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 號線線路全長約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 號線盾構(gòu)穿越南、北小街8 號樓，盾構(gòu)隧道與南小街8 號樓距離近且旁穿距離較長，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加劇裂縫延伸，對建筑安全影響較大[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建筑物的影響控制為重點(diǎn)，較少對地鐵隧道下穿建筑進(jìn)行全面的分析，如對后期地鐵運(yùn)營期間振動(dòng)對上方建筑的影響[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地鐵隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

北京地鐵16 號線萬泉河橋站—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??；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小； 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)力為單樁荷載值對該點(diǎn)的豎向作用力之和與整體基礎(chǔ)板對該點(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

對隧道下穿地表建筑物穿越工程，較多關(guān)注隧道施工對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、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很多方面做一定假定或簡化，數(shù)值模擬方法有很大優(yōu)勢。 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、梁柱采用梁單元模擬。

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)營振動(dòng)對高層建筑影響分析

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，對普通道床、浮置板道床的減振效果進(jìn)行分析：對左岸工社大廈內(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)》對鉛垂向Z振級的控制要求，對不同道床減振效果進(jìn)行對比。

(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20Hz 以上振動(dòng)起作用，對低頻振動(dòng)作用較小。

(2)在三分之一倍頻程中，對比普通道床，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振級插入損失隨樓層增加呈現(xiàn)一致增大趨勢，插入損失分布于2.2dB ～12.4dB 之間，浮置板的施加對高層的振動(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。 對盾構(gòu)下穿復(fù)合地基高層建筑對上部建筑及基礎(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。