隧道施工對(duì)建筑物影響的控制標(biāo)準(zhǔn)研究

王惟瑋，肖盛燮，劉　強(qiáng)

(重慶交通大學(xué)，重慶　400074)

隧道施工對(duì)建筑物影響的控制標(biāo)準(zhǔn)研究

王惟瑋，肖盛燮，劉強(qiáng)

(重慶交通大學(xué)，重慶400074)

肖盛燮(1937—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，重慶市首批學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，重慶大學(xué)博士后流動(dòng)站合作導(dǎo)師，政府特殊津貼獲得者，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)分析及橋梁檢測(cè)加固研究工作。主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)與地方科研項(xiàng)目30余項(xiàng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于災(zāi)變鏈?zhǔn)嚼碚摰亩喾N災(zāi)害深化規(guī)律研究”(50879097)

摘要：文章在參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)與研究成果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前工程實(shí)踐中使用的三種控制標(biāo)準(zhǔn)，即經(jīng)驗(yàn)法、借鑒法和計(jì)算法，分析了它們存在的主要問(wèn)題，并提出了制定控制標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)法及其應(yīng)用流程，以期為隧道施工對(duì)建筑物影響的控制標(biāo)準(zhǔn)制定，提供具有可參考性和可操作性的方法與步驟。

關(guān)鍵詞：隧道施工；建筑物；影響；控制標(biāo)準(zhǔn)；工作方法；研究

0引言

隧道施工改變了原有的地層形態(tài)，從而導(dǎo)致架構(gòu)在原有地層形態(tài)基礎(chǔ)上的地基發(fā)生了形變，最終造成地表建筑物損害。隧道施工造成地表建筑物損害程度的鏈?zhǔn)綑C(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜，但主要由兩個(gè)方面的因素構(gòu)成：(1)隧道施工因素，包括隧道開(kāi)挖方式、斷面大小、結(jié)構(gòu)類(lèi)型等諸多因素；(2)地表建筑物因素，包括建筑物的不同基礎(chǔ)形式、傾斜值、沉降值等等。因此，確定隧道施工對(duì)建筑物影響的控制標(biāo)準(zhǔn)是隧道施工的先決條件。筆者在梳理大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了合理確定控制標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)方法。

1控制標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在隧道施工對(duì)建筑物影響的控制標(biāo)準(zhǔn)方面，做了大量研究工作。例如，國(guó)外Burland等人基于模型試驗(yàn)，提出了現(xiàn)在使用最多的“深梁模型”(將建筑物模擬為一個(gè)簡(jiǎn)支的深梁)。國(guó)內(nèi)王占生、王夢(mèng)恕提出了盾構(gòu)施工過(guò)程中影響區(qū)域的詳細(xì)劃分和對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響進(jìn)行預(yù)測(cè)的詳細(xì)方法。目前，在工程實(shí)踐中廣泛使用的控制標(biāo)準(zhǔn)，概括起來(lái)主要有經(jīng)驗(yàn)法、借鑒法和計(jì)算法。

1.1　經(jīng)驗(yàn)法

建筑物形態(tài)的多種多樣，決定了不同的建筑物具有不同的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同樣的變形對(duì)建筑物的影響也必將不一樣。因此，在隧道施工之前，要調(diào)查摸清它們的特點(diǎn)，并具有針對(duì)性的制定措施和控制標(biāo)準(zhǔn)。與建筑物變形能力密切相關(guān)的因素有很多，如建筑物的建設(shè)使用情況、尺寸、荷載、基礎(chǔ)類(lèi)型、功能、重要性等等。理論上，應(yīng)根據(jù)建筑物的不同特點(diǎn)，確定其抗變形能力，進(jìn)而制定相對(duì)應(yīng)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

但是，在實(shí)際過(guò)程中，使用最多的制定控制標(biāo)準(zhǔn)的方法是經(jīng)驗(yàn)法。所謂經(jīng)驗(yàn)法就是根據(jù)部分專(zhuān)家的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定一個(gè)相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)值。例如，根據(jù)一些專(zhuān)家的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下規(guī)定隧道盾構(gòu)施工中的地面隆起值和地面沉降值，分別為10 mm和30 mm；地面附加傾斜≤1/300等等。顯然，這些一般性的規(guī)定值，具有臨時(shí)性和個(gè)體性，不具備普遍性，更缺乏嚴(yán)肅的科學(xué)性和規(guī)范性。

1.2　借鑒法

所謂借鑒法就是參考相鄰規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值，作為控制標(biāo)準(zhǔn)的一種工程實(shí)踐方法。例如，盾構(gòu)法施工波及鄰近建筑物所造成的破壞性影響，目前還缺乏經(jīng)驗(yàn)數(shù)值和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。因此，在隧道盾構(gòu)施工中引起地層形變，造成周?chē)ㄖ锏钠茐某潭?，只有借鑒其他規(guī)范(如《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》)。但是，這種借鑒規(guī)范的方法也有很多不足。比如，上述規(guī)范中雖然對(duì)各種各樣的建筑的允許沉降值有較清晰的規(guī)定，但由于不同建筑物的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、保護(hù)等級(jí)等千差萬(wàn)別，規(guī)范中所列的值不可能完全覆蓋。因此，不同的工程使用相同的一個(gè)基準(zhǔn)值，就會(huì)造成一些工程顯得太過(guò)保守，而另一些工程卻又過(guò)于激進(jìn)，這必然存在安全隱患。

1.3　計(jì)算法

計(jì)算法就是通過(guò)對(duì)相關(guān)極限條件參數(shù)的控制，得出相應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)的一種方法。當(dāng)前，主要運(yùn)用控制極限參數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行地表沉降對(duì)建筑物影響的評(píng)價(jià)?？刂茦O限條件的計(jì)算方法主要兩種：(1)容許沉降作為地層極限狀態(tài)控制的標(biāo)準(zhǔn)；(2)以建筑物容許應(yīng)變控制的容許沉降作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.1地層極限狀態(tài)控制下的容許沉降

如圖1(a)所示，當(dāng)建筑物的基礎(chǔ)尺寸較小時(shí)，由Peck沉降槽曲線(xiàn)可知，拐點(diǎn)處曲線(xiàn)斜率為最大值，這時(shí)地表沉降曲線(xiàn)的最大斜率，約等于建筑結(jié)構(gòu)有可能產(chǎn)生的最大傾斜值。由于差異沉降，當(dāng)?shù)貙釉跇O限狀態(tài)時(shí)，剪應(yīng)變?cè)趚=i這點(diǎn)達(dá)到極限值，這時(shí)地表沉降曲線(xiàn)的最大斜率為[1]：

(1)

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，建筑物基礎(chǔ)整體的不均勻沉降不能超出所規(guī)定的數(shù)值，并且還應(yīng)該滿(mǎn)足局部不均勻沉降產(chǎn)生的差值。此時(shí)Kmax≤[f]，其中建筑結(jié)構(gòu)的容許傾斜值為[f]，則地表最大容許沉降量如式(2)所示：

(2)

(a)

(b)

1.3.2建筑物容許應(yīng)變控制下的容許沉降

如圖1(b)所示，在分析建筑基礎(chǔ)對(duì)地層表面控制要求時(shí)，如果建筑基礎(chǔ)的尺寸較大，不僅要考慮傾斜，還要考慮地表沉降對(duì)建筑物基礎(chǔ)的繞曲變形，這些有可能使建筑物的基礎(chǔ)發(fā)生斷裂，還有可能使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生受壓裂縫，這時(shí)在受到基礎(chǔ)容許應(yīng)變控制下的基準(zhǔn)沉降值為：

(3)

式中，[ε]=[σ]/E；

[σ]——基礎(chǔ)的極限抗拉強(qiáng)度；

E——基礎(chǔ)彈性模量；

x——隧道中心線(xiàn)到建筑物外邊緣距離。

根據(jù)Peck曲線(xiàn)可知：由式(1)可以得到在基礎(chǔ)受彎的最不利情況為x=i時(shí)：

(4)

目前判斷結(jié)構(gòu)變形是否超過(guò)極限值，都是以建筑基礎(chǔ)的變形來(lái)代替建筑物的變形，這樣計(jì)算比較簡(jiǎn)單而且概念明確。但是，這種計(jì)算簡(jiǎn)化了建筑物的一些使用現(xiàn)狀參數(shù)，如建筑物的建造時(shí)期、使用荷載情況、結(jié)構(gòu)類(lèi)型等，在工程實(shí)踐中存在著明顯的不足。

最近幾年，在施工實(shí)踐中，大多使用英國(guó)Jubilee延長(zhǎng)線(xiàn)控制標(biāo)準(zhǔn)確定地表沉降對(duì)建筑物的影響[2]。這種方法認(rèn)為，拉應(yīng)變導(dǎo)致了建筑物破壞，并將建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)均質(zhì)彈性地基梁。

結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)變和剪切拉應(yīng)變，在地表水平應(yīng)變和垂直沉降的作用下，可以由式(5)和式(6)進(jìn)行計(jì)算：

εbr=εh+εbmax

(5)

(6)

上式中，εbr——彎曲拉應(yīng)變；

εdr——剪切拉應(yīng)變和；

εbmax——僅僅考慮地表建筑物垂直位移和強(qiáng)度參數(shù)與幾何尺寸的彎曲拉應(yīng)變；

εdmax——剪切拉應(yīng)變，可以按式(7)、(8)計(jì)算：

(7)

(8)

式中，I——建筑物剪切模量(kPa)；

L——建筑物等效梁沿垂直隧道縱向的長(zhǎng)度(m)；

t——等效梁中性軸距梁底邊的最大距離(m)；

μ——建筑物泊松比；

Δ——建筑物等效梁變形量(m)；

H——建筑物等效梁高度(m)；

I——建筑物等效的慣性矩(m4)；

E——建筑物彈性模量(kPa)，如下頁(yè)圖2所示。

εh為地表水平應(yīng)變，按式(9)和式(10)計(jì)算：

(9)

(10)

上述公式中，x——沿隧道縱向；

y——垂直走向；

z——垂直向下坐標(biāo)方向；

z0——隧道中線(xiàn)距離地表的深度；

w——地表在y方向的水平位移函數(shù)；

xi——隧道起點(diǎn)；

xf——工作面位置坐標(biāo)；

i——沉降槽反彎點(diǎn)在y軸上的坐標(biāo)值；

z0——隧道中線(xiàn)距離地表的深度；

G(a)——概率分布函數(shù)；

Vs——在隧道縱向方向單位長(zhǎng)度內(nèi)的沉降槽體積。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，以及上述方法得到的計(jì)算結(jié)果，將εbr和εdr中的較大值代入表1，可以對(duì)隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物的影響進(jìn)行評(píng)判。圖2為隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物產(chǎn)生的變形圖。

表1　損壞等級(jí)和極限拉應(yīng)變間的關(guān)系表

圖2　開(kāi)挖引起的建筑物變形示意圖

上述方法雖然有一定的應(yīng)用價(jià)值，但是并不完善，在工程實(shí)踐中存在一定的問(wèn)題。通過(guò)Jubilee延長(zhǎng)線(xiàn)準(zhǔn)則可以將建筑結(jié)構(gòu)看成一個(gè)均質(zhì)彈性地基梁，沒(méi)有考慮建筑物本身情況(如門(mén)窗柱位置、結(jié)構(gòu)幾何尺寸等)，只考慮了剪切應(yīng)變與彎曲拉應(yīng)變，導(dǎo)致實(shí)際情況與分析結(jié)果之間存在差距，這樣，廣泛應(yīng)用于類(lèi)似工程就非常困難。此外，實(shí)際工程中最終使用的控制標(biāo)準(zhǔn)，不一定就是現(xiàn)在估算出的抗變形能力。因?yàn)樵诤罄m(xù)過(guò)程控制和施工的過(guò)程中，還可能根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整，它不完全等于經(jīng)過(guò)初次評(píng)估得到的建筑物容許變形值。

2動(dòng)態(tài)法及其應(yīng)用

綜上所述，由于隧道施工處于不同的城市環(huán)境中，對(duì)建筑物的影響也各不相同，當(dāng)前用于制定控制標(biāo)準(zhǔn)的方法都存在明顯的局限性。為此，筆者在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，給出了關(guān)于對(duì)建筑物進(jìn)行評(píng)判的一般性原則，并進(jìn)一步提出了確定控制標(biāo)準(zhǔn)的一般工作流程，即所謂的動(dòng)態(tài)法。希望為隧道施工對(duì)建筑物影響的控制標(biāo)準(zhǔn)制定提供具有可參考性和可操作性的方法。

2.1　基本原則

2.1.1分步控制原則

當(dāng)在多個(gè)建筑物下開(kāi)挖隧道時(shí)，應(yīng)先對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，并按不同保護(hù)等級(jí)和控制要求進(jìn)行分級(jí)，然后實(shí)施分步目標(biāo)控制。在施工過(guò)程中的各個(gè)階段，不僅要提出每個(gè)階段的控制標(biāo)準(zhǔn)，而且還要和施工過(guò)程密切結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)分步目標(biāo)達(dá)到總體目標(biāo)的可控性，應(yīng)該在時(shí)間和空間上，對(duì)結(jié)構(gòu)總體的控制值實(shí)行分階段的控制。

2.1.2全局統(tǒng)籌原則

在施工實(shí)踐中，對(duì)于重點(diǎn)保護(hù)的建筑結(jié)構(gòu)，制定實(shí)際操作步驟和安全控制標(biāo)準(zhǔn)的上限值尤為重要，但是也不能忽視其他影響因素。爭(zhēng)取最大程度做到全局統(tǒng)籌，全面兼顧。(1)應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)變形的特點(diǎn)，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量與安全；(2)控制標(biāo)準(zhǔn)要依據(jù)工程要求、施工水平及預(yù)測(cè)分析等因素，結(jié)合現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，全面統(tǒng)籌制定施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2　工作程序

根據(jù)兩項(xiàng)基本原則，可以通過(guò)獲取原始結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形極限值、初定控制標(biāo)準(zhǔn)和不斷調(diào)整完善四個(gè)基本步驟，科學(xué)地制定相應(yīng)的施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1獲取原始結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)

(1)測(cè)量施工前建筑物已存在的變形數(shù)據(jù)。(2)以實(shí)際變形數(shù)據(jù)為依據(jù)，修正理論分析結(jié)果，即數(shù)值計(jì)算結(jié)果要充分體現(xiàn)建筑物的變形現(xiàn)狀。這在數(shù)值分析過(guò)程中，通過(guò)減少建筑材料的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。從本質(zhì)上看，這里得到了施工前建筑物結(jié)構(gòu)的原始穩(wěn)定系數(shù)。

2.2.2預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形極限值

考慮到隧道施工因素對(duì)建筑物損害程度的影響，對(duì)事前制定的某一種或幾種擬定工法，進(jìn)行軟件分析，提前預(yù)估結(jié)構(gòu)的變形及其分布規(guī)律?？傮w說(shuō)來(lái)，通過(guò)軟件模擬分析，可以依據(jù)結(jié)構(gòu)變形的不同響應(yīng)情況，形成一組或若干組，相對(duì)應(yīng)不同工法的結(jié)構(gòu)變形分布規(guī)律圖。隨著變形不停地累加，可以找到結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的臨界狀態(tài)和與其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)變位值，也就是結(jié)構(gòu)變形的極限值。

2.2.3初定控制標(biāo)準(zhǔn)

隧道施工環(huán)境千差萬(wàn)別，所以要全面、合理、科學(xué)地選擇控制指標(biāo)。根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)變形極限值，再通過(guò)相應(yīng)的安全系數(shù)，就可以獲得經(jīng)過(guò)衰減的極限值。上述極限值，就是影響結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)的初始值。

2.2.4不斷調(diào)整完善

如果施工中遇到圍巖等級(jí)調(diào)整、施工條件變化等狀況時(shí)，可以按照預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)變形極限值和初定控制標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)步驟，進(jìn)一步調(diào)整完善施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究成果的進(jìn)一步分析，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

(1)梳理了目前國(guó)內(nèi)外主要使用的一些控制標(biāo)準(zhǔn)方法，而且指出了這些控制方法存在的不足之處。

(2)提出了制定控制標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)方法。相對(duì)隧道工程來(lái)說(shuō)，有很多復(fù)雜多變的影響控制標(biāo)準(zhǔn)的因素，如地層條件的變化、隧道施工方法、建筑物的加固效果等。其中任何一種因素的變化，都將影響建筑物的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，在隧道施工進(jìn)程中，要以滿(mǎn)足建筑物的安全為根本標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況科學(xué)地、動(dòng)態(tài)地調(diào)整控制標(biāo)準(zhǔn)。

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Research on Control Standards of Tunnel Construction Influence on Buildings

WANG Wei-wei，XIAO Sheng-xie，LIU Qiang

(Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

Abstract：Based on referring to related domestic and foreign literature and research results，this article summarized three kinds of control standards used in current engineering practice，namely experience method，reference method and calculation method，analyzed their main problems，and proposed the dy-namic method to develop the control standard as well as its application process，so as to provide the methods and procedures with reference value and operability for the control standards figuretion of tunnel construction influence on buildings.

Key Words：Tunnel construction；Buildings；Influence；Control standards；Working methods；Research

收稿日期：2015-02-05

文章編號(hào)：1673-4874(2015)02-0013-05

中圖分類(lèi)號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.004

基金項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介
王惟瑋(1986—)，男，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程；
劉強(qiáng)(1987—)，男，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程。