數(shù)值模擬盾構(gòu)不同角度穿越砌體結(jié)構(gòu)房屋

吳海峰,魏綱(1．杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州 31001; ．浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系,浙江杭州 310015)

數(shù)值模擬盾構(gòu)不同角度穿越砌體結(jié)構(gòu)房屋

吳海峰1?,魏綱2
(1．杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州 310012; 2．浙江大學(xué)城市學(xué)院土木工程系,浙江杭州 310015)

摘 要:盾構(gòu)法隧道施工會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng),進(jìn)而引起地面沉降,導(dǎo)致鄰近建筑物傾斜、開(kāi)裂乃至坍塌等一系列問(wèn)題。對(duì)于如杭州這樣的建筑方位不規(guī)整城市,在地鐵施工中經(jīng)常會(huì)遇到隧道以一定角度從建筑物下方或鄰近穿越的工況,將引起建筑物的永久性扭曲變形[1],產(chǎn)生較大危害。本文采用三維MIDAS/ GTS軟件,模擬盾構(gòu)隧道以0°、22．5°、45°、67．5°、90°穿越引起的建筑物附加沉降及墻體受力,分析盾構(gòu)不同角度穿越砌體結(jié)構(gòu)房屋規(guī)律。

關(guān)鍵詞:盾構(gòu);砌體結(jié)構(gòu);沉降

1 前 言

目前關(guān)于盾構(gòu)法隧道施工對(duì)建筑物影響的研究方法主要有:解析方法[1～2]、和有限元方法[3～7]等。其中有限元方法應(yīng)用最多,研究發(fā)現(xiàn):①對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑物的研究較多[3～6]。對(duì)磚混結(jié)構(gòu)建筑物的研究較少[7],雖然采用了三維模擬,但都比較簡(jiǎn)單,存在不足:如沒(méi)有詳細(xì)研究隨盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖面穿越前后,建筑物的受力與變形規(guī)律;盾構(gòu)施工模擬中沒(méi)有考慮正面附加推力、盾殼摩擦力和注漿影響,不夠精細(xì);沒(méi)有考慮土質(zhì)條件、建筑物層數(shù)、隧道與建筑物水平及垂直位置改變等影響因素;②絕大多數(shù)都是研究隧道平行或垂直穿越建筑物的工況[3～7],僅文獻(xiàn)[7]對(duì)隧道斜穿建筑物工況進(jìn)行研究,但該文在研究中將建筑物簡(jiǎn)化為等效荷載,存在不足。綜上所述,目前對(duì)盾構(gòu)隧道不同角度穿越磚混結(jié)構(gòu)建筑物工況的研究還不多,需要深入研究盾構(gòu)以什么角度穿越建筑物比較合理。

2 鄰近建筑物工況的盾構(gòu)隧道施工三維有限元模擬

2．1模型建立及參數(shù)取值

盾構(gòu)隧道外直徑為6．3 m,隧道軸線埋深為12 m,盾構(gòu)機(jī)身長(zhǎng)8 m,盾殼厚7 cm。襯砌每環(huán)寬1 m,厚0．35 m,采用C50混凝土。建筑物墻體為磚混結(jié)構(gòu),地上2層,每層高3 m,橫向?yàn)?開(kāi)間,縱向?yàn)?開(kāi)間,墻軸線間距均為4．3 m,墻體厚0．3 m,外輪廓為13．2 m×8．9 m。墻上開(kāi)門及窗,門的大小為2 m×1 m,窗為1．5 m×1 m,窗下沿距地面1 m,門與窗均位于兩堵墻的中間位置。為建模方便和盡量減少單元數(shù),在有限元模擬中采用荷載代替樓板的自重與活載,在墻頂面上施加均布荷載30 kPa?；A(chǔ)為條形基礎(chǔ),采用C20混凝土,埋深1．5 m,寬0．6 m,外輪廓為13．5 m×9．2 m。整個(gè)模型在橫向取80 m,豎向取40 m,縱向取70 m。

假定土體為均質(zhì)土層,本構(gòu)模型采用莫爾-庫(kù)倫模型。襯砌、墻體和基礎(chǔ)均采用線彈性模型。盾殼和襯砌采用板單元,墻體、基礎(chǔ)和土體均采用實(shí)體單元。通過(guò)對(duì)墻體材料彈性模量進(jìn)行折減,來(lái)考慮磚混墻體為非連續(xù)介質(zhì)及其隨時(shí)間的損耗和房屋破損。模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

材料物理力學(xué)參數(shù) 表1

如圖1所示,為便于比較,模擬時(shí)盾構(gòu)隧道軸線均通過(guò)建筑物中心點(diǎn)即兩條軸線交叉處),令隧道開(kāi)挖面與建筑物橫墻的夾角為α,分別取α= 0°、α= 22．5°、α=45°、α=67．5°、α=90°。令縱墻命名為A、B、C、D,橫墻命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。隧道掘進(jìn)方向采用y坐標(biāo)表示,令開(kāi)挖面到達(dá)建筑物中心點(diǎn)時(shí)掘進(jìn)距離y=0,掘進(jìn)距離y到達(dá)前定義為負(fù)值,通過(guò)后定義為正值。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1　建筑物與隧道俯視圖(單位/ m)

圖2　網(wǎng)格劃分圖

2．2有限元模擬步驟

模擬時(shí)假定:①忽略地下水的滲透作用,土體本身變形與時(shí)間無(wú)關(guān);②墻體與基礎(chǔ),基礎(chǔ)與土體采用變形協(xié)調(diào)計(jì)算的方法;③隧道開(kāi)挖前地面沉降為零,即不考慮建造建筑物引起的地面沉降。

有限元模擬步驟包括:①模擬土體生成,考慮土體自重,位移清零,只保留應(yīng)力;②模擬建筑物生成,考慮建筑物自重和頂部荷載,位移清零,只保留應(yīng)力;③采用“剛度遷移法”模擬盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程,盾構(gòu)機(jī)每向前推進(jìn)一步作相應(yīng)變化:殺死該開(kāi)挖步處的土體單元,土體釋放應(yīng)力,在開(kāi)挖面處施加支護(hù)力,激活盾殼單元,施加摩擦力;將最后面一段原盾殼單元修改單元屬性,變?yōu)橐r砌單元,去掉摩擦力,施加注漿壓力。實(shí)際工程中每環(huán)襯砌寬1 m,為減少計(jì)算量,每個(gè)開(kāi)挖步殺死2 m的土體單元。盾殼與土體之間的摩擦力和開(kāi)挖面支護(hù)力均假定為均布力,摩擦力和正面附加推力分別取45 kPa和20 kPa[8]。采用等效均布力來(lái)模擬盾尾同步注漿,取值為37 kPa[3]。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3．1位移分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算,如果不考慮建筑物,盾構(gòu)施工引起的地面沉降曲線呈正態(tài)分布,與Peck公式預(yù)測(cè)值很吻合,最大地面沉降量為11．41 mm,地面沉降槽寬度系數(shù)i=kh =0．48×12=5．76 m,土體損失率為0．53%,表明有限元模擬的可靠性。限于篇幅,本文僅研究部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖3中的中心點(diǎn)為建筑物的幾何中心(見(jiàn)圖1)。如圖所示:①在開(kāi)挖面通過(guò)前,基礎(chǔ)先產(chǎn)生微小的隆起,隨后產(chǎn)生急劇沉降;當(dāng)開(kāi)挖面剛通過(guò)基礎(chǔ)(y=12 m)時(shí),沉降達(dá)到最大值;當(dāng)開(kāi)挖面遠(yuǎn)離建筑物后,沉降值趨于穩(wěn)定;②當(dāng)y<8 m之前,不同角度穿越引起的中心點(diǎn)豎向變形曲線數(shù)值很接近,幾乎一致; (3)當(dāng)y＞8 m后開(kāi)始分散,并隨角度的增大而增大, 67．5°與90°之間仍保持一致并且數(shù)值很接近。

圖3　中心點(diǎn)不同角度基底沉降比較

圖4為y=44 m盾構(gòu)不同角度穿越時(shí)橫墻I基礎(chǔ)頂面沉降曲線,此時(shí)建筑物沉降已穩(wěn)定。由圖可知:①當(dāng)隧道軸線與墻體垂直時(shí)墻體的沉降曲線呈現(xiàn)中間大兩邊小;②22．5°、45°、67．5°穿越時(shí)變化規(guī)律基本相同,呈現(xiàn)單調(diào)減小。并且22．5°的沉降量<45°的沉降量<67．5°的沉降量;③當(dāng)隧道軸線與墻體平行時(shí)沉降曲線基本成一條水平直線。

圖4　不同角度時(shí)橫墻I基礎(chǔ)頂面沉降比較(y=44 m)

圖5為不同角度穿越時(shí)橫墻I的首尾沉降差比較。如圖所示:①沉降差除0°穿越外均呈現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn);當(dāng)開(kāi)挖面到達(dá)建筑物中心點(diǎn)(y=0)時(shí),沉降差均達(dá)到峰值;0°時(shí)隧道與橫墻I垂直,此時(shí)橫墻Ⅰ的沉降曲線呈對(duì)稱分布(如圖5所示),故首尾沉降差幾乎為零;②在各角度穿越過(guò)程中,67．5°穿越時(shí)在開(kāi)挖面到達(dá)建筑物中心點(diǎn)時(shí)沉降差最大(此時(shí)墻體與隧道軸線成22．5°時(shí)),表明此時(shí)墻體比較危險(xiǎn);③90°穿越時(shí)的首尾沉降差變化最大,0°穿越的首尾沉降差變化最小。

圖5　不同角度穿越時(shí)橫墻I首尾沉降差比較

圖6為盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中最大縱向水平位移變化比較,縱向水平位移以圖1中y方向?yàn)檎Ｓ蓤D可知:①不同角度穿越引起的變化曲線比較相似;②當(dāng)開(kāi)挖面到達(dá)建筑物中心軸時(shí),各角度穿越時(shí)的最大縱向水平位移均達(dá)到最大值,45°穿越時(shí)值最大。

圖6　盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程最大縱向水平位移變化比較

圖7為α= 45°,y =44 m時(shí)放大后的建筑物豎向變形示意圖(向圖內(nèi)為掘進(jìn)方向),當(dāng)隧道斜穿建筑物工況時(shí),由于隧道施工引起的地面橫向沉降槽呈正態(tài)分布,導(dǎo)致靠近隧道軸線側(cè)的建筑物沉降要比遠(yuǎn)離隧道軸線側(cè)的大,使建筑物產(chǎn)生永久的雙向不均勻沉降,此時(shí)建筑物受扭。

圖7　放大后的建筑物變形(α=45°,y=44 m)

3．2應(yīng)力分析

磚混結(jié)構(gòu)的裂縫或破壞一般由剪應(yīng)變或拉應(yīng)變超過(guò)其允許值引起[9]。最開(kāi)始的裂縫是由剪切變形導(dǎo)致的,如圖8所示:①隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離增大,墻體最大剪應(yīng)變先略微減小,原因是由于基礎(chǔ)產(chǎn)生微小隆起;隨后逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定;②各角度穿越均在y=4 m ～12 m之間時(shí)達(dá)到剪應(yīng)變最大(墻體開(kāi)裂程度最大),而最大差異沉降位置發(fā)生在y=0 m時(shí),所以說(shuō)明墻體差異沉降大小與最大剪應(yīng)變不存在直接關(guān)系,不能單以差異沉降量來(lái)判斷磚混結(jié)構(gòu)建筑物的安全性。當(dāng)y ＞22 m后,剪應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定且大于初始值,原因在于建筑物產(chǎn)生永久的扭曲變形;③從剪應(yīng)變曲線可以看出,隨著角度增加隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物產(chǎn)生的永久扭曲變形減小,0°產(chǎn)生的墻體最大剪應(yīng)變最大,其次是22．5°、45°、67．5°、90°,67．5°與90°比較接近。

圖8　最大剪應(yīng)變曲線比較

4 結(jié) 論

(1)建筑物基底沉降量變化趨勢(shì)基本相同,均是迅速增大達(dá)到最大值(y=12 m)后有所回彈,然后趨于穩(wěn)定。中心點(diǎn)則呈現(xiàn)隨角度增加而增大的現(xiàn)象。

(2)建筑物沉降穩(wěn)定時(shí),隧道軸線與墻體垂直時(shí)墻體的沉降曲線呈現(xiàn)中間大兩邊小,22．5°、45°、67．5°穿越時(shí)變化規(guī)律基本相同,呈現(xiàn)單調(diào)減小,并且22．5°的沉降量<45°的沉降量<67．5°的沉降量。當(dāng)隧道軸線與墻體平行時(shí)沉降曲線基本成一條水平直線。

(3)隨著盾構(gòu)掘進(jìn)距離增大,墻體最大剪應(yīng)變先略微減小,隨后逐漸增大,最后趨于穩(wěn)定且大于初始值。隨著角度增加,隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物產(chǎn)生的永久扭曲變形減小,0°產(chǎn)生的墻體最大剪應(yīng)變最大,其次是22．5°、45°、67．5°、90°,67．5°與90°比較接近。

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Numerical Simulation of Shield Through the Masonry Structure at Different Angles

Wu Haifeng1,Wei Gang2
(1．Hangzhou Geotechnical Engineering and Surveying Research Institute,Hangzhou 310012,China; 2．Department of Civil Engineering,Zhejiang University City College,Hangzhou 310015,China)

Abstract:Shield Construction will result in disturbances to the surrounding soil,thus causing ground settlement, leading to adjacent structures a series of problems such as tilt,crack and even collapse．Subway tunnel construction always crosses through with a certain angle at the bottom of adjacent building inHangzhou,which will cause permanent distortion to buildings．By using three-dimensional MIDAS/ GTS software,shield crossed the building with 0 degree,22．5 degrees,45 degrees,67．5 degrees,90 degrees was simulated,and the additional settlement of building and wall stress were also analyzed．Analysis of different angles crossing the masonry structure building．

Key words:shield;building;settlement

文章編號(hào):1672-8262(2015)06-158-04中圖分類號(hào):TU91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—05—13

作者簡(jiǎn)介:吳海峰(1988—),男,助理工程師,主要從事巖土工程設(shè)計(jì)等技術(shù)工作。