1.重庆市勘测院 重庆 400020；
2.重庆市岩土工程技术研究中心 重庆 400020；
3.河南理工大学 安全科学与工程学院 河南焦作 454000
摘要：近年来，山地城市重庆轨道交通建设快速发展，在既有轨道交通隧道附近修建建筑物，如何确保轨道结构安全已成为目前社会关注的焦点。依托重庆某实际工程，基于Midas/GTS NX 2017 R1有限元软件建立建筑物-隧道二维、三维数值计算模型，对建筑物施工进行模拟，得到建筑物地基开挖和建筑修建对明、暗挖两种隧道变形的影响，分析施工过程中轨道交通隧道结构弯矩、轴力、剪力等受力情况，并进行隧道衬砌内力验算。数值模拟分析结果表明，建筑物施工影响轨道隧道最大竖向位移、最大横向位移增量值、二次衬砌结构关键部位最小安全系和最大裂缝宽度，均满足相关规范要求。数值模拟计算结果验证了该建筑物针对轨道交通结构安全保护设计的可靠性和安全性，并可以有效指导施工，同时，该分析方法也为山地城市其他类似工程提供了经验。
关键词：山地城市 建筑物施工 轨道交通隧道 隧道变形 安全影响分析
Analysis of the safety impact of building construction of mountain city on adjacent existing rail transit tunnels
WANG Xinsheng1，2，Zuo Weiqin3
（1，Chongqing Survey Institute，Chongqing，400020，China；2，Chongqing Engineering Research Center of Geotechnical Engineering，Chongqing，400020，China；3，School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454000，China）
Keywords：mountain city；building construction；rail transit tunnel；tunnel deformation；safety impact analysis
1 引言
近年来，大城市交通拥堵情况日趋严重，以轨道交通为代表的公共交通建设快速发展，轨道交通隧道大规模修建，在既有轨道交通隧道附近修建建筑物的安全问题也逐渐凸显出来[1-2]。
Huang等[3]建立了软土地区基坑开挖导致下穿隧道变形的经验公式；张治国等[4]提出了软土地区基坑开挖对下穿隧道纵向变形受力的计算方法。Chen等[5]采用有限元分析了基坑开挖和围护桩施工对既有隧道的影响。目前，国内关于山地城市建筑物施工对邻近既有轨道交通结构影响的安全研究较少。论文依托山地城市重庆某实际工程，基于Midas/GTS NX 2017 R1软件，对拟建建筑物邻近轨道交通隧道施工进行模拟，分析拟建建筑物在基坑开挖、建筑修建两个阶段邻近隧道的变形情况、衬砌弯矩、衬砌轴力、衬砌剪力、衬砌开裂情况，研究施工对轨道交通结构安全的影响。
2 工程概况
拟建工程为生产仓储及配套用房为一体的建筑，包括1#~6#楼，采用现浇框架结构，结构设计安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。基础采用人工挖孔桩基础，持力层为中风化泥岩。该工程位于轨道交通控制保护区范围内，受影响段为区间隧道，如图1所示。
图1 平面位置关系图（单位：m）
基坑开挖靠轨道侧边坡高度约为7~10m，上部土坡采用1：1.5放坡后喷射混凝土支护；下部岩坡采用肋柱式锚杆+喷射混凝土支护，锚杆挡墙锚杆端部距离轨道结构最小距离约为6.35m，基坑边线距离轨道结构边线水平距离为9.37~21.24m。
3 典型断面选择
根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）和《城市轨道交通结构检测监测技术标准》（DBJ50/T-271-2017），影响风险等级划分如表1所示：
表1 外部作业影响等级划分
为此，分别选择可能对轨道隧道明、暗挖段影响最大的1-1、8-8断面进行数值模拟。其中，1-1断面采用二维模型，8-8断面影响等级为特级，为使模拟结果更加精确，采用三维模型进行分析。
4 二维有限元模拟分析
4.1 计算参数选取与荷载
4.1.1计算参数选取
计算采用Midas/GTS NX 2017 R1有限元通用软件进行分析，岩土体的弹性屈服准则为Mohr－Coulomb准则。岩土体的计算参数根据轨道勘察和拟建项目勘察报告进行取值，弹性模量、粘聚力、摩擦角取两者较小值，泊松比取两者较大值，如表2所示。
表2 模型计算参数
4.1.2计算荷载
包含结构自重、车辆荷载（20kPa）、建筑基础荷载、建筑基础水平力，建筑基础荷载加载位置为建筑桩基顶部，基础水平力取建筑风荷载和地震荷载中的较大值。
4.2 剖面1-1平面有限元计算分析
1-1剖面位于4#楼（6F/-2F），如图2所示，建筑物基础为桩基，基础与轨道结构水平距离为9.64m，竖向距离为1.63m；基坑开挖高度为8.32m，基坑底部与隧道顶部竖向距离为7.63m。隧道结构处于中风化砂质泥岩中，深埋，围岩等级为Ⅳ级。
图2 1-1剖面图（单位：m）
4.2.1 计算说明
1）计算工况
整个计算采用2个工况进行模拟，分别为基坑开挖和建筑修建2个施工阶段。
2）模拟采用单元与边界条件
隧道衬砌和建筑桩基结构采用梁单元模拟，边坡支护锚杆采用杆单元模拟，计算范围内围岩和土体以及建筑采用平面应变单元模拟。计算模型的底面约束竖向自由度，侧面约束水平自由度，地表为自由面。各工况下有限元模型如图3所示。
图3 网格模型
4.2.2 结果分析
基坑开挖和建筑修建后引起的轨道隧道位移增量如图4、图5所示。
图5 建筑修建引起隧道位移增量（mm）（工况2）
各工况下项目施工引起的轨道隧道结构位移增量统计如表3所示，变形值较小，远小于规范要求的10mm变形限值，不影响轨道隧道正常运营和结构安全。
表3 1-1剖面各工况轨道隧道位移增量（单位：mm）
图7 轨道隧道衬砌轴力对比图（KN）
从验算结果可以看出，隧道衬砌各部位在关键工况下最小安全系数为12.1>2.0，最大裂缝宽度为0.01mm<0.2mm，故原衬砌结构截面及配筋满足承载能力及正常使用的要求。
5 三维有限元模拟分析
针对6#楼影响等级为特级部分建立有限元三维模型，计算分析建筑桩基开挖及加载对轨道结构影响。建筑基础为桩基，基础与轨道结构水平距离为5.7m，建筑靠轨道侧两排桩基底标高底于轨道结构底标高；隧道明挖施工箱型结构。
5.1 三维有限元模型
1）网格划分
计算范围内的地层结构采用三维实体单元模拟，轨道隧道衬砌采用板单元模拟。
2）三维模型计算荷载
包含结构自重、车辆荷载（20kPa）、建筑基础荷载、建筑基础水平力，建筑基础荷载加载位置为建筑桩基顶部，基础水平力取建筑风荷载和地震荷载中的较大值。
3）三维模型的计算边界条件
计算模型的底面约束竖直方向Z方向的自由度，侧面约束侧向X、Y方向的自由度，地表为自由面。
4）计算方法和岩、土体屈服准则
有限元软件通过激活、钝化单元的方法模拟开挖，建筑桩基荷载采用面荷载直接加载到桩基底面上，岩、土体材料屈服准则采用摩尔—库伦屈服准则。
5）计算步序
整个计算采用2个工况进行模拟，分为基坑开挖和建筑修建2个工况，如图9所示。
图9 有限元模型
5.2 三维有限元计算结果
各工况下引起轨道隧道变形如图10、图11所示。
图11 建筑修建引起的轨道隧道变形云图（工况2）（单位：mm）
各工况下引起轨道隧道结构位移如表7所示。基坑开挖引起的轨道结构变形可以忽略不计，建筑修建后，轨道结构产生的变形主要为竖向变形，最大值为-0.6mm，变形值较小，远小于规范要求的限值（10mm），不影响轨道区间隧道正常运营和结构安全。
表7 各工况下轨道结构位移值统计表（单位：mm）
6 结语
基于Midas/GTS NX 2017 R1有限元软件建立建筑物-隧道二维、三维数值计算模型，对邻近轨道交通隧道的建筑物施工进行模拟，得到建筑物基坑开挖和建筑修建对明、暗挖两种隧道变形的影响，分析轨道隧道结构弯矩、轴力、剪力等受力情况，并进行隧道衬砌内力验算，主要结论如下：
1）拟建建筑物施工引起轨道交通区间隧道最大竖向位移增量值为0.7mm，最大横向位移增量值为-0.3mm，位移在相关规范允许值范围内，表明设计方案及保护措施有效。
2）根据有限元模拟得出的轨道隧道结构弯矩、轴力、剪力等受力情况，对基坑开挖、建筑修建后轨道隧道衬砌内力进行验算，得出隧道二次衬砌结构关键部位最小安全系数12.1≥2.0，最大裂缝宽度0.01mm<0.2mm，满足《铁路隧道设计规范》规范要求。
参考文献：
[1]龚伦，吴金霖，梁振宁，马相峰，敖维林，王希元.上方挖方施工对既有隧道安全性影响研究[J].土木工程学报，2017，50（S2）：249-254.
[2]邹新宽，张继春，潘强，石洪超，李鹏川.连拱隧道近接重叠既有隧道时的施工性态数值模拟[J].江苏大学学报（自然科学版），2016，37（02）：225-230.
[3]Huang，A.，Wang，D.，Wang，Z. Rebound effects of running tunnels underneath an excavation[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21（3-4）：399-405.
[4]张治国，黄茂松，王卫东.邻近开挖对既有软土隧道的影响[J]. 岩土力学，2009，30（5）：1373-1380.
[5]Chen，J.，Wang，J.，Xiang，G.，Wen，S.，Du，Y. Numerical Study on the Movement of Existing Tunnel Due to Deep Excavation in Shanghai[J]. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA，2011，42（3）：30-40.
作者简介：
王新胜（1984-），男，山东莱芜人，高级工程师，主要从事岩土监测和评估方面的工作及研究。
基金项目：
中国博士后科学基金（2018M642749）
论文作者:王新胜1，2,左伟芹3
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/12
标签：隧道论文; 轨道论文; 结构论文; 荷载论文; 基坑论文; 建筑论文; 工况论文; 《防护工程》2019年10期论文;