雙線盾構(gòu)施工穿越對上部框架結(jié)構(gòu)影響有限元分析

黃德洲，方詩圣，方程誠

(合肥工業(yè)大學(xué) 建筑工程系，安徽 宣城 242000)

0 引言

在我國盾構(gòu)法施工已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，由于城市地鐵線路集中在市區(qū)，地鐵隧道周圍建筑物比較多，這不僅給地鐵盾構(gòu)施工帶來困難，同時(shí)地鐵盾構(gòu)也會對穿越建筑物的安全和正常使用帶來影響。

針對上述問題，文獻(xiàn)[1～2]建立了三維有限元數(shù)值模型，研究了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道開挖對鄰近樁基的影響規(guī)律，提出了計(jì)算盾構(gòu)隧道開挖對鄰近樁基影響的理論方法。文獻(xiàn)[3～4]研究計(jì)算了盾構(gòu)法地鐵隧道穿越建筑物時(shí)對建筑物自身沉降和內(nèi)力的影響。文獻(xiàn)[5～12]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)出盾構(gòu)施工對鄰近建筑物的影響規(guī)律，分析了地質(zhì)條件、基礎(chǔ)類型等因素與建筑物變形的關(guān)系，進(jìn)一步將模擬計(jì)算值與實(shí)測變形值進(jìn)行對比，吻合度較好。文獻(xiàn)[13]利用Sagaseta縱向地表變形計(jì)算公式，推導(dǎo)出雙線平行盾構(gòu)掘進(jìn)影響區(qū)內(nèi)淺基礎(chǔ)建筑物地基、基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的力學(xué)模型，總結(jié)了淺基礎(chǔ)框架建筑物變形以及彎矩變化規(guī)律。

盾構(gòu)穿越框架結(jié)構(gòu)時(shí)，盾構(gòu)隧道開挖造成的土體-隧道-建筑物之間相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，也是現(xiàn)在地鐵盾構(gòu)施工急需要解決的問題。

目前關(guān)于地鐵隧道盾構(gòu)施工影響的研究主要在土體沉降方面，關(guān)于盾構(gòu)隧道施工對建筑物影響的研究主要集中在對鄰近樁基礎(chǔ)、砌體墻的影響，對框架建筑物地表以上梁、柱影響的研究較少，因此需作進(jìn)一步研究。

本文采用考慮了框架結(jié)構(gòu)與土體共同節(jié)點(diǎn)位移和相互之間空間位置關(guān)系的三維有限元模型，對雙線盾構(gòu)隧道先后穿越某5層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性框架受力分析和變形研究，增進(jìn)對框架結(jié)構(gòu)因?yàn)殡p線盾構(gòu)而產(chǎn)生內(nèi)力、變形甚至破壞的理解，從而更好的指導(dǎo)實(shí)際盾構(gòu)施工和預(yù)防建筑物破壞。

1 建立三維有限元模型

1.1 有限元建模情況

土體模型的尺寸長90 000 mm(x方向)、寬48 000 mm(y方向)、高 48 000 mm(z方向)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)平面幾何尺寸(14 400×15 000)mm，基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約為2 500 mm，第一層層高為3 900 mm，其余層高均為3 600 mm?？蚣苤?、梁截面尺寸為450 mm×450 mm、300 mm×600 mm，各層樓板厚度均為120 mm。雙線平行盾構(gòu)隧道中心軸線在土體內(nèi)深度為18 000 mm，隧洞直徑D為6 315 mm，雙線平行隧道中心軸線相距為13 800 mm，隧道襯砌厚度為300 mm，盾構(gòu)殼縱向尺寸為9 000 mm，盾構(gòu)機(jī)殼厚度取為7.5 mm。盾構(gòu)外殼長9 600 m、盾構(gòu)每環(huán)距離為12 000 mm。

框架結(jié)構(gòu)平面如圖1，有限元模型剖面如圖2所示，圖中符號DJ、Z分別表示獨(dú)立基礎(chǔ)、框架柱。盾構(gòu)施工期間對該框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了現(xiàn)場沉降觀測，建筑物測點(diǎn)布置、隧道與建筑物相對位置關(guān)系分別如圖3、4所示。

圖1 框架結(jié)構(gòu)平面

圖2 建筑物測點(diǎn)布置

圖3 有限元模型平面

圖4 隧道與建筑物相對位置關(guān)系

土體與上部框架結(jié)構(gòu)有限元模型如圖5。

圖5 三維有限元模型

有限元模型物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

有限元建模過程如下。

(1)框架結(jié)構(gòu)需同時(shí)考慮混凝土和鋼筋的剛度，如果混凝土采用實(shí)體單元、鋼筋采用梁單元模擬，則單元數(shù)目非常多，不方便建模和計(jì)算。因此本文采用等效剛度的方法計(jì)算出鋼筋和混凝土等效剛度可以保證計(jì)算的精度，又可以加快有限元軟件運(yùn)算速度。然后體采用梁單元建出整個(gè)框架模型，這不僅會給計(jì)算帶來很大的方便，同時(shí)也可保證計(jì)算結(jié)果一定的準(zhǔn)確性。

等效剛度的計(jì)算公式為：

其中，S1為混凝土截面的面積；S2為鋼筋截面的面積；S為混凝土和鋼筋截面的總面積；k1為混凝土截面的剛度；k2為鋼筋截面的剛度。

由此計(jì)算出鋼筋混凝土梁、柱、板的彈性模量為30 GPa，樁基的彈性模量為20 GPa。

(2)土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，由于土體體積較大，所以為土體劃分單元時(shí)將上部隧道周邊土體細(xì)分，而將其余土粗略劃分。

(3)隧道盾構(gòu)施工的有限元模擬采用ABAQUS生死單元功能，先將襯砌、注漿層和盾構(gòu)機(jī)外殼殺死，然后將隧道土體按開挖步分步殺死。

(4)盾構(gòu)機(jī)外殼的厚度遠(yuǎn)小于長度，因此盾構(gòu)機(jī)外殼采用殼單元模擬，土體、襯砌以及注漿層均采用實(shí)體單元模擬。

(5)假定受力情況為有限元模型整體受重力、樓屋面板受均布荷載壓強(qiáng)為0.25 MPa、盾構(gòu)掘進(jìn)面受均布荷載壓強(qiáng)為0.3 MPa。

2 有限元計(jì)算分析

五層框架結(jié)構(gòu)框架柱的x、y方向水平位移、傾斜度分別如圖6、7所示。

圖6 框架柱的x方向水平位移

圖7 框架柱的y方向水平位移

由圖6可知，框架柱Z2的x方向水平位移最小，Z1、Z3的x方向水平位移以Z2的x方向水平位移為對稱軸相對稱。由圖7可知，框架柱Z1、Z2、Z3的y方向水平位移絕對值沿著柱高向上逐漸增大，這表明盾構(gòu)完成時(shí)框架柱向盾構(gòu)掘進(jìn)反向傾斜，框架柱y方向水平位移大于x方向水平位移。

同上述有限元建模過程，建立了不同層數(shù)的有限元模型，不同層數(shù)框架結(jié)構(gòu)框架柱的x、y方向如圖 8、9所示。

圖8 框架柱的x方向傾斜度

圖9 框架柱的y方向傾斜度

由圖8可知，層數(shù)越高的框架結(jié)構(gòu)，框架中柱Z2的x方向傾斜度越大，且隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，Z2的x方向傾斜度先增大后減小。由圖9可知，層數(shù)越高的框架結(jié)構(gòu)，框架中柱Z2的y方向傾斜度越大，且隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)Z2的y方向傾斜度在左右雙線盾構(gòu)分別通過Z2下方時(shí)最大。這表明盾構(gòu)在通過Z2之前x、y方向傾斜度會增大，通過Z2之后x、y方向傾斜度會減小。柱身x、y方向水平位移近似線性增大，所以盾構(gòu)完成時(shí)不同情況下柱x、y方向傾斜度均小于框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角限值1/550符合高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果對比

3.1 柱底沉降監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

柱底沉降實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對比如圖10所示，圖中左、右側(cè)隧道分別代表盾構(gòu)掘進(jìn)左、右側(cè)隧道。由圖10可知：

圖10 隨著盾構(gòu)掘進(jìn)柱底沉降值變化曲線

(1)C1、C3、A1和A3柱底沉降量的數(shù)值模擬或?qū)崪y數(shù)據(jù)均表明隧道盾構(gòu)施工離柱較近時(shí)對柱底沉降變化較大，隧道盾構(gòu)施工離柱較遠(yuǎn)時(shí)隨著盾構(gòu)掘進(jìn)柱底沉降變化不大(C1表示C軸與1軸的交點(diǎn)位置)。

(2)在同一柱基A1底部處通過有限元模擬和實(shí)際監(jiān)測解得的沉降量最大，其柱底實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與有限元模擬結(jié)果非常接近，實(shí)際監(jiān)測值最大為-17.59 mm，有限元模擬值為-18.09 mm；

(3)有限元模擬與實(shí)際監(jiān)測取得的柱底C1、C3、A1和A3的沉降量比較接近；

柱底沉降實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對比表明可以運(yùn)用有限元模擬的方式預(yù)測地鐵隧道盾構(gòu)下穿對框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

3.2 房屋傾斜檢測監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

盾構(gòu)完成后根據(jù)現(xiàn)場條件，選取該建筑物的4角進(jìn)行傾斜測量，測量、模擬結(jié)果見表2。

表2 房屋傾斜測量、模擬結(jié)果

主體結(jié)構(gòu)傾斜測量結(jié)果表明：該建筑物2016年11月16日各觀測點(diǎn)的傾斜度分布在H/5701～H/4266之間(包括施工誤差和外裝修的影響)，而各觀測點(diǎn)的有限元模擬傾斜率在 H/4986～H/3383之間，各觀測點(diǎn)實(shí)測、模擬傾斜量均未超過《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》限值H/200。

3.3 房屋相對沉降檢測檢測監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

根據(jù)實(shí)際情況，盾構(gòu)開挖前采用全站儀對房屋進(jìn)行相對沉降觀測。選取一處基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上布置觀測點(diǎn)量測建筑物的相對沉降，并在有限元模型上選取相應(yīng)測點(diǎn)的沉降，測點(diǎn)布置圖及房屋相對沉降趨勢示意圖見圖11。整體傾斜的限值為4‰，相鄰柱基沉降差限值為0.002 L，故該房屋主體基礎(chǔ)剩余整體傾斜為3.79‰，剩余相鄰柱基沉降差為0.0017 L。

圖11 基礎(chǔ)相對沉降示意圖(mm)

數(shù)值模擬計(jì)算過程數(shù)值分析結(jié)論如下：

1.最大地表沉降值為18.23 mm；

2.建筑物最大豎向位移值為26.83 mm；

3.建筑物最大整體傾斜率為0.4‰；

4.建筑物最大相鄰柱基沉降差為0.0008 L。

根據(jù)建筑檢測結(jié)果以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果：該建筑基礎(chǔ)既有最大整體傾斜為0.21‰，模擬施工引起房屋基礎(chǔ)最大整體傾斜0.4‰，預(yù)測基礎(chǔ)總最大整體傾斜為0.61‰；該建筑既有最大相鄰柱基沉降差為0.0003 L，模擬施工引起最大相鄰柱基沉降差為0.0008 L，預(yù)測最大相鄰柱基沉降差為0.0011 L。兩指標(biāo)均未超《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)關(guān)于同類建筑基礎(chǔ)變形的限值(4‰及0.002L)，據(jù)此可以預(yù)測盾構(gòu)開挖對該建筑物的影響在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算，既有建筑基礎(chǔ)最大整體傾斜為0.21‰，最大相鄰柱基沉降差為0.0003 L，均未超出《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)關(guān)于同類建筑基礎(chǔ)變形的限值(4‰及0.002 L)?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)關(guān)于同類建筑

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS模擬合肥地區(qū)地鐵隧道盾構(gòu)的實(shí)際工程，結(jié)合實(shí)測建筑物變形數(shù)據(jù)研究了雙線地鐵隧道盾構(gòu)施工對區(qū)間內(nèi)某五層框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，得出了下列結(jié)論：

(1)隨著框架結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，框架中柱Z2的x方向傾斜度逐漸變大，而隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)Z2的x方向傾斜度先增大后減小?？蚣苤兄鵝2的y方向傾斜度逐漸變大，而隨著左右雙線盾構(gòu)分別通過Z2下方時(shí)Z2的x、y方向傾斜度極大。

(2)主體結(jié)構(gòu)傾斜測量表明：建筑物2016年11月16日各觀測點(diǎn)的傾斜度分布在H/5701～H/4266之間(包括施工誤差和外裝修的影響)，而各觀測點(diǎn)的有限元模擬傾斜率在H/4986～H/3383之間，各觀測點(diǎn)實(shí)測、模擬傾斜量未超過規(guī)范的允許限值。有限元模擬結(jié)果同工程監(jiān)測的結(jié)果一致，證明了可以運(yùn)用有限元軟件ABAQUS模擬盾構(gòu)過程，從而預(yù)測地鐵隧道盾構(gòu)穿越對框架結(jié)構(gòu)的影響。

(3)根據(jù)建筑檢測結(jié)果以及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果：預(yù)測基礎(chǔ)總最大整體傾斜為0.61‰、最大相鄰柱基沉降差為0.0011 L。兩指標(biāo)均未超《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)關(guān)于同類建筑基礎(chǔ)變形的限值(4‰及0.002 L)，據(jù)此可以預(yù)測盾構(gòu)開挖對該建筑物變形的影響在安全范圍內(nèi)。