邻近建筑物的复合地基对上海地铁M8线区间隧道的沉降影响研究
【摘 要】：针对越来越普遍的邻近建筑物柔性桩复合地基沉降对地铁区间隧道的影响，进行了三维数值模拟研究。作者在进行了多次类似工程三维数值分析的基础上，总结出一套适合实际工程操作的三维数值模拟方法，包括计算参数的取值，计算工况的分析，以及土体变形的时效特性对计算结果及分析的影响。并对周围已有建筑物﹑桩-土的相互作用及隧道初始应力的影响进行了分析。最后笔者将三维计算结果与按规范公式计算的值进行了比较，证明此三维数值模拟方法的合理性。
【关键词】：邻近建筑物，桩基，地铁区间隧道，三维有限元
作者简介：熊燕斌（1975-）,男,江西人,硕士,2000年毕业于清华大学水利系，主要从事地下结构及岩土工程的数值分析与设计工作
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
随着我国城市轨道交通和房地产业的快速发展，轨道交通线周围将有越来越多的邻近建筑物。上海是一人口密集城市，建筑密度很高，同时由于上海地质条件较差，绝大多数建筑物都进行过地基处理。在发展轨道交通的同时，不可避免要面对邻近建筑物及其各种地基对车站和区间隧道的影响。有时，建筑物不仅仅是邻近隧道，而是直接位于它们之上，这必将对隧道的施工和正常使用产生很大影响。因此，为了把对环境的影响减少到最低限度[1]，有必要为这种建筑物对隧道的影响进行研究分析。
天然地基和其中的增强体形成复合地基，柔性桩复合地基具有施工方便，承载力高，地基变形小的优点[2]。中保人寿上海市市东支公司营业培训部办公楼（以下简称中保办公楼）正位于地铁M8线鞍山新村站与四平路站之间的区间隧道上，整个地基采用水泥土搅拌桩加固，形成复合地基。为了保证此办公楼兴建后的基础后期沉降不影响地铁M8线区间圆隧道的安全及正常运营（如区间隧道结构沉降量及其纵向沉降曲线曲率变化等）。笔者对此进行了三维数值模拟研究。
2 工程基础资料
2.1 工程概况
根据2003年5月上海某设计院提供的“中保人寿市东支公司营业楼设计方案”，本办公楼由5层, 局部3层单一建筑组成，其中地上部分建筑面积为3284m2，建筑层数3～5层，建筑高度16.0m;地下部分建筑面积783m2. 为地下一层停车库，层高取4.2m。底板厚400mm，为梁筏基础。拟建中的地铁M8线区间圆隧道将从该地块中间穿越，隧道中心标高为-11.85m左右（绝对标高），参见下图1。
图1 平面布置图
Fig.1 Plane graph
该办公楼下采用8米长的水泥土搅拌桩加固地基，桩尖标高为-4.5m（绝对标高），距隧道顶只有4.25m的距离，尽管能满足隧道施工的要求，但对区间隧道施工安全和地铁的正常使用有明显影响。地铁M8线区间圆形隧道采用盾构法施工，衬砌结构为单层装配式钢筋混凝土管片，衬砌外径f6.2m，内径f5.5m，管片厚35cm。
2.2 工程地质
根据岩土工程勘察报告[3]，本场地自地表至35.0m深度范围内所揭露的土层均为第四纪松散沉积物，按其成因可分为6层，所见土层自上而下分别为：① 杂填土；②1褐黄色粘质粉土；②2灰色砂质粉土；④灰色淤泥质粘土；⑤1灰色粉质粘土；⑤2灰色粉质粘土夹砂。本场地在15m深度范围内存在②2层灰色砂质粉土层，经标准贯入试验判定为易液化土层，其液化指数小于5，为轻微液化等级。土的部分参数可参见表1。
2.3 对地铁工程保护的控制标准
参照《上海市轨道交通管理条例》（后文简称《条例》），地铁周边建筑施工对隧道影响的主要控制标准为：
任意点的附加位移和沉降≤2cm。
施工引起的隧道的附加曲率半径大于15000m，相对弯曲＜1/2500。
3 计算模型，计算工况及计算参数
3.1 计算模型
由于该办公楼布置呈L型，区间隧道从其下部斜向穿越，用二维模型很难模拟整个办公楼对隧道的影响，为此选择三维模型进行计算，应用ALGOR FEA计算。该方案的计算模型见图2﹑图3。
（1）计算边界及对周围已有建筑的考虑
根据圣维南原理及规范[6]，计算边界的确定如下: 纵向长度为102m, 横向宽度为101.4m, 深度范围为隧道结构底21.5m。
由于周围建筑均为已建建筑，它们的基础沉降已趋于稳定，对地铁M8线区间隧道的附加沉降影响很小，故在模型中不予考虑。
（2）柔性桩-土之间的相互作用
本工程地基土采用水泥土搅拌桩加固，形成复合地基。由于水泥土搅拌桩等柔性桩和土之间的作用界限不如刚性桩和土之间明显，加之本工程的荷载相对较小，桩和土体之间产生相对滑动的可能性不大，故模型中不设桩土之间的接触面单元，当作连续体考虑。整个模型采用三维八节点块体单元，保持各变形体之间的变形协调。
（3）隧道的初始应力
隧道施工完成后，承受来自周围土体的作用力，由于隧道为圆形，本身的变形很有限，一般小于隧道外径的1‰。另因本工程仅考虑邻近建筑物引起的隧道附加沉降。故对隧道本身因初始应力引起的变形不予考虑。
3.2 计算工况
中保办公楼工程拟于2003年9月开工，到2003年12月上旬全部完成地面主体结构，而地铁M8上、下行线盾构计划分别于2004年2月份和6月份从中保办公楼基础附近掘进通过。由于两条隧道通过本地块的时间不同，因此计算分两个工况进行。工况一为上行线隧道已建好，下行线隧道待建，工况二为两条隧道均已建好，计算网格参见图4。两个工况均考虑中保办公楼工程刚建成即开始隧道的掘进。
3.3 计算参数
虽然地质报告仅提供了土体的压缩模量ES0.1～0.2，以及e-p曲线，但在三维计算中需要土体的变形模量E0。仅从理论上分析，压缩模量ES和变形模量E0有如下的关系式[4]：
但大量的实测值表明，上式和实测值之间还有相当大的出入。故实际应用中常在前加一经验系数x，(1)式变为：
上式中：x的值与土的种类和压缩性密切相关，实际工程中需按一定经验取值，E0/Es的经验取值可参考[4]。Es为每层土从自重应力至自重应力加附加应力作用时的压缩模量。本工程计算中取用的参数见表1。
4 计算结果分析
中保办公楼工程的水泥土搅拌桩桩尖坐落于②2层灰色砂质粉土中，由于下卧层是第④层土,该土层压缩性较高，因此需考虑较多的基础后期沉降对地铁区间圆隧道的影响。尽管桩的后期沉降和它的周围土层以及下卧土层的固结有关，但由于本工程地基为整体加固，桩土的相互作用仅存在整个复合地基的边界位置，另外，由于第④层土较厚，达9.96m，其下土体的附加应力较小，故本工程主要考虑第④层土固结的影响。根据计算，该层土的固结度（Qt）随时间(t)变化曲线见图5，因此基础某一时间的沉降量St= Qt·S∞。 根据此曲线，中保办公楼工程建成2个月和6个月后，基础将完成总沉降量的20%和40%，在本文中，考虑地铁M8线上、下行隧道分别承担此办公楼复合桩基80%和60%的沉降量。
4.1 工况一分析
从图6可知，尽管复合地基下卧层为第④层，压缩量较大，但由于地下室开挖深度较大 ，开挖使土体卸荷，有效地减少了因上部结构所引起的地基中附加应力，因此基础沉降量不大，为3.4cm，由此引起的地铁区间隧道附加沉降为1.34cm。考虑工程实施中，上行线区间隧道在本工程主体结构封顶2个月后掘进通过，从图5可以看出，本工程主体结构竣工2。
个月后第④层土的固结度可以达到20%左右，这样，实际工程中因基础沉降引起上行线区间隧道最终的附加沉降量为1.34x0.8=1.07cm，满足《条例》中附加沉降≤2cm的要求。
4.2 工况二分析
从图7可知，尽管由于地下室开挖深度较大，有效地减少了地基中的附加应力，但由于下行线区间隧道距复合地基主荷载分布区的距离较小，区间隧道的附加沉降量达到1.69cm。考虑工程实施中，下行线区间隧道在本工程主体结构封顶6个月后掘进通过，从图5可以看出，本工程主体结构竣工6个月后第④层土的固结度可以达到40%左右，这样，实际工程中因基础沉降引起区间隧道最终的附加沉降量为1.69x0.6=1.01cm，同样满足《条例》中附加沉降≤2cm的要求。
综合上述三维模型的沉降计算结果,还可得到以下相关结果，见表2。
由上表可知，隧道的附加曲率半径和最大相对弯曲也均满足《条例》的要求。
4.3 与规范公式计算结果比较：
按设计单位提供的计算书，以上海市规范[6]和国家规范[7]中的公式为依据，计算出的基础最大沉降量为3.1cm，与笔者三维计算的3.4cm稍有出入。分析下来主要是：设计单位提供的计算书仅仅计算了五层主楼的荷载，没有考虑三层辅楼荷载对主楼的基础沉降产生的影响。而三维计算中考虑了此辅楼的荷载，用以确保区间隧道的施工和使用安全。这样造成三维计算结果比规范公式算出的偏大。但偏差的幅度在可接受范围之内，由此也说明此三维数值计算结果的合理性。
5 结论
通过上面的计算与分析，作者得出以下结论：
5．1 尽管线弹性的土体本构模型不能象非线性﹑弹塑性等复杂本构模型一样更精确地反应土的特性，但由于其参数的取值和计算相对方便，通过一定的工程实践经验对参数进行修正，三维数值计算结果仍具有较高的可信度和参考价值。从而为该办公楼工程建设工期的合理安排，以及区间隧道的施工×﹑使用安全提供了重要的参考依据。
5．2 在实际研究中，应仔细分析各影响因素，尽可能简化模型。本文在考虑了本工程周围已经建好的各种建筑物﹑土-结构的相互作用和隧道的初始应力对区间隧道可能存在影响的基础上，认真分析，逐一排除，达到简化模型的目的，提高了效率。
5．3 施工时间的合理控制有时会成为关键因素。从本文对中保办公楼的分析可以知道：在考虑了土的固结效应之后，本工程地基沉降对隧道的影响大大减少。在有的工程中，土的固结时效往往会成为决定因素：有时，计算出的区间隧道附加沉降大于2cm，不能满足条例的要求，但在考虑了施工时土的固结时效后，最后的隧道附加沉降就可能控制在条例规定的范围之内。
参考文献：
1 深圳地铁隧道邻接桩基施工力学行为研究[J] 张志强﹑何川 岩土工程学报，Vol.25, No.2, 2003, P204~207,
2 桩土共同作用设计理论研究[J] 郑俊杰﹑彭小荣 岩土力学，Vol.24，No.2，2003, P242~245
3 中保人寿市东支公司营业楼岩土工程勘察报告[R] 上海市杨浦区工程地质勘察公司，2003
4 土质学与土力学[M] 洪毓康，人民交通出版社，1995
5 基坑工程手册[M] 刘建航﹑侯学渊，中国建筑工业出版社，1997
6 地基基础设计规范[S] DGJ08-11-1999
7 建筑地基基础设计规范[S] GB 50007-2002
文章出处：《城建集团第三届科技大会论大集》
