临近隧道的地面建筑物拆除与重建对隧道安全影响研究.pdf

铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）421 引言随着经济社会的快速发展，我国的城镇化率在不断加快，进而造成城市土地资源紧张、交通拥堵等系列问题，地下空间的开发与利用是解决以上问题的有效途径。进入 21 世纪，我国大力推行地下工程建设，地下广场、地铁隧道、地下综合管廊等交错分布于城市街道。然而在城市建设过程中，不可避免的出现临近地下工程的建筑物拆除与重建。对于运营隧道而言，临近隧道的建筑物施工会对隧道结构产生影响，若施工扰动过大会造成隧道衬砌结构变形开裂，危及隧道运营安全。因此，有必要分析新建建筑施工对临近既有隧道的影响1。李国龙等通过数值计算的方式评估了某高层建筑全过程施工对临近既有隧道的影响，评估结果与现场监测结果基本吻合2。唐秋云研究了高层建筑施工对运营隧道的影响，结果表明随着上部建筑的施工，桩基础所受荷载增加，对隧道的影响也越大3。彭婵媛通过理论分析及数值计算的方式，研究了新建建筑物对既有隧道的影响，并得出了既有隧道影响区域的划分范围4。事实上临近隧道建筑物的拆除与重建相当于隧道结构本身卸荷和加载过程5-7，对隧道结构会产生一定的影响。本研究以东莞虎门港启盈物流中心仓储区（以下简称：启盈物流中心）施工过程，对狮子洋高铁隧道安全影响为背景，研究原仓库拆除阶段、桩临近隧道的地面建筑物拆除与重建对隧道安全影响研究薛 伟（中铁第四勘察设计院集团有限公司隧道院 武汉 430063）【摘 要】临近隧道的地面建筑物拆除与重建，会引起隧道结构变形和内力变化，严重时会造成隧道衬砌结构开裂，对隧道的正常使用带来一定的影响。本文通过数值计算的方式，模拟了启盈物流中心在原仓库拆除阶段、桩基施工阶段、上部结构施工阶段、运营阶段四种工况下，对狮子洋隧道结构及内力的影响。研究结果表明启盈物流中心在不同施工阶段，均引起了狮子洋隧道衬砌结构变形和内力变化，但变化值均在安全控制值以内，对隧道安全性影响较小。考虑隧道正上方设停车场，为确保隧道结构安全，经过计算，隧道正上方停放车辆不得大于 135t。【关键词】临近隧道 拆除 重建 变形 内力Study on the infl uence of the demolition and reconstruction of the ground buildings near the tunnel on the tunnel safetyXUE Wei(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd Wuhan 430063)Abstract：The demolition and reconstruction of the ground buildings near the tunnel will cause the deformation and internal force changes of the tunnel structure,and in serious cases,the tunnel lining structure will crack,which will have a certain impact on the normal use of the tunnel.This paper simulates the influence of Qiying Logistics Center on the structure and internal force of Shiziyang Tunnel under the four working conditions of the original warehouse demolition stage,pile foundation construction stage,superstructure construction stage and operation stage by numerical calculation.The research results show that Qiying Logistics Center has caused the deformation and internal force changes of Shiziyang tunnel lining structure in different construction stages,but the change values are within the safety control value,which has little impact on the tunnel safety.It is considered to set a parking lot directly above the tunnel.In order to ensure the safety of the tunnel structure,the parking vehicles directly above the tunnel shall not be more than 135tKeywords：Adjacent tunnel；Demolition；Reconstruction；Deformation；Internal force临近隧道的地面建筑物拆除与重建对隧道安全影响研究 薛 伟432023 No.4基施工阶段、上部结构施工阶段、运营阶段 4 种不同阶段工况下隧道结构、内力变化情况，研究结果进一步为该地区类似工程提供一定的借鉴意义。2 工程概况 2.1 工程现状启盈物流中心项目位于东莞市沙田镇，基地位于保税环路以北，保税中路以西，狮子洋隧道线路左侧。现有场地有 1#仓库、2#仓库和 4#仓库三栋建筑，1#仓库为单层丙二类仓库，建筑高度 10.900 米；2#仓库为单层丁类仓库，建筑高度 10.900 米；4#仓库为三层丙二类仓库，建筑高度 26.000 米。其中 1#仓库和 2#仓库的局部投影范围侵入狮子洋隧道中线左侧 50m 保护区范围，如图 1 所示。图 1 拆除前启盈物流中心和狮子洋隧道相互位置平面图现根据规划需要，启盈物流中心项目将狮子洋隧道上方的 1#仓库，2#仓库，进行拆除后重建，重建后启盈物流中心与狮子洋隧道位置关系如图 2所示，其中 WH-7 号仓库距离狮子洋隧道外轮廓约为 24.8m，汽车坡道距离狮子洋隧道外轮廓约为30.7m，重建建筑物单根桩长为 33.5m，隧道埋深在38.6m 44.7m 之间。图 2 重建后启盈物流中心与狮子洋隧道相互位置平面图3 数值模拟3.1 数值建模（1）计算模型为了研究狮子洋隧道拆除与重建后对隧道的影响大小，本研究采用 Midas NX 软件进行模拟分析，模型大小为 390m197m80m（长 宽 高），如图 3 所示。岩土体采用实体单元模拟，狮子洋隧道盾构管片采用板单元模拟，建筑桩基采用梁单元模拟，岩土体采用摩尔-库伦本构模型，其余结构单元均采用弹性模型。图 3 计算模型（2）基本假设由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，在计算过程种采取以下假设条件：土体为各向同性、均质的理想弹塑性体；初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力；忽略岩土体构造应力；地表和各层土体均呈均质水平层状分布；假定结构与接触面间的节点共同位移，考虑它们的相互作用。（3）初始及边界条件模型左右、前后边界固定水平位移，底部边界固定竖向位移，上部边界为地表自由面；自重荷载取重力加速度，建筑桩基挤土效应通过在桩上施加强制位移表示；原仓库以33kPa的均布荷载等代施加在地表。3.2 地层及结构参数交叉段狮子洋隧道埋深在 38.6m 44.7m，通过查阅地勘报告可知，隧道洞身位于弱风化砂岩，上覆土层从上至下依次为人工填土、淤泥、中细砂、粗砾砂层、强风化砂岩、弱风化砂岩，地层物理力学参数如表 1 所示，隧道盾构管片及桩基参数如表 2 所示。3.3 模拟工况工况一：原仓库拆除阶段钝化地表 33kPa 均布荷载，模拟地面建筑物拆除铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）44过程，分析地表卸荷后，隧道内力及位移变化情况。工况二：桩基施工阶段激活建筑桩基础单元并施加水平强制位移，强制位移取 0.3m，模拟桩基础施工过程中的挤土效应，分析隧道内力及位移变化情况。表 1 围岩结构物理力学参数 地层重度（kN/m3）粘聚力 c（kpa）内摩擦角（）泊松比 变形模量E0（MPa）人工填土层18.01080.358淤泥15.36.53.60.311.5中细砂19.80320.3525粗、砾砂层20.00350.3830强风化砂岩22.0200400.39200弱风化砂岩26.01000450.40600表 2 管片及 PHC 桩物理力学参数材料重度（kN/m3）粘聚力 c（kpa）内摩擦角（）泊松比弹性模量E（MPa）管片25/0.234500PHC 桩25/0.238000工况三：上部结构施工阶段激活地表建筑物单元，模拟 WH-7 仓库及汽车坡道上部结构施工阶段，计算施工完成后隧道内力及位移变化情况。工况四：运营阶段启盈物流中心，运营阶段隧道正上方为停车场，考虑极端条件下，停车场停满车辆时，隧道内力及位移变化情况，计算时运输车辆作用在地面上的力以15kPa 均布力等代施加在地表。4 结果分析4.1 隧道结构变形（1）隧道结构横向（y 向）位移原仓库拆除阶段：隧道结构横向位移最大值 为+0.465mm，靠 近 WH7 仓 库 最 近 侧 位 移 为+0.159mm，靠近汽车坡道位移为+0.205mm，联络横通道为+0.158mm，隧道右线位移相对较小，如图 4-a所示。桩基施工阶段：隧道结构横向位移最大值为+0.313mm，靠近 WH7 仓库最近侧位移为+0.073mm，靠近汽车坡道位移为+0.202mm，联络横通道为+0.155mm，隧道右线位移相对较小，如图 4-b 所示。WH-7 上部结构施工阶段：隧道结构横向位移最大值为-0.811mm，靠近 WH-7 仓库最近侧位移为-0.718mm，靠近汽车坡道位移为+0.163mm，联络横通道为+0.121mm，隧道右线位移相对较小，如图4-c所示。汽车坡道上部结构施工阶段：隧道结构横向位移最大值为-0.908mm，靠近 WH-7 仓库最近侧位移为-0.734mm，靠近汽车坡道位移为-0.859mm，联络横通道为-0.570mm，隧道右线位移相对较小，如图4-d所示。运营阶段车辆荷载：隧道结构横向位移最大 值 为-0.686mm，靠 近 WH-7 仓 库 最 近 侧 位 移为-0.170mm，靠近汽车坡道位移为-0.485mm，联络横通道为-0.446mm，隧道右线位移相对较小，如图4-e所示，不同施工阶段隧道横向变形值如表 3 所示。图 4 不同阶段隧道横向位移变化云图（单位：mm）a.原仓库拆除阶段隧道结构横向位移b.桩基施工阶段隧道结构横向位移c.WH-7 上部结构施工阶段隧道结构横向位移d.汽车坡道上部结构施工阶段隧道结构横向位移e.运营阶段隧道结构横向位移临近隧道的地面建筑物拆除与重建对隧道安全影响研究 薛 伟452023 No.4表 3 不同施工阶段隧道横向变形值（单位：mm）工序最大变形量WH-7仓库侧汽车坡道侧联络横通道原仓库拆除+0.465+0.159+0.205+0.158地表建筑桩基施工+0.313+0.073+0.202+0.155WH-7 库上部结构施工-0.811-0.718+0.163+0.121汽车坡道上部结构施工-0.908-0.734-0.859-0.570运营阶段-0.686-0.170-0.485-0.446注：Y 方向变形正值代表右移，负值代表左移（2）隧道结构竖向（z 向）位移原仓库拆除阶段：隧道结构竖向位移最大值为+0.693mm，靠近 WH-7 仓库最近侧位移为+0.286mm，靠近汽车坡道位移为+0.038mm，联络横通道为+0.0048mm，隧道右线位移相对较小，如图 5-a 所示。桩基施工阶段：隧道结构竖向位移最大值为+0.686mm，靠 近 WH-7 仓 库 最 近 侧 位 移 为+0.222mm，靠近汽车坡道位移为+0.037mm，联络横通道为-0.004mm，隧道右线位移相对较小，如图5-b所示。上部结构施工阶段：隧道结构竖向位移最大值 为+0.578mm，靠 近 WH-7 仓 库 最 近 侧 位 移 为+0.109mm，靠近汽车坡道位移为+0.031mm，联络横通道为-0.005mm，隧道右线位移相对较小，如图5-c所示。汽车坡道上部结构施工阶段：隧道结构竖向位移最大值为+0.390mm，靠近 WH-7 仓库最近侧位移为-0.036mm，靠近汽车坡道位移为-0.043mm，联络横通道为-0.006mm，隧道右线位移相对较小，如图5-d所示。a.原仓库拆除阶段隧道结构竖向位移d.汽车坡道上部结构施工阶段隧道结构竖向位移e.运营阶段隧道结构竖向位移b.桩基施工阶段隧道结构竖向位移图 5 不同阶段隧道竖向位移变化云图（单位：mm）运营阶段：隧道结构竖向位移最大值为-0.93mm，靠近 WH-7 仓库最近侧位移为-0.22mm，靠近汽车坡道位移为-0.85mm，联络横通道为-0.61mm，隧道右线位移相对较小，如图 5-e 所示，不同施工阶段隧道横向变形值如表 4 所示。表 4 不同施工阶段隧道竖向变形值（单位：mm）工序最大变形量WH-7仓库侧汽车坡道侧联络横通道原仓库拆除+0.693+0.286+0.038+0.004桩基施工+0.686+0.222+0.037-0.004WH-7 库上部结构施工+0.578+0.109+0.031-0.005汽车坡道上部结构施工+0.390-0.036-0.143-0.006运营阶段-0.93-0.22-0.85-0.61注：Z 方向变形的正值代表上浮，负值代表下沉。c.WH-7 上部结构施工阶段隧道结构竖向位移4.2 隧道内力变化通过模拟启盈物流中心的不同阶段施工过程，计算得到了狮子洋隧道结构内力变化如表 5 所示，从表中可知，在整个施工过程中，隧道结构内力发生一定的变化，但是变化幅度相对较小，对隧道本身结构产生的影响较小。4.3 地面允许最大车辆荷载为了更好的指导启盈物流中心运营期间，隧道正上方作为停车场允许停放的最大车辆荷载，将隧道结构水平及竖向位移折减为原来控制值的 50%即2mm，从而反算地面停车场可以停放的最大地面车辆荷载。反算结果可知，当地面等效施加36kPa均布荷载，铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）46等同于 135t 车辆荷载停满整个停车场区域，隧道竖向位移可达到 2mm，计算结果如图 6 所示，因此在施工及运营期间，应禁止超过 135t 车辆停放在隧道正上方，避免对隧道产生一定的影响。a.隧道横向变形云图 b.隧道竖向变形云图图 6 停车场区域上方停放 135t 车辆隧道结构变形云图（单位：mm)5 结论本研究根据东莞跨境电商生态园项目启盈物流中心与狮子洋隧道的相对位置，建立三维模型，分析了启盈物流中心拆除与重建过程中隧道管片位移和内力变化特征，评估了启盈物流园施工阶段对高铁隧道结构的影响。主要取得如下结论：（1）启盈物流中心区域地块施工中，拆除原有建筑物导致隧道上拱最大位移为 0.693mm，隧道水平向位移为右移 0.465mm，均小于隧道水平及竖向位移变化限值 4mm 范围，满足邻近铁路营业线施工安全监测技术规程（TB10314-2021）8要求。（2）桩基施工、上部结构施工、运营期间车辆荷载作用下，隧道横向位移最大为汽车坡道上部结构施工时左移 0.908mm，隧道竖向最大位移下沉为0.93mm，均小于变化限值的 4mm，由此可知，启盈物流中心拆后重建施工对既有狮子洋隧道影响相对较小。（3）由结构内力计算结果可见：启盈物流中心施工过程中，引起广深港高铁狮子洋隧道结构内力发生变化，但变化幅度相对较小。（4）反算结果可知，当地面等效施加 36kPa 均布荷载，等同于 135t 车辆荷载停满整个停车场区域，隧道竖向位移可达到 2mm，因此在施工及运营期间，应禁止超过 135t 车辆停放在隧道正上方，避免对隧道产生一定的影响。6 建议（1）为保证隧道结构安全，在启盈物流中心施工期间严禁在隧道正上方建立大型吊车基础，并尽量避免其他重型施工设施较长时间停留在隧道结构顶部进行作业；禁止在隧道洞身范围内堆放弃渣，以减少施工对隧道结构的影响。（2）启盈物流中心在施工过程中及运营期间，狮子洋隧道正上方区域应设置限重 135t 标识标牌，车辆经过隧道正上方时应缓慢匀速行驶，减少车辆动荷载对隧道的影响。（3）启盈物流中心施工期应加强隧道结构、轨道道床的巡查；对隧道内净空，拱顶等进行第三方监测，并剪力应急预案机制，如发现异常应立即停止施工，组织各方研判通过后方可继续施工。参考文献1 王臣.高层建筑施工对临近已有隧道的影响分析D.青岛理工大学，2018.2 李国龙，袁长丰，黄海滨，等.高层建筑全过程施工对临近既有隧道影响的数值模拟分析 J.施工技术，2016，45（1）77-84.3 唐秋云.深基坑和高层建筑施工对已运营地铁区间隧道影响分析 D.重庆交通大学，2016.4 彭婵媛.新建建筑物荷载对既有隧道力学性能的影响规律研究 D.河北建筑工程学院，2022.5 张万斌，曹林卫，刘保林.一拟建建筑施工对既有隧道稳定性影响分析 J路基工程，2012(6):110-1146 刘浩，曹浩 新建高层建筑对下方隧道影响的测试分析 J.湖南城市学院学报(自然科学版)，2012，21(1):15-187 陆享喜.轨交隧道上方建筑拆除对隧道变形影响的控制 J.上海建设科技，2014(05):5-8.8 TB10314-2021 邻近铁路营业线施工安全监测技术规程 S，北京：中国铁道出版社，2021.收稿日期：2023-2-13表 5 广深港客运专线狮子洋隧道结构内力工序Y 方向轴力最大值（kN/m）X 方向弯矩最大值（kNm/m）XY 平面内剪力值（kN/m）施工前-3120.39232.91697.51原仓库拆除-3117.55233.08195.60桩基施工-3117.55233.00495.35仓库上部结构施工-3117.93232.61594.96汽车坡道上部结构施工-3126.27223.519110.94运营阶段-3306.31245.738124.73