基于有限元法的地铁隧道下穿房屋风险分析

代 远 （华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

地铁是地下交通体系的重要组成部分，具有运量大，速度快，安全准时等优点[1]，2010年以来，全国各地地铁建设快速发展，为人民的日常出行带来了极大的便利。城市中心城区开发建设程度高，但也为地铁建设带来了较大的困难，地铁隧道下穿各种既有建筑不可避免，邻近构筑物条件下隧道施工受力特性较为复杂[2]，文章以厦门某地铁隧道为例，模拟分析了地铁隧道施工对既有建筑造成的影响。

本区间隧道自甲车站起，线路沿市政路先以R=2500m半径的右偏曲线，再以R=2500 m半径的左偏曲线接入乙车站。市政路现状为双向六车道，交通量较大，地下管线密集，周边以大型企业、工业厂房、居住小区为主。控制因素主要为自建民房，7层砖混结构，浅基础，区间隧道左线下穿民房，竖向距离约10米。隧道单洞断面净跨5200mm，断面净空5600mm，初支厚度300mm，二衬厚度300mm，预留变形量100mm。

1.1 工程地质

本段地质土层由上至下描述如下。

1-2 素填土（Q4ml）：以灰褐、黄褐色为主，可塑，主要成分为粉质黏土，局部含少量碎、块石，层厚0.6m～3.0m。

3-1 粉质黏土（Q4al+pl）：以黄褐、棕褐色为主，可塑～坚硬，局部含角砾，韧性、干强度中等，层厚2.2m～10.5m。

11-1 残积砂质黏性土（Qel）：以灰白、褐黄色为主，可塑～坚硬，岩石结构完全破坏，岩石基本风化成土状，含有少量石英颗粒，手搓易成粉状，泡水易散，标准贯入击数N<30击，层厚2.9m～13.7m。

17-1全风化花岗岩（γ）：以灰褐、灰白色为主，岩石结构基本破坏，岩石基本风化成坚硬土状，含少量石英颗粒，手搓易成粉状，泡水易散，标准贯入击数30击≤N<50击，层厚0.9m～9.3m。

17-2散体状强风化花岗岩（γ）：以灰褐色为主，岩石结构大部分破坏，岩石基本风化成土状，含有少量石英颗粒，手搓易成粉状，泡水易散，标贯击数N≥50击，层厚2.2m～24.5m。

17-3碎裂状强风化花岗岩（γ）：以褐灰色为主，中粗粒结构，母岩风化强烈，岩石大多成碎石状为主，含部分石英颗粒，层厚1.0m～6.7m。

17-4中等风化花岗岩（γ）：灰白色，中粗粒结构，块状构造，节理、裂隙较发育，岩芯较完整，RQD=60%～85%，层厚0.6m～8.5m。

17-5 微风化花岗岩（γ）：青灰、灰白色，中粗粒结构，块状构造，节理、裂隙不发育，岩芯完整，RQD=80%～85%，层厚6.5m～33.4m。

19-1全风化辉绿岩（γδ）：黄褐色，岩石结构基本破坏，岩石基本风化成坚硬土状，手搓易成粉状，泡水易散，层厚7.2m～9.3m。

19-2强风化辉绿岩（γδ）：黄褐色，辉绿结构，块状构造，母岩风化强烈，岩芯大多呈碎块状，少量呈短柱状，层厚3.7m。

19-3中风化辉绿岩（γδ）：灰绿色，辉绿结构，块状构造，节理、裂隙较发育，岩芯较完整，局部较破碎，RQD=42%，层厚5.2m。

1.2 自建民居与地铁隧道的相对位置关系

图1 自建民居与地铁隧道平面位置关系

参照《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB 50652-2011），结合本工程地质条件、地下水情况、施工工法等，拟定下穿自建民居环境风险等级为Ⅱ级。

建筑物允许沉降控制≤15mm，位移最大速率控制值为1mm/d，砌体承重结构基础倾的局部倾斜控制值≤0.002。

4.1 设计原则

①新建轨道交通工程结构（包括永久结构和临时结构）的强度、刚度及稳定性，应保证工程的安全和周边环境的正常使用。

②根据新建轨道交通工程及受影响周边环境的特点选择得当的施工方法，确定合理的施工步序。

③通过工程类比、数值模拟、解析法等计算分析制定合理的控制指标。

④风险工程控制设计应遵循“规避原则、降低原则、控制原则”。

⑤风险工程设计采取的技术措施具有可操作性且工程造价合理。

⑥风险工程设计应包括有关风险工程识别、分级和风险分析、评价等。

⑦遵循“先加固后施工地铁结构”的原则。

⑧保护方案有条件时宜采取洞内外相结合的方式。

⑨监控量测是环境风险工程保护设计的重要组成部分，根据监测结果指导施工、优化设计，形成真正意义上的“动态设计、动态施工”。

4.2 临近区间隧道洞身的工程保护措施

设计措施：洞体开挖时，采用小导管超前预注浆加固地层，施作临时仰拱控制地面沉降；
洞体开挖完成后，做好壁后注浆，防止后期沉降。

施工措施：开挖中坚持短进尺、早封闭、强支护、勤量测的施工原则，当需要爆破时，应采取微震控制爆破，减少对管涵的影响。

监测措施：施工期间加强动态监控量测，包括对隧道、建筑物的监测，根据监测结果指导施工，做好应急措施。

5.1 施工监测项目

区间施工监测主要包括竖向位移、倾斜及裂缝。

5.2 测点布置、监测手段与监测频率

建（构）筑物竖向位移检测点应布设在外墙或承重柱上，并且在外墙转角处应有监测点布控；
水平位移检测点应布设在邻近隧道一侧的建（构）筑物外墙、承重墙、变形缝两侧及其他有代表性的部位，并可与建（构）筑物竖向位移监测点布设在同一位置；
倾斜测点应沿主体结构顶部、底部上下对应按组布设，每组监测点不应少于两个；
裂缝宽度监测应根据裂缝的分布位置、走向、长度、宽度、错台等参数，分析裂缝的性质、产生原因以及发展趋势，选取应力或应力变化较大部位的裂缝或宽度较大的裂缝进行检测。监测频率如表1所示。

监测频率表 表1

土层与结构主要物理力学参数 表2

5.3 爆破震动监测

爆破或其它作业所引起地面震动，不得损坏地面现有建筑物、地下管线和公共设施。

承包人应提供合格的仪器、量测人员和资料分析人员，监测并记录每次爆破的震动情况及空气增压情况，调整爆破作业，使震速不超过允许值，并防止开挖失稳。

所有的爆破和施工操作，对建构筑物震动的最大震速应小于20mm/s。

5.4 裂缝、变形监测

施工期间要对全过程进行观测。各项监测工作的监测周期根据施工进程确定，在开挖卸载急剧阶段，间隔时间不应超过3天，其余情况下可延至5至10天。当变形超过有关标准或场地条件变化较大时，应加密监测。当有危险事故征兆时，则需进行连续监测。

图2 整体三维模型图

图3 水平位移云图

图4 竖向位移云图

当出现裂缝时，除了要增加沉降观测的次数外，应立即进行对裂缝变化加以观测，观测裂缝首先要设置观测标志。当裂缝开展时，标志就能相应地开裂或变化，正确地反映建（构）筑物裂缝发展情况，观测方法可用千分尺量测裂缝标志的变化。

模型计算采用MIDAS GTS NX有限元计算软件，建立三维立体模型进行模拟计算。为减小边界约束对计算结果的影响，使模拟结果更接近实际情况，建模范围取X方向（垂直于线路方向）结构外缘两侧各25m（约4D），Z方向（竖直方向）结构覆土根据实际情况取值，结构底部以下25m（约4D），Y方向（沿线路方向）40m，地应力场按自重应力场分析。模型网格单元按照非关键区域疏、关键区域密的原则进行划分[3-5]。

通过上述计算得出的结论如下。

①地表沉降最大值为0.55mm，位于左线隧道正上方地表处，小于规定的15mm限值，满足要求。地表最大水平位移0.77mm，小于规定的10mm限值，满足要求。

②房屋最大沉降为0.55mm，最大水平位移为0.79mm，均小于规定的限值，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 5007-2011）砌体承重结构基础的局部倾斜值为0.002，本房屋基础沉降差为0.18mm，倾 斜 值 为 0.000018<0.002，故隧道施工对房屋的影响均能满足要求，房屋是安全的。

通过在设计、施工、监测等方面采取一系列相关联的技术措施可较好的控制隧道开挖对既有建筑造成的影响，“动态设计、动态施工”的理念可供借鉴。

有限元模拟是隧道开挖风险分析的一种重要手段，通过计算机数值模拟，可得出隧道开挖过程对周边既有建筑产生影响的趋势，可为设计、施工提供一定的前瞻性指导。

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