超高层建筑群施工对邻近地铁隧道变形的影响分析

王远

摘 要：超高层建筑施工期间，因基坑开挖卸荷与上部结构加载导致原有应力场持续发生改变，引发邻近地铁隧道的沉降变形和软土地层长期沉降，对轨道交通等城市基础设施的稳定性和结构安全产生较大影响。本文选取邻近上海地铁隧道的典型超高层建筑群区域，利用长时序现场监测数据展开分析。结果表明：超高层建筑施工对邻近隧道的沉降具有一定影响；建筑荷载增加，隧道出现相对沉降；隧道的沉降量主要取决于深部土层的桩土应力传递以及附加变形。

关键词：软土地区；高层荷载；应力传递；现场监测；隧道变形

中图分类号：P642.26；P258 文献标志码：A 文章编号：2095-1329（2023）03-0049-06

近几年来，国内外特大型城市高层建筑和轨道交通的建设步伐逐步加快，高层建筑邻近隧道的情况不可避免。英国的工程师早在20 世纪50 年代就意识到新建的高层建筑基础与既有隧道之间的互相影响问题[1]。高层建筑在基坑开挖阶段、基础施工阶段、建筑结构构筑阶段以及后期的正常使用阶段，每个阶段都会对紧邻隧道产生相互影响。

超高层建筑荷载通过桩基应力传递引起地基应力场的改变，从而引发邻近隧道的附加沉降和软土地层长期沉降，对隧道等城市基础设施的稳定性和结构安全产生较大的影响，随之而来的城市安全问题不可预知，此为国内外学者关注的焦点问题[2-4]。目前针对高层建筑施工期间在上部荷载作用下对既有隧道的影响，学者多采用理论分析、模型试验、案例分析以及有限元分析等多种方法，对该问题进行了研究[5-8]。

虽然目前计算理论很多，有限元计算软件功能也非常强大，但还是不能非常准确地进行实际工程的预测。因此，实际工程的现场监测可为理论研究提供可靠的参考数据。本文选取上海典型的超高层建筑群邻近地铁隧道的区域，利用长时序现场监测数据展开分析，以期对地面沉降综合防治提供借鉴。

1 案例工程概况

拟选取研究区域的核心建筑上海中心大厦工程于2008 年11 月正式开工，主楼底板混凝土浇筑工作于2010年3 月完成，2013 年8 月实现主体结构封顶，并于2014年底基本完成土建竣工，2015 年年中投入运营。所在场地地基土在150 m 深度范围内的土层主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成，土层及试桩剖面详见图1[9]，土层岩性及特征详见表1。主楼基坑开挖深度31 m，工程桩桩顶位于砂质粉土层，桩端持力层为粉砂层，有效桩长均位于砂质土层内。地下水静止水位埋深在1.00～1.70 m，粉砂承壓含水层的水头埋深12.3～14.2 m。

现场监测区选取在上海中心大厦邻近的地铁隧道区间（图2），该地铁于1995 年12 月开工建设，1999 年9月建成并试通车。因高层建筑施工易引起邻近隧道结构的变形，从而影响隧道结构及地铁行车安全，故对该隧道区间开展监测工作。根据实时变形数据，及时分析判断高层建筑施工对地铁隧道的影响情况，以便及时采取有效措施，达到控制结构变形，保护地铁运营期间安全的目的。

邻近上海中心大厦的高层建筑还有金茂大厦与环球金融中心。其中：金茂大厦于1994 年5 月动工，1997 年8 月结构封顶；环球金融中心于2005 年11 月全面开工，2007 年9 月结构封顶。上海中心大厦（632 m）采用了直径为1 m、桩端埋深88 m 的大直径超长灌注桩，有别于金茂大厦（420 m）、环球金融中心（492 m），另两栋超高层建筑所采用的钢管桩[10]（见表2）。

2 监测技术设计

按照相关规范要求，布设监测专用高程控制网[11-12]。高程控制网以精密水准闭合路线形式布设，分为地面高程控制网和隧道高程控制网两部分，地面高程控制网由基岩标或深标点、水准点以及监测项目附近的工作基点共同构成，点数不少于3 个，隧道高程控制网工作基点选择在坚固稳定的3 倍开挖深度以外的区域进行埋设，如设置在车站站台上，点数不少于3 个，以确保所布设的高程控制网满足沉降监测的要求。定期进行地面与隧道上下联测，以保证监测数据的可靠性和准确性。

3 监测结果分析

3.1 长历时沉降分析

地铁区间的隧道沉降监测始于1999 年11 月，本节分析以该时刻隧道的测量高程为初始值。图3 为上海中心大厦建设和运营期间的隧道沉降历时曲线图。

从图3（a）靠近3 幢超高层建筑的地铁上行线隧道监测数据可以看出，隧道总体呈现出逐步回弹的趋势，整个隧道区间的变形表现的较为一致，其中陆家嘴绿地处的隧道累积沉降最大，上海中心大厦处的隧道累积沉降最小，其他位置累积沉降较为接近。整体来看，在上海中心大厦土建工程竣工后，隧道整体回弹速率有减小的趋势。图3（b）下行线隧道的整体沉降（回弹）趋势与上行线较为近似。

为了更清晰地表现出分析区间隧道的差异沉降情况，绘制了以陆家嘴站出站处为起始点、东昌路站进站处为终点的区间断面累积沉降图（图4）。从上行线曲线（图4（a））可以看出，自地铁线建成运营以来，陆家嘴站的累积沉降量相对较大，且在金茂大厦与环球金融中心之间出现了明显的沉降漏斗，表明超高层建筑群对隧道沉降会产生一定的影响。从图4（b）可以看出，远离上海中心大厦的下行线隧道沉降漏斗的位置有所东移，可能与高层荷载附加应力的传递导致隧道结构处应力重分布有关。

图5 为上海中心大厦建设与运营期间邻近线隧道沉降速率的历时曲线。选定地铁区间的隧道沉降速率整体上较为一致，平均回弹速率大于沉降速率。初步分析出现回弹的原因可能由于基坑的开挖卸荷后，坑底回弹带动了周边土体出现向上的位移变化。其中，上海中心大厦邻近的上行线隧道段在上海中心大厦基坑底板浇筑完成前出现了一定程度的沉降速率加快现象，由此可见隧道结构变形的主要因素可能就是基坑的开挖卸荷以及基坑开挖降水地下水位降低的影响。

3.2 施工期沉降分析

上海中心大厦邻近的金茂大厦和环球金融中心分别于1997 年8 月和2007 年9 月结构封顶，其建设和运营对隧道产生的影响不可忽视。为在数据中尽量剔除上海中心大厦主楼荷载施加前研究区域建（构）筑物群施工对隧道的影响，本节以上海中心大厦底板浇筑完成前的2009年11 月隧道高程测量数据为基准进行分析。

由图6（a）可以看出，上海中心大厦邻近的地铁上行线隧道累积沉降（回弹）量在整个区间段为最大（最小），而陆家嘴绿地邻近的隧道累积沉降（回弹）量最小（最大），这与图3 所表现的规律截然相反，表明上海中心大厦的建设对邻近隧道的沉降产生了一定的影响。图6（b）下行线的变形规律相较上行线而言并不突出，可能由于其处于远离上海中心大厦的一侧，深部土层的桩土应力传递有所衰减，且一定程度上受益于隧道结构与其埋置土层的相互作用影响。

从图7 隧道区间断面的累积沉降图来看，上海中心大厦附近出现的隧道沉降漏斗特征较为明显，下行区间一侧隧道沉降漏斗的位置也出现了一定的东移现象，但相较于图4 其沉降漏斗区域更加靠近于上海中心大厦处。

图6 和图7 也表现出该区间隧道总体上由于周边地质环境变化的影响处于不断回弹的趋势，同时可以看出，陆家嘴绿地邻近的隧道区域为回弹量的峰值处。

3.3 隧道相对沉降分析

由于隧道区间是一个整体，某一段的隧道变形会引发周边隧道的联动效应[13]，为了最大限度剔除隧道整体回弹的影响，选取受回弹影响最显著、且相对远离高层建筑群的陆家嘴绿地處为参考点，来分析隧道区间相对沉降。

以陆家嘴绿地处的隧道沉降为参考点，绘制以2009年11 月高程数据为基准的隧道沉降历时曲线图（图8）。

由图8（a）可以看出，上行线整体均处于相对沉降的区间，其中上海中心大厦邻近的上行线隧道累积沉降量在整个区间段为最大，这与3.2 节的分析相一致。图8（a）还表明，2012 年5 月至2014 年3 月上部结构施工期间，随着建筑结构传递至桩基荷载的增加，上海中心大厦邻近的隧道出现了微量的相对沉降现象。图8（b）中浦发大厦邻近的下行线出现了较大的相对沉降，可能与其附近的工程建设活动相关。

图9（a）断面累积沉降图可以更加清晰的看出上海中心大厦邻近隧道的相对沉降漏斗，而其相对沉降速率则趋于减小。下行线的沉降曲线图表明，远离超高层建筑一侧的隧道亦会受到桩基荷载传递的影响，但影响效果弱化明显，差异变形量约3 mm，仍需要进一步的研究论证。

4 区域性地面沉降监测成果分析

区域性地面沉降监测主要围绕三大建筑（上海中心大厦、金茂大厦、上海环球金融中心）布设沉降监测点，分为A、B、C 三个剖面，本节以2005 年底测得的高程值为基准进行分析。

图10 为2006—2021 年三个剖面的累计沉降量变化曲线图，从图中可以看出，受高层建筑建设施工的影响，三个剖面的地面沉降变化趋势基本一致，表面高层建筑在建设期和使用期对区域性的地面沉降产生显著的影响，从整体上看，在上海中心大厦土建工程竣工后，区域性的地面沉降逐渐趋于平缓态势[14]，沉降变化较小。

5 结论

本文开展了上海中心大厦对邻近隧道变形影响的研究，得到了以下主要结论：

（1）伴随着高层建筑的基坑开挖和降水施工，易引起周边地面及邻近隧道的沉降变化；

（2）超高层建筑的建设对紧邻建筑一侧隧道的沉降产生了一定的影响，远离建筑一侧的隧道变形量相对较小，差异变形约3 mm；

（3）隧道的变形与作用于桩基础上的荷载呈线性关系，随着高层建筑主体结构的施工，建筑荷载的增大，隧道的变形影响也逐步增大，在邻近高层建筑区域内的隧道变形明显大于高层建筑区域以外，说明建筑加载是造成隧道沉降的主要因素之一；

（4）隧道的沉降量主要取决于结构下卧土层的变形量，超高层建筑荷载对邻近隧道的影响主要是荷载在深部土层的桩土应力传递和附加变形；

（5）通过分析近距离高层建筑施工对隧道变形的影响，并总结了近高层建筑区域性地面沉降变化，得出隧道变形规律与区域地面沉降趋势之间具有很好的相似性，其变形规律是基本相同的。

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