隧道盾構(gòu)施工對地面建筑影響分析

徐奧妮, 姜春琳

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院, 江蘇南京 210007)

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隧道盾構(gòu)施工對地面建筑影響分析

徐奧妮, 姜春琳

(解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院, 江蘇南京 210007)

文章結(jié)合某隧道施工工程，研究分析盾構(gòu)施工對地面五層規(guī)則框架式老舊磚混建筑結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，利用ANSYS創(chuàng)建三維地面建筑結(jié)構(gòu)、地層和隧道一體化模型，研究在單線盾構(gòu)推進(jìn)過程中地面磚混建筑結(jié)構(gòu)的差異沉降以及墻、板的應(yīng)力與沉降的變化規(guī)律。

隧道；盾構(gòu)施工；差異沉降；數(shù)值模擬；磚混結(jié)構(gòu)

1　隧道盾構(gòu)施工對周圍建筑物影響的研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于隧道盾構(gòu)施工對周圍建筑物影響的研究并不多，大部分學(xué)者是通過有限元來模擬分析?？浊镎?2007)[1]、葛世平(2008)[2]和姜忻良(2008)[3]運用有限元軟件 ANSYS三維有限元模擬，研究計算了盾構(gòu)法地鐵隧道穿越建筑物時對地面上部建筑物自身沉降和內(nèi)力的影響。當(dāng)隧道穿越處于地面沉降槽凹凸區(qū)上部建筑時，上部建筑底部受壓、頂部受拉，對其引起的長期沉降進(jìn)行了預(yù)測。魏綱(2009)[5]和何永禮(2010)[6]針對隧道下穿地面建筑時的圍巖穩(wěn)定問題，分析了不同的建筑尺寸、建筑位置、建筑荷載在不同的埋深和圍巖條件下地面建筑對隧道的影響規(guī)律。當(dāng)建筑與隧道的相對位置不同時，隧道對建筑的影響大小也不同。徐明(2014)[7]對盾構(gòu)隧道施工過程中數(shù)個地表沉降監(jiān)測斷面和多棟房屋的沉降情況進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測，揭示出房屋剛度對房屋自身變形有很大影響，不考慮房屋剛度得到的沉降預(yù)測結(jié)果可能與實際情況相差較大；同時，采用能夠考慮土體小應(yīng)變剛度特性的數(shù)值模擬，進(jìn)一步揭示隧道開挖過程中房屋剛度對地表下方深層土體變形的影響，并討論這種復(fù)雜的隧道開挖一土體一房屋相互作用的機制。張楊(2015)[8]通過分析南昌市軌道交通2號線一期工程某標(biāo)段區(qū)問隧道影響的工程實例，對既有老式建筑的地基和主體結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行預(yù)測，以避免盾構(gòu)施工時發(fā)生安全事故，同時也為類似工程施工提供理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗，以確保周邊環(huán)境的安全和盾構(gòu)隧道順利施工。

2　盾構(gòu)隧道施工中地面房屋結(jié)構(gòu)安全性的分析

2.1盾構(gòu)隧道-基礎(chǔ)-地面房屋結(jié)構(gòu)一體化建模

本文采用數(shù)值分析結(jié)合現(xiàn)場實測的方法進(jìn)行分析，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)和前提，得到巖石的基本力學(xué)參數(shù)，建立符合實際情況的ANSYS三維有限元模型，分析在盾構(gòu)施工等各種效應(yīng)的影響下上部建筑的位移和應(yīng)力分布規(guī)律，并由此判定上部建筑、周圍土體和盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性，以此作為評價地鐵下穿建筑物穩(wěn)定性評價的依據(jù)。通過數(shù)值分析，綜合評價地鐵下穿建筑物的穩(wěn)定性，得到有益的規(guī)律，為工程快速安全施工提供有力支持。

為研究盾構(gòu)隧道施工中地面房屋結(jié)構(gòu)安全性，分析圍巖和建筑物的應(yīng)力、變形規(guī)律，建立三維數(shù)值模型進(jìn)行計算。在建模過程中對計算區(qū)域作了以下假定：依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),隧道開挖會對周圍3～5 倍范圍(即相對開挖斷面寬度而言)產(chǎn)生影響，為減小邊界效應(yīng)的影響，根據(jù)隧道開挖影響范圍的大小，沿隧道的走向(縱向Z軸)取50 m，與隧道正交的水平方向(橫向X軸)取90 m，豎直方向(Y軸)取70 m，隧道埋深20 m。圍巖、圍巖加固層、建筑物采用Solid45單元，襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Shell63單元。除去建筑物外的所有線條分成10份，大多數(shù)圍巖采用六面體8結(jié)點單元模擬，建筑物以及與建筑物相接觸的那一部分圍巖采用四面體4節(jié)點單元模擬，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬。計算模型的邊界條件是以上部為自由邊界，其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界。具體模型見圖1～圖3。

圖1　隧道開挖三維模型

圖2　三維網(wǎng)絡(luò)劃分

圖3　隧道主體

根據(jù)隧道工程地質(zhì)勘察報告，并參照J(rèn)TG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，得到土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)、房屋結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

2.2盾構(gòu)掘進(jìn)中房屋墻、板應(yīng)力及沉降變化規(guī)律

隧道按2.5 m、5 m、10 m等3種施工步進(jìn)行開挖，加上加載初始地應(yīng)力，共分為6個施工步。房屋距離開挖洞口沿著Z軸方向10 m,距離隧道主體豎直方向20 m。

表1　圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

為了分析墻板應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，取5層房屋模型的3個具有代表性的節(jié)點進(jìn)行分析。其中墻點取2層中點和4層中點2個點，這2點的節(jié)點號是83 755和84 499,分別定義為①號和②號(圖4)。而板則是取頂層樓板中點進(jìn)行分析，節(jié)點號為85 570(圖5)。取的點可能不能很好地反應(yīng)整體的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，但是在局部仍然具有參考價值。

圖4　墻正面節(jié)點

圖5　板俯視面節(jié)點

2.2.1墻板沉降變化分析

當(dāng)施工步為2.5 m時墻體的應(yīng)變變化明顯比板的要小，但是兩者的變化趨勢是一致的，都是逐漸減小，且會出現(xiàn)波動。墻的沉降變化大概在14.5～14.9 mm之間，而板的則是15.4 mm，并且趨于平穩(wěn)。當(dāng)施工步為5 m時，板和墻的沉降基本一致，都是在15.2 mm左右，而且呈線性減小。當(dāng)施工步為10 m時，板和墻的沉降隨著隧道的推進(jìn)與時間呈線性增加，墻的沉降在15.4 mm左右，而板的沉降則明顯比墻的小，大約在15 mm左右。綜上3種情況，可以看出施工步越小，房屋的各種性能越穩(wěn)定，應(yīng)盡量選擇合適的施工步去施工。

2.2.2墻板應(yīng)力變化分析

由模擬數(shù)據(jù)可知，各個施工步的應(yīng)力變化曲線與沉降變化曲線基本一致，故不多加討論。

2.3盾構(gòu)掘進(jìn)中房屋差異沉降分析

差異沉降一般是指同一結(jié)構(gòu)體中相鄰的兩個基礎(chǔ)沉降量的差值，是反映土木工程結(jié)構(gòu)地基的變形特征的重要指標(biāo)。如果差異沉降過大，就會使相應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外應(yīng)力，當(dāng)超過一定限度，將會產(chǎn)生裂縫、傾斜，甚至破壞。

砌體結(jié)構(gòu)主要受差異沉降的影響，當(dāng)?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(yīng)力，而砌體結(jié)構(gòu)的抗拉能力較低，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂甚至破壞[9]。隧道在掘進(jìn)過程中，地表上各點的豎向位移的變化趨勢基本上是一致的。由于分3種施工步，本次分析僅取施工步為5 m進(jìn)行分析。當(dāng)盾構(gòu)下穿上部建筑時，開挖的第3～5開挖步，整個地表迅速下沉，最大下沉量為 15.4 mm，即隧道下穿上部建筑時地表處于快速下沉階段；而當(dāng)隧道開挖結(jié)束時，地表處于平穩(wěn)狀態(tài)，既不下沉也不隆起的狀態(tài)，地表變化不大；在整個的開挖過程中，地表的最小沉降為12.2 mm，而最大沉降值為-15.4 mm，最大沉降值滿足工程的允許沉降值10～20 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要對上部建筑基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

取斷面(z=0、z=15 m)上的地表各個關(guān)鍵點分析盾構(gòu)掘進(jìn)中房屋差異沉降的變化。由于房屋相對于土體比較穩(wěn)定，所以沉降變化都不大。當(dāng)施工步為2.5 m時，z=0，由地表沉降圖可以看出，沉降隨時間變化呈線性變化，具體變化不大，基本在15.3 mm左右。當(dāng)z=10 m時，可以明顯的看出，沉降趨勢與z=0時相同，只不過沉降減小了1.3 mm，此時房屋的差異沉降為1.3 mm?？赡苁怯捎谠谑┕げ降那闆r下，隧道已經(jīng)穿過房屋，隧道反彈導(dǎo)致沉降減少。

目前在實際工程中，一般規(guī)定盾構(gòu)法施工引起的允許地面沉降值為30 mm。數(shù)值計算表明，盾構(gòu)隧道開挖過程中，隧道周圍土體經(jīng)歷先擠壓后應(yīng)力釋放的過程，而最終沉降趨于平穩(wěn)基本維持在15 mm，符合要求。

2.4地表圍巖應(yīng)力變化規(guī)律分析

隨著隧道施工的進(jìn)行可知圍巖應(yīng)力發(fā)生重新分布，待穩(wěn)定后逐漸趨于穩(wěn)定。通過對隧道不同施工步開挖的分析研究，可以得到，圍巖的豎向應(yīng)力最終與開挖時間形成線性變化。而房屋周圍的地表產(chǎn)生的應(yīng)力明顯比距離房屋遠(yuǎn)處要大很多，說明隧道在穿越地表建筑物時，會明顯的產(chǎn)生差異變化。所以當(dāng)隧道穿越建筑物時，要特別注意地應(yīng)力的變化。加強房屋下地層的加固，以免產(chǎn)生房屋應(yīng)力的過度變化，導(dǎo)致裂隙的產(chǎn)生。

而不同的施工步也會產(chǎn)生不同的地應(yīng)力的變化，隨著施工步的增加地應(yīng)力變化也相應(yīng)的增大，這就要求在隧道推進(jìn)時，不要一次推進(jìn)過大，過大的開挖會產(chǎn)生大的應(yīng)力差異變化。適中的推進(jìn)速度，不僅可以減小應(yīng)力的變化，而且還可以很好地穩(wěn)固地層。

3　結(jié)論

本文通過對地下隧道建設(shè)以及地上5層老舊建筑的三維模擬，得到了一系列結(jié)果，分析總結(jié)了盾構(gòu)施工過程中周圍土體的變形規(guī)律，分析了地鐵隧道開挖對下穿建筑物的影響，得到如下結(jié)論。

簡化的上部建筑-地層-隧道三維一體化建模，對其進(jìn)行的數(shù)值分析和實際情況較為吻合，可以作為實際工程設(shè)計和施工的依據(jù)；對隧道開挖過程中影響上部建筑物穩(wěn)定性的因素以及判斷尺度進(jìn)行分析，得出地表沉降是判定主要依據(jù)，而房屋裂縫、傾側(cè)等是地表沉降在房屋破壞上的體現(xiàn)；在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，盾構(gòu)隧道開挖對上部建筑的會產(chǎn)生影響，但是可以保證上部建筑的安全使用；處于安全的考慮，需要對上部建筑采取一定的穩(wěn)定性控制措施，可以采用樁基托換、建筑物本體加固等措施，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

本文存在的不足之處有：建筑模型較為簡化，沒有考慮砌體結(jié)構(gòu)的各項異性與脆性破壞，和實際情況不相符，需要進(jìn)一步完善；實際工程中，土體瞬時沉降的同時還伴隨著排水固結(jié)沉降，還有待于進(jìn)一步改善；需要考慮盾構(gòu)管片接頭的轉(zhuǎn)動效應(yīng)和盾尾部位注漿材料在施工中由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化的凝固過程，較好地反映盾構(gòu)隧道各施工階段的力學(xué)性態(tài)和變形形態(tài)，使結(jié)果更接近實際施工情形還需要作進(jìn)一步的研究。就分析而言，對本研究的模擬主要是通過各個監(jiān)測點的差異沉降和內(nèi)力即應(yīng)力應(yīng)變的變化來確定其穩(wěn)定性的，對建筑物的剛度以及抵抗變形的作用并沒有進(jìn)行充分考慮，會導(dǎo)致實驗?zāi)M數(shù)據(jù)存在一定的不合理性。

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徐奧妮(1992～)，女，在讀碩士研究生，研究方向為防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程。

姜春琳(1992～)，女，在讀碩士研究生，研究方向為防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。

U455.43

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[定稿日期]2016-03-09