胡焕驰

(广州地铁设计研究院股份有限公司,江苏 南京 210019)

0 引 言

进入21世纪以来，我国的轨道交通事业得到了巨大发展，越来越多的城市将轨道交通建设放在了城市基础建设的收尾。民间常说:“地铁一响,黄金万两。”地铁作为城市的主动脉，具有绿色环保、低碳出行、准时便捷、运量巨大的特点，深受广大城市居民的喜爱。随着地下空间的逐步开发，地面建筑的建设对地下轨道交通的影响也越来越大。一般来说，新建工程均需避让城市轨道交通本体一定保护范围，但当周边无建设条件时，也会出现位于轨道正上方的工程建设。新工程建设期间，周边土地的扰动势必会对已运营的地铁线路产生影响，做好提前分析及措施，对于城市轨道交通设施的保护将会有重要意义。

1 苏州某体检中心楼工程概述及其与轨道交通结构关系

1.1 轨道交通工程概述

苏州轨道交通2号线某区间下穿原体检中心房屋，位于房屋基础正下方。现需先行拆除原有建筑物，在原址同规模复建体检中心楼。复建体检中心和门诊楼位于已运营区间左线隧道上方，距离右线隧道分别为6.45 m和11.46 m，此处隧道上覆土为9.27 m。复建体检中心楼距离已运营2号线车站为24.22 m。

1.2 体检中心楼工程概述

体检中心工程原址现有急诊部及门诊部，上部结构为砖混结构，急诊部为4层，门诊部为2层，原有建筑基础形式为筏式基础，埋深约0.8 m(局部2.9 m)，平面位置与复建项目相同。施工本项目前，需拆除原有旧建筑及基础，于原址复建本项目。拟建建筑上部1～4层，体检中心楼(原急诊楼)为地上4层，门诊部为地上2层，均采用筏板基础。本工程总用地面积约3 083.92 m2。

体检中心楼改建项目具体施工步骤如下：

第一步：拆除原有急诊部及门诊部。

第二步：采用压密注浆方法对填土进行改良，施作筏板基础。

第三步：待基础达到设计强度后，施作地面上部结构。

1.3 工程地质条件

场地位于姑苏区，属于冲湖积平原，域内没有高低凹凸，水系完善，具有明显的水网化平原特征。苏州市在江南水网区域内，被归为长江太湖水系，区域中的地表水系发展良好，包括了太湖、阳澄湖群和各种规模的河渠。由苏州市枫桥水文站的巡视记录可知，以往的洪水最高位在2.59 m(1985国家高程标准)，最小的水位在0.01 m。地下潜水不会腐蚀混凝土，也不会腐蚀长时间浸入水中的钢筋混凝土里的钢筋，但对于钢结构及干湿轮换前提下会存在较低的腐蚀性。

2 研究问题及方法

2.1 研究问题

本文研究范围为体检中心楼改建项目建筑物拆除卸载及复建施工加载对苏州轨道交通2号线既有区间隧道结构的影响。

主要是对以下几个问题进行分析：

(1) 建筑物拆除卸荷阶段对区间隧道的影响；

(2) 原有建筑物基础拆除对区间隧道的影响；

(3) 上部结构复建加载阶段对区间隧道的影响；

(4) 隧道管片受力分析。

2.2 研究方法

采用有限元仿真模拟整个施工过程，基于分析结果，整体关注不同施工环节中区间隧道构架存在的变形、应力及沉降问题，从而给出有针对性的保护及施工办法。

苏州市轨道交通保护标准如下：

(1) 项目施工引起的轨道交通结构(设施)绝对沉降量及水平位移量≤10 mm(指包括各种加载和卸载的最终位移量)。

(2) 项目施工引起的隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m，相对弯曲≤1/2 500。

(3) 对高层、超高层建筑，应严格控制工后沉降对轨道交通带来的附加影响，须对桩基承载力进行必要的控制。

3 模拟计算

3.1 模型建立

由于重新进行项目施工存在一定的复杂性，选择用以专门分析岩土隧道结构的有限元软件MIDAS GTS NX来构建原结构清拆，和对三维动态系统的重新构建。

(1) 此次构建模型时，主要选择实体单元来进行，以详勘报表来确立物理力学标准，同时选择MIDAS GTS NX给出的优化摩尔-库仑模型，对实际施工过程进行模仿。MIDAS GTS NX给出的优化摩尔-库仑模型对岩土行为的模拟进行了改善。其利用3个有差异的输入刚度来体现各阶段的土体刚度。此三阶段的刚度显示了三轴试验时在最高强度的一半位置的割线弹性模量E50，压密试验中获取的标准压下的弹性模量Eoed，删除或重新加载中的弹性模量Eur。模拟数值时基本采用Eoed=E50与Eur=3E50。所以，模型标准方面仅用给出三轴加载刚度E50、摩擦角φ和剪胀角ψ的采用数值。优化摩尔-库伦模型能体现出模量取决于应力的状况。围压与提升会让土体刚度随之提升，此状况与具体情况相符。可见，模拟选取的刚度数值和参考应力之间存在关联，而此参考应力等同于土体所受围压，模拟时大多采用100 kPa的数值。

(2) 地铁区间隧道结构采用350 mm厚板单元。

(3) 建模时，结构单元的几何模型数据都借鉴了体检中心改建工程平剖面图。三维建模原型中，x方向土体边界控制：体检中心楼基础外边缘距离土体边界60 m；y方向土体边界控制：隧道外边缘距离土体边界不小于45 m，体检中心楼基础外边缘距离土体边界不小于60 m；z方向土体边界控制：基坑底部距离土体下边界32 m。模型尺寸196 m×174 m×50 m。

(5) 土体边界(四周和底部)采取法向约束。

(6) 道路车辆超载取20 kPa，严格按基坑周围道路实际尺寸施加。

(7) 体检中心楼荷载按照体检中心楼地基压力荷载分布施加。

3.2 施工模拟阶段

施工阶段1：拆除原有医院急诊楼、门诊楼上部结构。

施工阶段2：拆除原有医院急诊楼、门诊楼基础，开挖2 m深土方。

施工阶段3：浇筑体检中心楼筏板基础，施加复建体检中心楼上部荷载。

通过模拟计算可知，原建筑物拆除时，土体最大隆起为3.7 mm，开挖2 m拆除原基础时土体隆起增加，累计隆起为6.6 mm，上部建筑物复建后土体稍微下沉，复建完成后最终隆起为2.7 mm，如图1所示。

图1 模型竖向位移云图

通过模拟计算可知，原建筑物拆除对基础底以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，引起坑底土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移。

体检中心楼拆除时左线隧道最大隆起为1.7 mm，右线隧道最大隆起为0.9 mm；拆除筏式基础，开挖2 m土方时，左线隧道最大隆起为3.4 mm，右线隧道最大隆起为1.3 mm；复建加载后左线与右线均有下沉，左线隧道最终隆起为1.4 mm，右线隧道最终隆起为0.5 mm，如图2、图3所示。根据计算结果可知，体检中心楼拆除复建过程中，体检中心楼正下方左线隧道隆起量最大，对右线影响较小。

图2 地铁区间隧道竖向位移云图

图3 地铁区间隧道盾构管片受力分析

根据模拟计算产生的弯矩及轴力计算，通过对既有隧道的配筋分析、裂缝计算，房屋拆除、复建过程中对地铁隧道影响有限，隧道配筋满足要求，原车站结构截面及配筋仍能满足承载力及最大裂缝要求。

4 结果分析

基于以上数值模拟分析，初步可得出以下结论：

(1) 根据计算结果，原建筑物拆除时，土体最大隆起为3.7 mm，开挖2 m拆除原基础时土体隆起增加，累计隆起为6.6 mm，上部建筑物复建后土体稍微下沉，复建完成后最终隆起为2.7 mm。

(2) 原建筑物拆除时左线隧道最大隆起为1.7 mm，右线隧道最大隆起为0.9 mm；拆除筏式基础，开挖2 m土方时，左线隧道最大隆起为3.4 mm，右线隧道最大隆起为1.3 mm；复建加载后左线与右线均有下沉，左线隧道最终隆起为1.4 mm，右线隧道最终隆起为0.5 mm，均满足10 mm控制值的要求。

(3) 根据左线隧道变形图可知距离复建体检中心楼越远，隧道隆起量越小，且衰减迅速。车站与区间接口位置几乎没有变形。

(4) 通过对拆除、复建过程中区间内力进行分析，发现体检中心复建对地铁隧道影响有限，隧道配筋满足要求。

5 措 施

数值理论计算均是建立在一定的假设之上，而实际施工条件是随时变化的，同时地铁轨道结构对变位十分敏感，对复建施工提出了十分苛刻的要求。

结合理论分析，联系施工实际，提出如下措施：

5.1 设计方面

(1) 优化上部结构及基础形成，减小二次加载对隧道的影响。复建4层体检中心楼做钻孔桩基础，避免加载二次扰动。

(2) 避免2层门诊楼与4层急诊楼同时拆除和复建，先拆除并复建4层体检中心楼，完成后再进行2层门诊楼的拆除复建工程，减小大面积卸载与加载对区间隧道产生的影响。

(3) 基底压密注浆应在挖除旧基础前，在地面施工，明确注浆深度要求，且地基静载试验需避开隧道正上方。

(4) 明确原建筑物拆除及复建工序，细化拆除长度及时间要求，10 m左右为一段拆除长度，明确具体堆载反压措施。

(5) 明确原建筑物拆除方式，避免采用爆破拆除等对隧道影响较大的拆除方式。

(6) 施作筏板基础，明确限制基础基坑暴露时间及施工完成时间，并采用早强混凝土。

(7) 调查周边管线情况，设计中建议与产权部门沟通制定管线变形保护要求，设计文件中应明确管线保护及应急措施，确保体检中心楼复建过程中邻近管线的安全。

5.2 施工方面

(1) 对原有建筑物拆除时，分段拆除，并分段浇筑筏板基础，避免大面积卸载对隧道上浮的影响。

(2) 原有建筑物拆除时，避免采用震动较大的爆破拆除，在周边地面铺设减震材料，减少冲击振动对地铁区间结构产生不利影响。拆除后的混凝土废弃物等尽量远离隧道堆砌，避免隧道上方荷载过大引发隧道变形。

(3) 基础施工禁止大量抽取地下水，避免地下水位下降引起隧道沉降。

(4) 对原有建筑拆除后，及时浇筑筏板基础，且在达到一定强度的结构上方及时堆载，按照堆载与卸载相同的原则，减少土体的卸荷效应引起隧道上浮。堆载材料可采用袋装钢砂等。

(5) 所有结构清拆之后要在限定时间内实现对筏板基础的浇筑，在首晚地铁停运到次日凌晨地铁开始运行前做完。

(6) 施工时要随时追踪和检测土体的位移、应力、水压力及沉降等，通过合理安排施工进度，做好卸载与配重的控制、预先放置模板、浇筑早强混凝土，并尽快完成回压工作。

(7) 复建体检中心楼时，基础土处理时尽量避免采用强夯法，以减少因强夯震动引起隧道变形。

5.3 监测方面

(1)本项目由于涉及对已运营地铁的保护，监测方案须报轨道公司审批，并建立与轨道公司监测数据共享机制，确保轨道公司及时了解隧道结构变形情况。

(2)应对轨道交通结构设计专项监测方案，细化并明确各工况分步变形控制指标。

(3)对建筑物整体施工和竣工后沉降做永久性观测，进行后评估分析，确保隧道后期运营安全。

(4)工程施工工程中，应构建周密的原区间隧道内结构受力、变形及沉降监测机制，充分检测施工的全部，及时反映数据，引导施工的顺利进行。

(5)原地铁结构沉降的速度值高于标准时，要及时实施抢险预案，并立即对隧道的渗漏处进行注浆。

6 结束语

本文以苏州某体检中心楼项目改建为工程背景，通过理论分析和数值分析等方法，对城市轨道交通隧道正上方既有建筑物进行改建施工时轨道交通结构的变形和受力情况进行分析，可以认为，在距离轨道交通很近的房屋改造及新建工程，通过合理的设计、精心的施工，对施工风险进行分析和评价，采用合理有效的保护措施，可以保证轨道交通的正常使用。