某商业楼与地铁站相互影响分析

李忠友， 杨立志， 汪　晟， 文艳玉， 弓　箭

(中国航空港建设第八工程总队， 辽宁沈阳 110021)



某商业楼与地铁站相互影响分析

李忠友， 杨立志， 汪晟， 文艳玉， 弓箭

(中国航空港建设第八工程总队， 辽宁沈阳 110021)

【摘要】随着城市地铁建设的快速发展，地铁与临近建筑物之间的相互影响日益受到关注。采用有限元计算软件，对重庆双薪时代商业楼与歇台子地铁站及2号出口之间的相互影响进行分析。计算结果表明，地铁开挖会引起地面建筑变形增大，建筑荷载又会导致地铁衬砌结构内力分布不均，但二者相互作用较小不会对结构的安全性产生重大影响。

【关键词】地铁；临近建筑；有限元；相互影响

近年来，随着城市隧道的飞速发展，城市隧道与邻近建筑物之间的相互影响日益受到工程界的重视，特别是隧道开挖对邻近桩基础的影响研究尤为深入[1-6]。重庆双薪时代商业楼建于地铁5号线歇台子车站旁，为一栋商业用房(8F/-1F)，该建筑为桩基础框架结构，建筑平面如图1所示。

图1　地面建筑与歇台子地铁站平面示意

该场地地形为浅丘斜坡地带，地形平缓，坡角为5°～10°，场地最高点位于勘察区东南处，达327.60m，最低高程为325.08m，相对高差约2.52m。地面建筑四周紧邻地铁5号线歇台子车站及其2号出入口通道，地铁站2号出入口通道距离地面建筑最近侧桩基础中心线的水平距离仅为2.34m。本文计算时选择最不利剖面，即南北走向上自北向南第三排桩所处剖面，桩基础底设计高程为315.0m，比2号出入口相应位置通道高出8.25m，比地铁站高出34.53m，如图2所示。

图2　地面建筑与歇台子地铁站剖面示意(单位:mm)

由于地铁5号线将在地面建筑修建完毕之后施工，因而地铁5号线的施工对地面建筑的影响以及地面建筑对地铁5号线的安全是否存在影响、影响程度如何，需要进行安全论证。本文利用有限元软件对施工过程进行数值模拟，分析重庆双薪时代商业楼与地铁5号线歇台子地铁站及其2号出入口通道之间的相互影响。

1本构模型及材料参数

材料模型采用弹塑性本构模型，即ANSYS中的Drucker-Prager模型。但是ANSYS程序采用的屈服准则是摩尔-库仑不等角六边形外接圆D-P屈服准则，该准则在π平面上的屈服曲线是通过摩尔-库仑不等角六角形外角点的外接圆。计算表明，采用该准则与传统摩尔-库仑屈服准则的计算结果有较大误差，不管是评价边坡稳定性，还是地基极限承载力等等，在实际工程中如果采用该准则是偏于不安全的[7-10]。因此需要对该屈服准则进行转换，即转换为平面应变摩尔-库伦匹配D-P准则，该准则在平面应变条件下与摩尔-库伦准则等效[8]。

根据勘察单位提供的勘察报告确定岩土材料力学参数如表1所示。

2数值计算模型

基坑开挖线与地铁车站隧道平行，选择最危险剖面按平面应变模型进行分析。计算采用美国大型有限元计算软件ANSYS软件进行，其中岩土体用平面实体单元PLANE82模拟，衬砌结构采用梁单元BEAM3模拟。地铁5号线车站隧道衬砌厚度800mm，梁单元采用惯性矩I1=0.0427，2号出入口通道衬砌厚度500mm，惯性矩为I2=0.0104。有限元网格划分如图3所示。

表1　材料力学参数

图3　有限元网格划分

有限元模型边界条件：底部固定，左、右两侧水平约束，岩土体重力荷载通过设置重力加速度的方式模拟。地面建筑荷载通过线荷载的方式施加在桩底。根据建设方提供的基础布置图及底层柱、墙最大组合内力简图，从左至右各建筑桩传递的最大竖向荷载依次为：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计算结果分析

由于弹塑性材料最终应力和变形与加载的历史有关，为了模拟真实状态，计算仿照施工顺序按以下4个步骤来进行计算：(1)计算初始应力状态；(2)隧道和通道开挖支护；(3)开挖基坑并设置抗滑桩；(4)在桩上施加建筑荷载。

隧道施工完毕后，整体应力和位移分布如图4和图5所示。图中显示的应力和位移的单位为国际标准单位(位移的单位为m，应力的单位为Pa，力的单位为N，弯矩的单位为N·m)。从计算结果中可以看出，地面建筑与地铁站及2号出口通道之间存在一定的相互影响，主要表现在地面建筑荷载引起地铁隧道左右两侧围岩应力分布不均，而隧道开挖施工又会引起地面建筑地基变形增大。

图4　隧道施工后的应力分布

图5　隧道施工后的位移分布

3.1位移计算结果

为详细展示地基及衬砌结构的位移趋势，图6～图8为隧道施工完成后，地面建筑桩基础、地铁站和2号出口通道衬砌结构的位移矢量图(图中所示结果中均已扣除隧道施工前的初始位移)。计算结果表明，由于地铁站断面较大，因而在隧道施工后会引起建筑桩基础出现一定程度的下沉，特别是越靠近地铁站轴线一侧，下沉就较为明显。桩基两侧最大和最下下沉量分别为0.71mm和3.27mm，考虑到地面建筑垂直于地铁站轴线长度为56m，因而沉降差满足结构设计要求，不会对地面建筑安全性造成影响。隧道施工后，地铁站衬砌最大竖向变形7.08mm，2号出口最大竖向变形1.41mm。

图6　隧道施工后桩基位移矢量

图7　隧道施工后地铁站位移矢量

图8　隧道施工后2号出口位移矢量

3.2内力计算结果

图9～图11为地铁站弯矩、剪力和轴力分布图。计算结果表明：地铁站弯矩最大值为715kN·m，发生在左侧拱脚处；剪力最大值为595kN，发生在左侧拱脚处；最大轴向压力为4 770kN，发生在左侧靠近拱脚处；最大轴向拉力为534kN，发生在拱底中部。可见地面建筑荷载会导致地铁站衬砌结构两侧内力分布不均，但其内力最大值仍在设计安全值范围之内，不会对结构安全性造成影响。

图9　地铁站衬砌结构弯矩分布

图10　地铁站衬砌结构剪力分布

图11　地铁站衬砌结构轴力分布

图12～图14为2号出口弯矩、剪力和轴力分布图。计算结果表明：2号出口弯矩最大值为298kN·m，发生在右侧拱脚处；剪力最大值为343kN，发生在右侧拱脚处；最大轴向压力为1 660kN，发生在右侧靠近拱脚处；最大轴向拉力为360kN，发生在拱底中部。由于2号出口距建筑桩基较近，受其影响较大，但其内力最大值仍在设计安全值范围之内，不会对结构安全性造成影响。

图12　2号出口衬砌结构弯矩分布

图13　2号出口衬砌结构剪力分布

图14　2号出口衬砌结构轴力分布

4结束语

(1)在本工程中，地铁隧道施工引起地面建筑沉降最大值为3.27mm，最小沉降0.71mm，沉降量及沉降差均较小，不会对地面建筑的安全产生影响。

(2)地面建筑荷载会导致隧道衬砌结构内力分布不均，临近地面建筑一侧内力有所增大，但其最大值仍在设计安全值范围之内，不会对隧道衬砌结构安全产生影响。

参考文献

[1]李早,黄茂松.隧道施工条件下临近群桩水平力学反应分析方法[J]. 工业建筑， 2009(1):79-84.

[2]徐明,谢永宁.盾构隧道开挖对邻近单桩基础的影响 [J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2011(4):149-155.

[3]梁发云,于峰,李镜培,等.土体水平位移对邻近既有桩基承载性状影响分析 [J]. 岩土力学, 2010(2):449-454.

[4]韩进宝,熊巨华,孙庆,等.邻近桩基受隧道开挖影响的多因素三维有限元分析[J]. 岩土工程学报, 2011(S2): 339-344.

[5]孙庆,杨敏,冉侠,等.隧道开挖对周围土体及桩基影响的试验研究[J]. 同济大学学报, 2011(7):989-993.

[6]LeeGTK,NgCWW.Effectsofadvancingopenfacetunnelingonanexistingloadedpile[J].JournalofGeotechnicalandGeoenvironmentalEngineering, 2005(2): 193-201.

[7]徐干成,郑颖人.岩土工程中屈服准则应用的研究[J]. 岩土工程学报, 1990, 12(2): 93-99.

[8]赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(3): 343-346.

[9]赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(2): 25-26.

[10]郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(19): 3381-3388.

[作者简介]李忠友(1983～),男,博士，工程师，从事岩土工程稳定性研究。

【中图分类号】U452.2+5

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-11-30