鄰近建筑物的復合地基對上海地鐵M8線區間隧道的沉降影響研究
【摘 要】：針對越來越普遍的鄰近建筑物柔性樁復合地基沉降對地鐵區間隧道的影響，進行了三維數值模擬研究。作者在進行了多次類似工程三維數值分析的基礎上，總結出一套適合實際工程操作的三維數值模擬方法，包括計算參數的取值，計算工況的分析，以及土體變形的時效特性對計算結果及分析的影響。并對周圍已有建筑物﹑樁-土的相互作用及隧道初始應力的影響進行了分析。最后筆者將三維計算結果與按規范公式計算的值進行了比較，證明此三維數值模擬方法的合理性。
【關鍵詞】：鄰近建筑物，樁基，地鐵區間隧道，三維有限元
作者簡介：熊燕斌（1975-）,男,江西人,碩士,2000年畢業于清華大學水利系，主要從事地下結構及巖土工程的數值分析與設計工作
XIONG Yan-bin, YANG Zhi-hao, FAN Yi-qun
(Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Institute, Shanghai, 200070, China)
Abstract: In this paper, the settlement of the tunnels of Shanghai’s Metro Line No.8 which is adjacent to existing flexible pile foundations of close-space buildings is studied with 3D finite element numerical simulation method. Based on the experience of many similar projects the authors have worked on, the authors summarize a method that is convenient to apply to the practical engineering. This method includes the decision of parameters of soil, piles, and the relative structures, the calculation cases of different situation, and the consideration of time dependent behavior of cohesive soil. Moreover, the influence of existing buildings, soil-structure interaction, and the original stress of tunnels has been analysed carefully. At last, the calculation of 3D finite element is compared with that of the Chinese code, and it was proved to be reasonable.
Key Words: close-space buildings, pile foundations, metro tunnel, 3D FEA
1 概述
隨著我國城市軌道交通和房地產業的快速發展，軌道交通線周圍將有越來越多的鄰近建筑物。上海是一人口密集城市，建筑密度很高，同時由于上海地質條件較差，絕大多數建筑物都進行過地基處理。在發展軌道交通的同時，不可避免要面對鄰近建筑物及其各種地基對車站和區間隧道的影響。有時，建筑物不僅僅是鄰近隧道，而是直接位于它們之上，這必將對隧道的施工和正常使用產生很大影響。因此，為了把對環境的影響減少到最低限度[1]，有必要為這種建筑物對隧道的影響進行研究分析。
天然地基和其中的增強體形成復合地基，柔性樁復合地基具有施工方便，承載力高，地基變形小的優點[2]。中保人壽上海市市東支公司營業培訓部辦公樓（以下簡稱中保辦公樓）正位于地鐵M8線鞍山新村站與四平路站之間的區間隧道上，整個地基采用水泥土攪拌樁加固，形成復合地基。為了保證此辦公樓興建后的基礎后期沉降不影響地鐵M8線區間圓隧道的安全及正常運營（如區間隧道結構沉降量及其縱向沉降曲線曲率變化等）。筆者對此進行了三維數值模擬研究。
2 工程基礎資料
2.1 工程概況
根據2003年5月上海某設計院提供的“中保人壽市東支公司營業樓設計方案”，本辦公樓由5層, 局部3層單一建筑組成，其中地上部分建筑面積為3284m2，建筑層數3～5層，建筑高度16.0m;地下部分建筑面積783m2. 為地下一層停車庫，層高取4.2m。底板厚400mm，為梁筏基礎。擬建中的地鐵M8線區間圓隧道將從該地塊中間穿越，隧道中心標高為-11.85m左右（絕對標高），參見下圖1。
圖1 平面布置圖
Fig.1 Plane graph
該辦公樓下采用8米長的水泥土攪拌樁加固地基，樁尖標高為-4.5m（絕對標高），距隧道頂只有4.25m的距離，盡管能滿足隧道施工的要求，但對區間隧道施工安全和地鐵的正常使用有明顯影響。地鐵M8線區間圓形隧道采用盾構法施工，襯砌結構為單層裝配式鋼筋混凝土管片，襯砌外徑f6.2m，內徑f5.5m，管片厚35cm。
2.2 工程地質
根據巖土工程勘察報告[3]，本場地自地表至35.0m深度范圍內所揭露的土層均為第四紀松散沉積物，按其成因可分為6層，所見土層自上而下分別為：① 雜填土；②1褐黃色粘質粉土；②2灰色砂質粉土；④灰色淤泥質粘土；⑤1灰色粉質粘土；⑤2灰色粉質粘土夾砂。本場地在15m深度范圍內存在②2層灰色砂質粉土層，經標準貫入試驗判定為易液化土層，其液化指數小于5，為輕微液化等級。土的部分參數可參見表1。
2.3 對地鐵工程保護的控制標準
參照《上海市軌道交通管理條例》（后文簡稱《條例》），地鐵周邊建筑施工對隧道影響的主要控制標準為：
任意點的附加位移和沉降≤2cm。
施工引起的隧道的附加曲率半徑大于15000m，相對彎曲＜1/2500。
3 計算模型，計算工況及計算參數
3.1 計算模型
由于該辦公樓布置呈L型，區間隧道從其下部斜向穿越，用二維模型很難模擬整個辦公樓對隧道的影響，為此選擇三維模型進行計算，應用ALGOR FEA計算。該方案的計算模型見圖2﹑圖3。
?。?）計算邊界及對周圍已有建筑的考慮
根據圣維南原理及規范[6]，計算邊界的確定如下: 縱向長度為102m, 橫向寬度為101.4m, 深度范圍為隧道結構底21.5m。
由于周圍建筑均為已建建筑，它們的基礎沉降已趨于穩定，對地鐵M8線區間隧道的附加沉降影響很小，故在模型中不予考慮。
?。?）柔性樁-土之間的相互作用
本工程地基土采用水泥土攪拌樁加固，形成復合地基。由于水泥土攪拌樁等柔性樁和土之間的作用界限不如剛性樁和土之間明顯，加之本工程的荷載相對較小，樁和土體之間產生相對滑動的可能性不大，故模型中不設樁土之間的接觸面單元，當作連續體考慮。整個模型采用三維八節點塊體單元，保持各變形體之間的變形協調。
（3）隧道的初始應力
隧道施工完成后，承受來自周圍土體的作用力，由于隧道為圓形，本身的變形很有限，一般小于隧道外徑的1‰。另因本工程僅考慮鄰近建筑物引起的隧道附加沉降。故對隧道本身因初始應力引起的變形不予考慮。
3.2 計算工況
中保辦公樓工程擬于2003年9月開工，到2003年12月上旬全部完成地面主體結構，而地鐵M8上、下行線盾構計劃分別于2004年2月份和6月份從中保辦公樓基礎附近掘進通過。由于兩條隧道通過本地塊的時間不同，因此計算分兩個工況進行。工況一為上行線隧道已建好，下行線隧道待建，工況二為兩條隧道均已建好，計算網格參見圖4。兩個工況均考慮中保辦公樓工程剛建成即開始隧道的掘進。
3.3 計算參數
雖然地質報告僅提供了土體的壓縮模量ES0.1～0.2，以及e-p曲線，但在三維計算中需要土體的變形模量E0。僅從理論上分析，壓縮模量ES和變形模量E0有如下的關系式[4]：
但大量的實測值表明，上式和實測值之間還有相當大的出入。故實際應用中常在前加一經驗系數x，(1)式變為：
上式中：x的值與土的種類和壓縮性密切相關，實際工程中需按一定經驗取值，E0/Es的經驗取值可參考[4]。Es為每層土從自重應力至自重應力加附加應力作用時的壓縮模量。本工程計算中取用的參數見表1。
4 計算結果分析
中保辦公樓工程的水泥土攪拌樁樁尖坐落于②2層灰色砂質粉土中，由于下臥層是第④層土,該土層壓縮性較高，因此需考慮較多的基礎后期沉降對地鐵區間圓隧道的影響。盡管樁的后期沉降和它的周圍土層以及下臥土層的固結有關，但由于本工程地基為整體加固，樁土的相互作用僅存在整個復合地基的邊界位置，另外，由于第④層土較厚，達9.96m，其下土體的附加應力較小，故本工程主要考慮第④層土固結的影響。根據計算，該層土的固結度（Qt）隨時間(t)變化曲線見圖5，因此基礎某一時間的沉降量St= Qt·S∞。 根據此曲線，中保辦公樓工程建成2個月和6個月后，基礎將完成總沉降量的20%和40%，在本文中，考慮地鐵M8線上、下行隧道分別承擔此辦公樓復合樁基80%和60%的沉降量。
4.1 工況一分析
從圖6可知，盡管復合地基下臥層為第④層，壓縮量較大，但由于地下室開挖深度較大 ，開挖使土體卸荷，有效地減少了因上部結構所引起的地基中附加應力，因此基礎沉降量不大，為3.4cm，由此引起的地鐵區間隧道附加沉降為1.34cm?？紤]工程實施中，上行線區間隧道在本工程主體結構封頂2個月后掘進通過，從圖5可以看出，本工程主體結構竣工2。
個月后第④層土的固結度可以達到20%左右，這樣，實際工程中因基礎沉降引起上行線區間隧道最終的附加沉降量為1.34x0.8=1.07cm，滿足《條例》中附加沉降≤2cm的要求。
4.2 工況二分析
從圖7可知，盡管由于地下室開挖深度較大，有效地減少了地基中的附加應力，但由于下行線區間隧道距復合地基主荷載分布區的距離較小，區間隧道的附加沉降量達到1.69cm。考慮工程實施中，下行線區間隧道在本工程主體結構封頂6個月后掘進通過，從圖5可以看出，本工程主體結構竣工6個月后第④層土的固結度可以達到40%左右，這樣，實際工程中因基礎沉降引起區間隧道最終的附加沉降量為1.69x0.6=1.01cm，同樣滿足《條例》中附加沉降≤2cm的要求。
綜合上述三維模型的沉降計算結果,還可得到以下相關結果，見表2。
由上表可知，隧道的附加曲率半徑和最大相對彎曲也均滿足《條例》的要求。
4.3 與規范公式計算結果比較：
按設計單位提供的計算書，以上海市規范[6]和國家規范[7]中的公式為依據，計算出的基礎最大沉降量為3.1cm，與筆者三維計算的3.4cm稍有出入。分析下來主要是：設計單位提供的計算書僅僅計算了五層主樓的荷載，沒有考慮三層輔樓荷載對主樓的基礎沉降產生的影響。而三維計算中考慮了此輔樓的荷載，用以確保區間隧道的施工和使用安全。這樣造成三維計算結果比規范公式算出的偏大。但偏差的幅度在可接受范圍之內，由此也說明此三維數值計算結果的合理性。
5 結論
通過上面的計算與分析，作者得出以下結論：
5．1 盡管線彈性的土體本構模型不能象非線性﹑彈塑性等復雜本構模型一樣更精確地反應土的特性，但由于其參數的取值和計算相對方便，通過一定的工程實踐經驗對參數進行修正，三維數值計算結果仍具有較高的可信度和參考價值。從而為該辦公樓工程建設工期的合理安排，以及區間隧道的施工×﹑使用安全提供了重要的參考依據。
5．2 在實際研究中，應仔細分析各影響因素，盡可能簡化模型。本文在考慮了本工程周圍已經建好的各種建筑物﹑土-結構的相互作用和隧道的初始應力對區間隧道可能存在影響的基礎上，認真分析，逐一排除，達到簡化模型的目的，提高了效率。
5．3 施工時間的合理控制有時會成為關鍵因素。從本文對中保辦公樓的分析可以知道：在考慮了土的固結效應之后，本工程地基沉降對隧道的影響大大減少。在有的工程中，土的固結時效往往會成為決定因素：有時，計算出的區間隧道附加沉降大于2cm，不能滿足條例的要求，但在考慮了施工時土的固結時效后，最后的隧道附加沉降就可能控制在條例規定的范圍之內。
參考文獻：
1 深圳地鐵隧道鄰接樁基施工力學行為研究[J] 張志強﹑何川 巖土工程學報，Vol.25, No.2, 2003, P204~207,
2 樁土共同作用設計理論研究[J] 鄭俊杰﹑彭小榮 巖土力學，Vol.24，No.2，2003, P242~245
3 中保人壽市東支公司營業樓巖土工程勘察報告[R] 上海市楊浦區工程地質勘察公司，2003
4 土質學與土力學[M] 洪毓康，人民交通出版社，1995
5 基坑工程手冊[M] 劉建航﹑侯學淵，中國建筑工業出版社，1997
6 地基基礎設計規范[S] DGJ08-11-1999
7 建筑地基基礎設計規范[S] GB 50007-2002
文章出處：《城建集團第三屆科技大會論大集》
