3 地表面以下為半無限體管片豎向荷載最大值Tab.3 Maximum vertical load of segment in the situation of a semi-infinite body below the surface of the earth

3.3 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

左岸工社大廈基礎(chǔ)底板距離管片頂部最小垂直距離11.7m，埋設(shè)深度大于1 倍隧道外徑，但對(duì)于CFG 樁復(fù)合地基尚缺少是否產(chǎn)生土拱效應(yīng)的明確結(jié)論，CFG 樁施工過程中對(duì)原狀地層置換擾動(dòng)了原狀土，太沙基松動(dòng)土壓力公式不適用。在上述條件下，根據(jù)日本《隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說》中第29 條解說2，采用隧道全覆土重作為土壓力可對(duì)實(shí)際情況全面包絡(luò)。 考慮水土合算，管片頂部垂直土壓力可根據(jù)表3 得到，管片頂部垂直土壓力為517.8kPa。

4 盾構(gòu)隧道下穿高層建筑抗震分析

對(duì)隧道下穿地表建筑物穿越工程，較多關(guān)注隧道施工對(duì)地表建筑物安全的影響，以確保工程實(shí)施中隧道與地表建筑安全為控制重點(diǎn)，忽視隧道建成后對(duì)被穿越地表臨近建筑抗震性能的影響。

地下結(jié)構(gòu)抗震需要考慮很多問題，諸如：土與結(jié)構(gòu)相互動(dòng)力作用，地下土層非均質(zhì)及地下水影響，邊界條件選取，土介質(zhì)非線性、接觸非線性，地震波波長(zhǎng)、入射角度、計(jì)算范圍選取等。地下結(jié)構(gòu)抗震的研究方法主要分為三個(gè)方面：理論方法、數(shù)值模擬和試驗(yàn)法。

相比理論方法需要對(duì)很多方面做一定假定或簡(jiǎn)化，數(shù)值模擬方法有很大優(yōu)勢(shì)。 地下結(jié)構(gòu)抗震問題已從靜力分析發(fā)展到動(dòng)力分析，并在地鐵結(jié)構(gòu)抗震分析中推廣應(yīng)用。 建立盾構(gòu)隧道-土體-地表鄰近框架結(jié)構(gòu)相互作用體系三維數(shù)值計(jì)算模型，分析隧道與鄰近框架結(jié)構(gòu)相互之間地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

4.1 模型建立

土體參數(shù)按表1 取值，采用 MIDAS/GTS 軟件進(jìn)行時(shí)程法計(jì)算分析。 模型網(wǎng)格與盾構(gòu)下穿建筑施工影響預(yù)測(cè)分析一致，增加左岸大廈地上結(jié)構(gòu)，地上框架結(jié)構(gòu)墻采用板單元、梁柱采用梁?jiǎn)卧M。

計(jì)算模型以盾構(gòu)隧道施工完成后階段開始，分析隧道、上部結(jié)構(gòu)地震相互作用。 抗震分析有限元整體模型如圖3 所示。 采用粘-彈性吸收邊界，采用萬泉河橋站-蘇州街站區(qū)間抗震分析地震波數(shù)據(jù)。

圖3 抗震分析有限元整體模型Fig.3 Numerical model of seismic performance analysis

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

建立三種工況地上建筑、隧道地震工況分析模型：(1)無盾構(gòu)隧道只有地上建筑左岸工社大廈模型，分析地震工況左岸工社大廈地下室、地上結(jié)構(gòu)抗震性能； (2)無上部地面建筑只有地下隧道模型，計(jì)算地震工況隧道變形； (3)隧道—地基土體—上部結(jié)構(gòu)整體模型，計(jì)算地震工況隧道、上部結(jié)構(gòu)變形。 將三種工況地上建筑、隧道地震工況變形進(jìn)行比較，分析隧道—地基土體—上部結(jié)構(gòu)相互作用的地震響應(yīng)。

1.雙隧道存在對(duì)左岸大廈抗震性能的影響

綜合考慮隧道埋深和間距、基礎(chǔ)深度、土體特性、地上建筑自振周期等因素，通過模擬計(jì)算分析，得到罕遇地震工況下，由于地下隧道下穿引起的左岸工社大廈抗震性能變化：①層間位移角增幅為20%； ②水平位移幅值增加28%，豎向影響可忽略。

考慮隧道存在的影響后，左岸大廈結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.左岸大廈對(duì)隧道抗震性能的影響

有高層建筑時(shí)隧道最大變形增加，最大直徑變形率增幅4.37%。 最大直徑變形率小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》限值。 盾構(gòu)區(qū)間滿足E3地震作用下抗震性能要求。

5 地鐵運(yùn)營(yíng)振動(dòng)對(duì)高層建筑影響分析

5.1 模型建立與計(jì)算

地基土層分布與抗震計(jì)算分析相同，阻尼系數(shù)取0.03。 采用“地鐵列車—軌道—環(huán)境地層—地面建筑系統(tǒng)”空間動(dòng)力分析模型，將復(fù)雜的三維空間體系轉(zhuǎn)化為兩個(gè)子系統(tǒng)：子系統(tǒng)1 為二維地鐵列車耦合模型，利用車輛-軌道系統(tǒng)沿線路縱向?qū)ΨQ性，在圖4 所示x-z平面內(nèi)建立二維車輛-軌道耦合模型，計(jì)算作用在軌枕上的動(dòng)力荷載時(shí)程； 子系統(tǒng)2 為三維軌道-地層-地面建筑耦合動(dòng)力模型，通過輸入子系統(tǒng)1 求得的列車動(dòng)力荷載，分析普通道床與浮置板道床工況下列車運(yùn)行引起建筑物室內(nèi)動(dòng)力響應(yīng)，并與規(guī)范進(jìn)行比較，得出相應(yīng)結(jié)論。

圖4 地鐵列車-軌道-環(huán)境地層系統(tǒng)空間動(dòng)力分析模型Fig.4 The subway train-track-stratum spatial dynamic analysis model

根據(jù)左岸工社大廈結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)及地層情況，在MIDAS/GTS 中建立隧道-地層-建筑物耦合模型，模型整體和各個(gè)細(xì)部構(gòu)造如圖5所示。

圖5 三維隧道-地層-建筑物耦合模型Fig.5 Three dimensional model of tunnel-stratum-building

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

基于隧道-地層-建筑物耦合模型，對(duì)普通道床、浮置板道床的減振效果進(jìn)行分析：對(duì)左岸工社大廈內(nèi)垂向振動(dòng)加速度響應(yīng)三分之一倍頻程進(jìn)行分析，研究地鐵列車運(yùn)行引起周邊建筑物內(nèi)振動(dòng)的傳播規(guī)律和分布規(guī)律； 根據(jù)《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)鉛垂向Z振級(jí)的控制要求，對(duì)不同道床減振效果進(jìn)行對(duì)比。

(1)普通道床和浮置板道床工況下，頻率低于10Hz 時(shí)，兩種工況頻率成分差異較??； 高于20Hz 時(shí)，浮置板道床工況振動(dòng)較普通道床小，差異較大，且隨頻率增大，差異越明顯，浮置板道床主要對(duì)20Hz 以上振動(dòng)起作用，對(duì)低頻振動(dòng)作用較小。

(2)在三分之一倍頻程中，對(duì)比普通道床，浮置板道床使10Hz 以外其他頻段振動(dòng)減弱； 中心頻率為10Hz 時(shí)，即處于浮置板的固有頻率處，振動(dòng)有所增強(qiáng)。 浮置板道床減振效果較好的頻段為中心頻率大于20Hz 頻段，此頻段內(nèi)插入損失為 10dB ～31dB； 當(dāng)中心頻率為 63Hz 時(shí)，減振效果最好； 低于10Hz 時(shí)，底層建筑減振效果不明顯，插入損失為 4dB ～8dB； 隨樓層增加，減振效果有一定增強(qiáng)，頂層建筑插入損失為12dB～15dB。

(3)振動(dòng)最強(qiáng)的 5s ～10s 時(shí)間段內(nèi)，浮置板軌道工況下，室內(nèi)振動(dòng)最大Z振級(jí)插入損失為3dB ～15dB，減振效果較好； 隨樓層增加，減振效果增強(qiáng)，在 0s ～15s 內(nèi)，插入損失由 -5dB ～10dB 變化為 10dB ～15dB。 最大Z振級(jí)插入損失隨樓層增加呈現(xiàn)一致增大趨勢(shì)，插入損失分布于2.2dB ～12.4dB 之間，浮置板的施加對(duì)高層的振動(dòng)控制具有更好的效果。

6 結(jié)論

本文依托北京地鐵16 號(hào)線萬泉河橋站—蘇州街站區(qū)間隧道下穿左岸工社大廈復(fù)合地基高層建筑工程，對(duì)盾構(gòu)下穿復(fù)合地基高層建筑相互安全影響進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

1.盾構(gòu)下穿高層建筑采取加強(qiáng)盾構(gòu)自身控制及管片預(yù)留壁后注漿孔加固地層的措施。 對(duì)盾構(gòu)下穿復(fù)合地基高層建筑對(duì)上部建筑及基礎(chǔ)的變形、受力影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，施工中上部建筑的變形、受力均可控制在安全范圍內(nèi)。

2.考慮下穿段盾構(gòu)隧道上方建筑附加荷載影響，下穿段隧道設(shè)計(jì)荷載較普通段大，對(duì)下穿段盾構(gòu)隧道管片配筋進(jìn)行了加強(qiáng)。 并在下穿段管片預(yù)留加密注漿孔，進(jìn)行地層的徑向注漿，減小盾構(gòu)下穿對(duì)上部建筑的影響。

3.通過隧道-地基土體-上部結(jié)構(gòu)相互作用地震響應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算，考慮隧道存在的影響后，左岸大廈結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。 有高層建筑時(shí)隧道最大變形增加，但盾構(gòu)區(qū)間滿足地震作用下抗震性能要求。

4.結(jié)合盾構(gòu)下穿高層建筑振動(dòng)影響分析結(jié)論，采取浮置板道床軌道減振對(duì)高層的振動(dòng)控制具有較好的效果，可滿足上部建筑的正常使用。