李忠友， 楊立志， 汪　晟， 文艷玉， 弓　箭

(中國航空港建設(shè)第八工程總隊(duì)， 遼寧沈陽 110021)

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某商業(yè)樓與地鐵站相互影響分析

李忠友， 楊立志， 汪晟， 文艷玉， 弓箭

(中國航空港建設(shè)第八工程總隊(duì)， 遼寧沈陽 110021)

【摘要】隨著城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵與臨近建筑物之間的相互影響日益受到關(guān)注。采用有限元計(jì)算軟件，對重慶雙薪時(shí)代商業(yè)樓與歇臺子地鐵站及2號出口之間的相互影響進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果表明，地鐵開挖會引起地面建筑變形增大，建筑荷載又會導(dǎo)致地鐵襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布不均，但二者相互作用較小不會對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生重大影響。

【關(guān)鍵詞】地鐵；臨近建筑；有限元；相互影響

近年來，隨著城市隧道的飛速發(fā)展，城市隧道與鄰近建筑物之間的相互影響日益受到工程界的重視，特別是隧道開挖對鄰近樁基礎(chǔ)的影響研究尤為深入[1-6]。重慶雙薪時(shí)代商業(yè)樓建于地鐵5號線歇臺子車站旁，為一棟商業(yè)用房(8F/-1F)，該建筑為樁基礎(chǔ)框架結(jié)構(gòu)，建筑平面如圖1所示。

圖1　地面建筑與歇臺子地鐵站平面示意

該場地地形為淺丘斜坡地帶，地形平緩，坡角為5°～10°，場地最高點(diǎn)位于勘察區(qū)東南處，達(dá)327.60m，最低高程為325.08m，相對高差約2.52m。地面建筑四周緊鄰地鐵5號線歇臺子車站及其2號出入口通道，地鐵站2號出入口通道距離地面建筑最近側(cè)樁基礎(chǔ)中心線的水平距離僅為2.34m。本文計(jì)算時(shí)選擇最不利剖面，即南北走向上自北向南第三排樁所處剖面，樁基礎(chǔ)底設(shè)計(jì)高程為315.0m，比2號出入口相應(yīng)位置通道高出8.25m，比地鐵站高出34.53m，如圖2所示。

圖2　地面建筑與歇臺子地鐵站剖面示意(單位:mm)

由于地鐵5號線將在地面建筑修建完畢之后施工，因而地鐵5號線的施工對地面建筑的影響以及地面建筑對地鐵5號線的安全是否存在影響、影響程度如何，需要進(jìn)行安全論證。本文利用有限元軟件對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析重慶雙薪時(shí)代商業(yè)樓與地鐵5號線歇臺子地鐵站及其2號出入口通道之間的相互影響。

1本構(gòu)模型及材料參數(shù)

材料模型采用彈塑性本構(gòu)模型，即ANSYS中的Drucker-Prager模型。但是ANSYS程序采用的屈服準(zhǔn)則是摩爾-庫侖不等角六邊形外接圓D-P屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則在π平面上的屈服曲線是通過摩爾-庫侖不等角六角形外角點(diǎn)的外接圓。計(jì)算表明，采用該準(zhǔn)則與傳統(tǒng)摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的計(jì)算結(jié)果有較大誤差，不管是評價(jià)邊坡穩(wěn)定性，還是地基極限承載力等等，在實(shí)際工程中如果采用該準(zhǔn)則是偏于不安全的[7-10]。因此需要對該屈服準(zhǔn)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變摩爾-庫倫匹配D-P準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則在平面應(yīng)變條件下與摩爾-庫倫準(zhǔn)則等效[8]。

根據(jù)勘察單位提供的勘察報(bào)告確定巖土材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2數(shù)值計(jì)算模型

基坑開挖線與地鐵車站隧道平行，選擇最危險(xiǎn)剖面按平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。計(jì)算采用美國大型有限元計(jì)算軟件ANSYS軟件進(jìn)行，其中巖土體用平面實(shí)體單元PLANE82模擬，襯砌結(jié)構(gòu)采用梁單元BEAM3模擬。地鐵5號線車站隧道襯砌厚度800mm，梁單元采用慣性矩I1=0.0427，2號出入口通道襯砌厚度500mm，慣性矩為I2=0.0104。有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

表1　材料力學(xué)參數(shù)

圖3　有限元網(wǎng)格劃分

有限元模型邊界條件：底部固定，左、右兩側(cè)水平約束，巖土體重力荷載通過設(shè)置重力加速度的方式模擬。地面建筑荷載通過線荷載的方式施加在樁底。根據(jù)建設(shè)方提供的基礎(chǔ)布置圖及底層柱、墻最大組合內(nèi)力簡圖，從左至右各建筑樁傳遞的最大豎向荷載依次為：375.5kN、5 161.8kN、4 461.3kN、4 081.7kN、11 464.5kN、14 526.5kN、13 134.9kN和6 894.1kN。

3計(jì)算結(jié)果分析

由于彈塑性材料最終應(yīng)力和變形與加載的歷史有關(guān)，為了模擬真實(shí)狀態(tài)，計(jì)算仿照施工順序按以下4個(gè)步驟來進(jìn)行計(jì)算：(1)計(jì)算初始應(yīng)力狀態(tài)；(2)隧道和通道開挖支護(hù)；(3)開挖基坑并設(shè)置抗滑樁；(4)在樁上施加建筑荷載。

隧道施工完畢后，整體應(yīng)力和位移分布如圖4和圖5所示。圖中顯示的應(yīng)力和位移的單位為國際標(biāo)準(zhǔn)單位(位移的單位為m，應(yīng)力的單位為Pa，力的單位為N，彎矩的單位為N·m)。從計(jì)算結(jié)果中可以看出，地面建筑與地鐵站及2號出口通道之間存在一定的相互影響，主要表現(xiàn)在地面建筑荷載引起地鐵隧道左右兩側(cè)圍巖應(yīng)力分布不均，而隧道開挖施工又會引起地面建筑地基變形增大。

圖4　隧道施工后的應(yīng)力分布

圖5　隧道施工后的位移分布

3.1位移計(jì)算結(jié)果

為詳細(xì)展示地基及襯砌結(jié)構(gòu)的位移趨勢，圖6～圖8為隧道施工完成后，地面建筑樁基礎(chǔ)、地鐵站和2號出口通道襯砌結(jié)構(gòu)的位移矢量圖(圖中所示結(jié)果中均已扣除隧道施工前的初始位移)。計(jì)算結(jié)果表明，由于地鐵站斷面較大，因而在隧道施工后會引起建筑樁基礎(chǔ)出現(xiàn)一定程度的下沉，特別是越靠近地鐵站軸線一側(cè)，下沉就較為明顯。樁基兩側(cè)最大和最下下沉量分別為0.71mm和3.27mm，考慮到地面建筑垂直于地鐵站軸線長度為56m，因而沉降差滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，不會對地面建筑安全性造成影響。隧道施工后，地鐵站襯砌最大豎向變形7.08mm，2號出口最大豎向變形1.41mm。

圖6　隧道施工后樁基位移矢量

圖7　隧道施工后地鐵站位移矢量

圖8　隧道施工后2號出口位移矢量

3.2內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖9～圖11為地鐵站彎矩、剪力和軸力分布圖。計(jì)算結(jié)果表明：地鐵站彎矩最大值為715kN·m，發(fā)生在左側(cè)拱腳處；剪力最大值為595kN，發(fā)生在左側(cè)拱腳處；最大軸向壓力為4 770kN，發(fā)生在左側(cè)靠近拱腳處；最大軸向拉力為534kN，發(fā)生在拱底中部。可見地面建筑荷載會導(dǎo)致地鐵站襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)內(nèi)力分布不均，但其內(nèi)力最大值仍在設(shè)計(jì)安全值范圍之內(nèi)，不會對結(jié)構(gòu)安全性造成影響。

圖9　地鐵站襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布

圖10　地鐵站襯砌結(jié)構(gòu)剪力分布

圖11　地鐵站襯砌結(jié)構(gòu)軸力分布

圖12～圖14為2號出口彎矩、剪力和軸力分布圖。計(jì)算結(jié)果表明：2號出口彎矩最大值為298kN·m，發(fā)生在右側(cè)拱腳處；剪力最大值為343kN，發(fā)生在右側(cè)拱腳處；最大軸向壓力為1 660kN，發(fā)生在右側(cè)靠近拱腳處；最大軸向拉力為360kN，發(fā)生在拱底中部。由于2號出口距建筑樁基較近，受其影響較大，但其內(nèi)力最大值仍在設(shè)計(jì)安全值范圍之內(nèi)，不會對結(jié)構(gòu)安全性造成影響。

圖12　2號出口襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布

圖13　2號出口襯砌結(jié)構(gòu)剪力分布

圖14　2號出口襯砌結(jié)構(gòu)軸力分布

4結(jié)束語

(1)在本工程中，地鐵隧道施工引起地面建筑沉降最大值為3.27mm，最小沉降0.71mm，沉降量及沉降差均較小，不會對地面建筑的安全產(chǎn)生影響。

(2)地面建筑荷載會導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布不均，臨近地面建筑一側(cè)內(nèi)力有所增大，但其最大值仍在設(shè)計(jì)安全值范圍之內(nèi)，不會對隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

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[作者簡介]李忠友(1983～),男,博士，工程師，從事巖土工程穩(wěn)定性研究。

【中圖分類號】U452.2+5

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-30