随着城市发展，越来越多的建筑物施工紧邻地铁车站和隧道上方，由于施工原有的受力平衡被破坏，导致地铁结构变形^{[1, 2]}，地铁结构一旦出现问题，将可能造成重大的工程灾害，损失巨大。如何在建筑物施工前准确分析和评价施工过程对地铁结构的影响，以更好地保护地铁结构，是城市建设与防灾中值得重视的问题。

我们知道，变形分析可分为变形的几何分析和物理解释。一般来说，几何分析是基础，主要是确定相对和绝对位移量，物理解释则是从本质上认识变形。变形的物理解释和变形预报可根据确定函数法如动力学方程进行，将两种方法结合起来进行综合分析，是变形分析的发展方向^[3]。

当前国内已有学者采用理论和数值分析方法进行了研究，如采用有限元法模拟基坑开挖过程的工况，分析基坑开挖对周围地铁隧道和车站的影响^[4]；就位于地铁隧道正上方的海珠广场基坑工程建立了该基坑的数值分析模型^[5]；提出基坑开挖对邻近地铁隧道影响的两阶段分析方法^[6]；应用3次样条插值对隧道附加纵向变形值进行拟合^{[7, 8]}等等。

本文以某紧邻地铁车站及隧道的建筑物施工项目为例，将紧邻建筑物整体化处理，从附加应力和附加变形的角度分析建筑物施工对紧邻地铁结构的影响，并与地铁结构监测数据进行了对比分析，表明了该方法的可行性。

1 三维模型的构建 1.1 工程概况

某紧邻地铁建筑即A、B两栋两层商业楼建筑，系采用独立基础的钢筋混凝土框架结构。A栋建筑面积400 m²，部分位于地铁隧道上方;B栋建筑面积为366 m²，大部分位于地铁车站上方。基坑开挖深度为3 m，基础距区间隧道结构上方约9 m，如图 1所示。

在施工前需要分析评价该建筑物在施工中后期对地铁构筑物的变形影响。以往研究在建模过程中细分结构部分及工况，放宽建模的基础假定条件。本文针对低层建筑的特点，采用整体化处理结构荷载的方式，严格建模条件，重点分析施工在紧邻地铁结构中引起的附加应力和附加变形。

1.2 模型构建

为模拟该建筑物施工对紧邻地铁的影响，需要结合建筑物设计、施工特点及与地铁车站、隧道的关系，建立三维数值模型，本文采用有限差分软件FLAC3D进行三维数值分析。

1) 假设地铁及车站结构与场地周边既有建筑物及土体等形成相对稳定的区域应力场，既有建筑物不会对地铁车站和隧道结构产生影响，只需分析A、B栋建筑物施工对地铁区间隧道造成的位移增量。

2) 数值分析中涉及的土体为非线性的弹塑性材质，地铁结构是线弹性材质，土体选用弹塑性模型，地铁结构选用弹性模型。

3) 建立建筑物、地铁车站和隧道以及周边土体分布的三维数值模型，如图 2所示。

如图 3所示，模型尺寸：长×宽×高=140 m×100 m×53 m，其中，A栋建筑尺寸为42 m×10 m×6 m，B栋建筑尺寸为36 m×12 m×6 m。隧道直径6 m，衬砌厚度0.3 m，模型沿中心轴方向长100 m，根据Saint Venant’s Principle，隧道两边各延伸5倍洞径以减少边界效应的影响，模型共划分124 578个单元，47 230个节点。各土层分布情况依次为人工填土、粉质黏土(中间夹粉砂)和全风化泥岩，各土层厚度分别为4.0 m、17.0 m和25.0 m。

4) 按摩尔-库伦屈服准则，采用弹塑性模型进行计算，计算参数根据勘察资料给出，如表 1所示。计算模型的边界条件为：底部及四周为位移边界，底部限制上下移动，四周限制水平位移，模型上部边界(z=0处)设为自由端，在土体自重应力作用下平衡，可得到整个模型范围内土体的初始应力场，然后进行邻近地铁构筑物的荷载施加过程模拟。

2 计算结果分析

计算步骤为：模型在土体自重下的平衡，模拟施工场地的初始状态；模拟地铁车站及隧道的开挖和衬砌支护过程，向地铁构筑物及周边地基施加建筑物荷载。

2.1 土体自重作用下的平衡

为获取模型所处环境的初始应力场，需对模型范围内土体在自重作用下的固结过程进行模拟。自重平衡后模型的位移和应力云如图 3所示，自重平衡后的应力场即为初始应力场。

从图 3可见，自重作用下土体固结后的最大位移发生在土体表层，约32 cm，各层土体的沉降位移竖直方向自上而下逐渐减小，水平方向均匀分布。模型底部最大压应力约为0.9 MPa。

2.2 地铁开挖及衬砌支护

地铁隧道采用盾构法施工，由于建筑物施工是在地铁车站和隧道正常运营之后进行，本模拟假设车站和隧道为一次性开挖并安装衬砌。地铁开挖及衬砌支护过程结束后的总位移与总应力云如图 4和图 5所示。

隧道开挖完成后，最大位移发生在车站结构附近区域，最大值约为2.5 mm(图 4)，最大竖向应力发生在车站地层立柱上，约为4 MPa，模型底部即地表土体存在少量的轻微拉应力区域，车站及隧道结构附近等关键部位没有明显的拉应力区域(图 5)。

2.3 施加建筑物荷载

荷载施加前，宜用FLAC3D软件对荷载前位移清零。模拟前，应记录模型内各单元的应力水平；等荷载施加至模型稳定，计算最终应力水平及其与隧道开挖衬砌后应力水平的差值，差值即为建筑荷载造成的隧道结构应力变化。建筑物荷载施加后的总位移场和应力场云图如图 6和图 7所示。

由图 6可见，A、B两栋建筑物施工后，地铁结构最大位移发生在独立基础附近，为3.5 mm，车站结构附近的最大位移为2.7 mm，隧道周边围岩最大位移为2.5 mm左右，均小于地铁安全标准。可认为A、B两栋建筑物施工所引起的地铁隧道区间土体的位移增量在允许的范围之内。

由图 7可以看出，建筑荷载施加后，模型中最大压应力为16.7 MPa，最大拉应力为0.15 MPa，处于安全水平。修建建筑物虽然造成了地铁车站及隧道结构受力状态发生改变，但结构受力状态仍处于安全水平。

3 精密变形监测和对比分析

为了验证上述模型和模拟计算结果的可行性，与该隧道在建筑物施工期间的高精度监测成果进行了对比分析。隧道的变形监测系采用测量机器人进行自动化周期监测^[9]，设计了如图 8所示的混合基点网^[10] 。测量机器人固定在工作基准点上进行网和监测点的观测和严密平差，用验后方差检验法^[11]检验显著变动的基准点，以稳定的基准点为已知点计算工作基点和变形监测点的坐标。每天测4周期，共进行了8个月的监测，共312周期，每期监测三维坐标与上期三维坐标的差值为该期的变形量，与首期的差值为累计变形量。

沿隧道下行线(北)施工影响的240 m范围内均匀选取13个监测点的实测数据进行对比，对比曲线如图 9所示。由图 9可见，监测的变形数据与模拟计算结果具有良好的一致性，A栋建筑物对应地铁结构独立基础附近，为最大累计位移(3.0 mm)，比模拟值小0.5 mm。B栋建筑物对应的对应位置，累计位移2.8 mm，比模拟值小0.2 mm。车站结构附近的最大位移为2.4 mm，比模拟值小0.3 mm。最小值为变形区域两端，与模拟值一致。车站结构附近的最大位移为2.4 mm，比模拟值小0.3 mm，隧道周边围岩最大位移为2.2 mm，比模拟值小0.3 mm。

4 结束语

针对某紧邻地铁车站及隧道的建筑物施工项目，本文采用岩土参数和三维数值分析方法对地铁结构变形进行三维数值模型建模和模拟计算，并与实测数据进行对比分析，验证该方法的可行性，可为施工过程对地铁结构影响的安全性评估和变形预警提供参考，具有应用和推广意义。