城市复杂近接隧道地区新建构筑物安全影响分析

杨进京，郭永发

（中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，昆明 650200）

1 引言

随着社会的不断发展，在充分利用地上、地下资源的同时，各种建设工程也在互相交叠、融合，如地铁、隧道、地下商场、地下停车场、高层建筑基础工程等。为保证各工程结构之间的安全，需要结合实际工况对建构筑物进行充分的论证和风险评估【1】。本文利用有限元方法分析了某市公园立体停车库的开挖及修建对地铁3 号线隧道及枢纽客（货）线隧道的影响，从而评价立体停车库对既有工程和周边环境的影响程度及潜在风险。

2 工程概况

拟建立体停车库为地下1 层，地上3 层建筑，总建筑面积18 721.83m2。其中，地下层层高4.8m，地上1、2 层层高3.3m，地上3 层层高4.2m，为钢筋混凝土框架结构。该建筑物依场地地势而建，顶部与西南侧公路齐平，地下层底层与东北侧公路齐平，其西南侧与东北侧挖方段建永久边坡及支挡结构。立体停车库位于地铁3 号线隧道南侧，同时位于枢纽铁路货线隧道、客线隧道及平导上方。立体停车库与既有地铁、枢纽隧道平面关系如图1 所示。

3 计算模型及参数

3.1 计算模型

本文研究对象为立体停车库、北侧紧邻停车库的地铁3号线隧道、下穿停车库的枢纽客（货）线铁路隧道及既有铁路平导。由于研究基坑边线与隧道线路方向基本平行，故采用二维平面有限元模型进行分析【2】。根据最不利条件拟定模拟施工工序如下：开挖前初始地应力状态分析→车库开挖卸荷→车库建成加载。

图1 立体停车库与周边工程关系平面图

计算模型中土体采用摩尔-库伦准则【3】，用平面应变单元进行模拟；土钉墙面层、加固桩、筏板基础、挡土墙及隧道衬砌采用梁单元进行模拟【4】；土钉墙锚杆采用桁架/植入式桁架单元模拟。模型两竖边进行X 向约束，水平边进行X 向及Y 向约束。

3.2 计算参数

3.2.1 结构参数

立体停车库底板荷载：80kN/m2。

立体停车库土钉墙：C30 混凝土，高12.6m，厚0.3m，胸坡1∶0.2，弹性模量 31GPa。

立体停车库土钉：φ25mm HRB400 螺纹钢筋，长6~8m，弹性模量200GPa。

立体停车库加固桩：C30 钢筋混凝土，弹性模量31GPa。隧道衬砌混凝土：C35 钢筋混凝土，厚0.55m，弹性模量31.5GPa。

3.2.2 岩土参数

岩土物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数

4 计算结果及分析

4.1 立体停车库开挖对地铁3 号线隧道的影响分析

分别对立体停车库开挖前、开挖后及加载后3 种工况进行模拟，并提取地铁3 号线隧道衬砌结构的内力和最终位移进行分析如下。

4.1.1 位移分析

由图2 可知，立体停车库开挖后隧道产生微小的位移，其中拱顶产生水平位移1.27mm；墙脚水平位移1.25mm。可见立体停车库开挖后隧道变形微小，说明立体停车库开挖对隧道影响较小。

图2 立体停车库引起地铁3 号线产生水平位移云图

4.1.2 受力分析

衬砌结构受力薄弱环节主要为拱顶及墙脚部位，提取拱顶及墙脚部位内力结果如表2 所示。

表2 地铁3 号线隧道衬砌关键点内力结果

由于开挖卸荷，所以开挖后轴力值减小，同时，开挖应力释放引起隧道左侧围岩偏压略微增大，因此，左侧墙脚部位弯矩值有所增大；加载后在荷载作用下衬砌的轴力和弯矩均有所增大。最终拱顶部位衬砌轴力较初始状态减小12.4%，墙脚部位减小5.2%；拱顶部位弯矩较初始状态增大7.1%，墙脚部位增大8.0%。

根据开挖和加载后的内力结果对衬砌进行配筋验算，结果表明，按照原衬砌设计强度及配筋能够满足衬砌的安全稳定性要求。

4.2 立体停车库开挖对枢纽客（货）线隧道及平导的影响分析

分别对立体停车库开挖前、开挖后及加载后3 种工况进行模拟，并提取枢纽客（货）线隧道衬砌结构的内力和最终位移进行分析如下。

4.2.1 位移分析

由图3 可知，立体停车库开挖后隧道及平导产生位移较小，其中，货线拱顶产生竖向位移3.44mm，边墙产生竖向位移2.01mm；客线拱顶产生竖向位移3.33mm，边墙产生竖向位移2.09mm；平导拱顶产生竖向位移3.56mm。可见立体停车库开挖对隧道及平导影响较小。

图3 立体停车库引起地铁3 号线产生竖向位移云图

4.2.2 受力分析

1）隧道正洞受力分析

结合隧道衬砌内力图分析，衬砌结构受力薄弱环节主要为拱顶及墙脚部位，提取拱顶及墙脚部位内力结果如表3 所示。

表3 枢纽客（货）线隧道衬砌关键点内力结果

由于客（货）2 座隧道均位于停车库正下方,开挖卸荷引起隧道内力减小明显；停车场修建后，在加载的作用下衬砌的轴力和弯矩增大，但未超过开挖前初始应力状态。货线拱顶部位衬砌轴力较初始状态减小20.3%，墙脚部位减小25.0%；货线拱顶部位弯矩较初始状态减小53.6%，边墙部位减小22.8%。客线拱顶部位衬砌轴力较初始状态减小21.3%，墙脚部位减小14.0%；客线拱顶部位弯矩较初始状态减小44.2%，边墙部位减小8.5%。

根据开挖和加载后的衬砌内力结果对衬砌进行配筋验算，结果表明，按照原衬砌设计强度及配筋能够满足衬砌的安全稳定性要求。

2）平导受力分析

平导断面尺寸约为3.2m（宽）×3.5m（高），在停车场开挖前，其埋深为14~33m，停车场开挖后其埋深为12~13m。根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》【5】计算，其在开挖前和开挖后均属深埋，覆土厚度能够起到成拱效应，停车场开挖并未改变其基本受力状态，因此，理论上停车场开挖和建设不会对其造成破坏。

5 结语

通过公园立体停车库开挖及修建对地铁3 号线隧道及枢纽客（货）线隧道影响的数值模拟分析，得出以下几点结论：

1）立体停车场开挖及建设后，地铁3 号线隧道总体表现出开挖卸荷和围岩左侧偏压略微增大的趋势，枢纽客（货）线隧道在开挖后衬砌内力减小，加载后衬砌内力又有所回升，但未达到开挖前的初始应力状态，经计算衬砌结构均能够满足设计强度要求。

2）停车场开挖未改变平导的受力形式，按照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》的坍落拱高度分析，停车场开挖后平导仍属深埋，因此，理论上停车场开挖和建设不会对其造成破坏。