砌體結(jié)構受盾構隧道施工影響的安全判別分析

沈曉偉 王 濤

盾構隧道施工引起土體位移，對建筑物的地基產(chǎn)生影響，并由地基傳遞給基礎，最后傳至上部結(jié)構，引起結(jié)構的次生內(nèi)力產(chǎn)生及結(jié)構的變形，嚴重時可能導致建筑物傾斜或倒塌。同時，隧道—土體—建筑物是互相作用、互相制約的。由于上部結(jié)構所用材料的剛度與地基土體的剛度差異很大，所以地基的變形與結(jié)構的變形具有不協(xié)調(diào)性，當結(jié)構的變形和內(nèi)力超過允許值后就會產(chǎn)生破壞。

本文通過建立隧道—土體—建筑物互相作用的三維有限元模型，對砌體結(jié)構的變形和受力進行分析，并總結(jié)了建筑物的安全控制標準和保護措施。

1 三維有限元計算模型

利用三維有限元軟件Midas/GTS分析隧道施工對地表位移及上方砌體結(jié)構的影響。砌體結(jié)構的尺寸為:高 8 m，長20 m，寬10 m，包括前后兩面承重墻和左右兩面承重墻，前后兩面墻體開有門窗，左右兩面墻是完整的。由于磚混結(jié)構的屋頂和內(nèi)部的非承重墻對結(jié)構本身變形和受力的影響不大，所以模型中不予考慮。墻體的彈性模量取為10 000 MPa，厚度取為0.6 m。土層區(qū)域為70 m×40 m×40 m(X×Y×Z)，自上而下分別為雜填土、礫質(zhì)黏土和砂土，層厚分別為 2 m，20 m和 30 m，土體采用Mohr-Coulomb模型。隧道從右半幅房屋下面穿過，隧道水平軸線距房屋中心軸線的水平距離為5 m。隧道半徑為3.1 m，埋深9 m，襯砌厚度0.35 m。有限元模型如圖1所示。

2 地表位移及房屋的變形分析

當隧道開挖至房屋下方時，地表豎向位移分別如圖2所示。這里對地面有無房屋兩種情況下的地表位移進行對比。從圖2中看出，隧道開挖引起地表發(fā)生沉降，由于建筑物的自重作用，加劇了所在位置處的地表沉降，但其剛度也減少了所在位置的地表差異沉降;在墻體左右兩端附近，沉降發(fā)生突變。由于墻體中心位置處有一寬度為2 m的門，即此處土體所受的房屋自重荷載較小，導致此處的沉降較兩側(cè)小。隧道從右半幅墻體下通過，引起右半幅土體的沉降較左半幅大，引起墻體較大的差異沉降，從而引起墻體產(chǎn)生裂縫。

砌體結(jié)構主要受差異沉降的影響，當?shù)乇淼牟町惓两岛艽髸r，會在砌體內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉應力，而砌體結(jié)構的抗拉能力較低，會導致結(jié)構開裂甚至破壞。隧道從右半幅墻體下穿過，引起此處的墻體沉降最大，約8 mm，沿墻體向左，沉降逐漸減少，最大差異沉降約1.5 mm。窗、門的拐角處由于應力集中，導致此處的沉降較大;墻體的沉降自下而上逐漸增加，最大沉降發(fā)生在墻體的右上部，而不是右下部，這是由于墻體傾斜的緣故。

3 建筑物的安全控制標準

3.1 國內(nèi)現(xiàn)行的控制標準

目前，國內(nèi)針對隧道施工引起的土體位移的控制標準為:允許地面沉降值為30 mm，允許地面隆起值為10 mm，允許地面附加傾斜值為1/300。實際上，這些值是根據(jù)經(jīng)驗得到的，缺乏科學根據(jù)。因此，必須根據(jù)其建筑物的實際情況來確定相應的變形控制指標。我國規(guī)定建筑物的容許變形值為:拉伸2 mm/m、傾斜3 mm/m、曲率半徑5 000 m。為了保證建筑物的安全，《建筑地基基礎設計規(guī)范》[1]規(guī)定建筑物的地基變形允許值為:當?shù)鼗鶠楦邏嚎s性土，即標準壓縮系數(shù)a1-2≥0.5 MPa-1時，單層排架結(jié)構(柱距為6 m)柱基的沉降量為200 mm;對于建筑物高度不大于100 m～250 m的高聳結(jié)構，其地基變形允許值為400 mm～200 mm。對于建筑物的傾斜值，《建筑地基基礎設計規(guī)范》也做了明確的規(guī)定。同時，為避免墻體發(fā)生開裂，規(guī)范還對局部傾斜值做了規(guī)定:砌體承重結(jié)構基礎的局部傾斜(即砌體承重結(jié)構沿縱墻6 m～10 m內(nèi)基礎兩點的沉降差與其距離的比值)，對中、低壓縮性土為0.002，取高壓縮性土為0.003。裂縫觀測應測定建筑物上的裂縫分布位置，裂縫的走向、長度、寬度及其變化程度。

3.2 國外的控制標準

目前，國內(nèi)外關于隧道施工對地表建筑物造成的影響尚未有統(tǒng)一的標準和成形的規(guī)范。國外研究影響較大的是Burland和Worth[2]，Boscardin和Cording[3]研究了最大主拉應變與結(jié)構損害程度的關系，他們提出的二者之間的關系如表1所示。

表1 拉應變與結(jié)構損害程度的關系表 %

4 房屋的損害程度分析

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行標準進行判別，此房屋的最大沉降約8 mm，最大差異沉降約1.5 mm，最大局部傾斜為0.000 1，均滿足國內(nèi)現(xiàn)行的控制標準，因此房屋是安全的。

利用最大剪應變與結(jié)構損害程度的關系進行判定。房屋的剪應變?nèi)鐖D3所示。從圖3中可以看出，最大剪應變發(fā)生在差異沉降最大的地方，即門的兩側(cè)和墻體左右兩端，而不是發(fā)生在沉降最大的位置;由于窗戶位置容易引起應力集中，所以窗戶處也可能出現(xiàn)較大剪應變，這說明最大剪應變不是由絕對沉降控制的，而是由差異沉降決定的。從圖3中也可看出，墻體中部會發(fā)生正八字形裂縫;墻體端部會發(fā)生接近倒八字形裂縫。房屋的最大剪應變?yōu)?.011%，房屋是安全的。

5 建筑物的安全保護措施

1)注漿加固地基。跟蹤注漿法是一種治理土體移動的常用方法，利用土體損失影響地面沉降的滯后現(xiàn)象，在隧道開挖影響范圍與被控制的基礎之間設置補償注漿層，即在土層沉降處注入適量的水泥或化學漿，以起到補償土體的作用，然后通過施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷控制各注漿管的注漿量，實現(xiàn)隧道開挖與基礎沉降的同步控制，從而減小土體的沉降。這種方法能有效的彌補土體損失，使得建筑物受隧道開挖的影響降低到最低限度。2)設置隔斷墻。隔斷墻墻體可由鋼板樁、地下連續(xù)墻、樹根樁、深層攪拌樁和挖孔樁等構成，主要用于承受由地下工程施工引起的側(cè)向土壓力和由地基差異沉降產(chǎn)生的負摩阻力，使之減小建筑物靠盾構隧道側(cè)的土體變形。3)建筑物本體加固措施。a.增大截面法，該方法通過外包混凝土或增設混凝土面層加固混凝土梁、板、柱，通過增設磚扶壁柱加固磚墻;增大截面法可增大構件剛度，提高構件的承載能力，從而提高構件的抗變形能力。b.外包鋼法，該方法通過在混凝土構件或砌體構件四周包以型鋼、鋼板從而提高構件性能;該方法可在基本不增大構件截面尺寸的情況下提高構件的承載力，提高結(jié)構的剛度和延度。c.外包混凝土法，該方法通過外包鋼筋混凝土加固獨立柱和壁柱，增設鋼筋混凝土扶壁柱加固磚墻，增設鋼筋網(wǎng)混凝土或鋼筋網(wǎng)水泥砂漿(俗稱夾板墻)加固磚墻;與外包鋼法相比，這種方法可更好地實現(xiàn)新舊材料的共同工作。d.粘鋼法和粘貼碳纖維法，該方法通過粘結(jié)劑將鋼板或碳纖維粘貼于構件表面從而提高構件性能;該方法可在不改變構件外形和不影響建筑物使用空間的條件下提高構件的承載力和適用性能。

[1] GB J7-89，建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

[2] Burland J.B.，Worth C.P.，Settlement of buildings and associated damage.Settlement of buildings and associated damage[C].Conference of Settlement of Structures Cambridge，Pentech Press，London ，1974:611-654.

[3] Boscardin M.D.，Cording E.J.Building response to excavationinduced settlement[J].ASCE Journal of Geotechnical Engineering ，1989，115(1):1-21.

[4] 葛衛(wèi)娜，梁青槐.隧道開挖對周圍建筑物造成的損害及治理措施[J].華北科技學院學報，2005，2(3):84-86.

[5] 王占生，王夢恕.盾構施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施[J].中國安全科學學報，2002，12(2):45-49.