盾構(gòu)下穿高層結(jié)構(gòu)相互影響及方案優(yōu)化研究

郭亮

摘 要：針對(duì)成都地鐵盾構(gòu)隧道下穿高層建筑的實(shí)際工程案例，通過(guò)三維數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，高層建筑物及盾構(gòu)隧道應(yīng)力與變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。模擬盾構(gòu)隧道與高層建筑 6 種不同豎向凈距下穿的工況，結(jié)果表明：隨著隧道與筏板基礎(chǔ)距離減小，高層建筑沉降及傾斜呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且均遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。同時(shí)提取數(shù)值模擬得到的管片內(nèi)力及變形數(shù)據(jù)，與荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算的管片內(nèi)力及變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，表明隨著隧道與筏板基礎(chǔ)距離減小，盾構(gòu)隧道彎矩、計(jì)算裂縫寬度及隧道變形呈先增大后略微減小的趨勢(shì)，且均滿(mǎn)足規(guī)范要求，管片結(jié)構(gòu)安全。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)隧道;數(shù)值計(jì)算;高層建筑;管片內(nèi)力及變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U231+.3

1 研究背景

隨著中心城區(qū)地鐵線(xiàn)網(wǎng)加密，區(qū)間隧道下穿高層建筑物的情況不可避免。盾構(gòu)下穿高層建筑風(fēng)險(xiǎn)主要在于 2 方面：①盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖土體造成建筑物地基松散，引起高層建筑沉降及整體傾斜過(guò)大，影響建筑物正常使用，甚至危及樓房安全;②高層建筑物施加在地基上的超載較大，將顯著增加地基中的附加應(yīng)力，超載引起的附加應(yīng)力傳遞至盾構(gòu)管片上將增加管片的內(nèi)力，若超載過(guò)大，可能導(dǎo)致管片開(kāi)裂，影響隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。已有文獻(xiàn)多從隧道側(cè)穿高層建筑或下穿多層建筑施工過(guò)程中對(duì)建筑物基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的影響角度開(kāi)展相關(guān)研究[1-5]，對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿對(duì)結(jié)構(gòu)高度100 m左右的高層建筑的影響及高層建筑超載對(duì)盾構(gòu)隧道影響的相關(guān)探索較少。文章針對(duì)成都地鐵盾構(gòu)隧道穿越高層建筑物筏板基礎(chǔ)的情況，采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析的方法，研究盾構(gòu)下穿時(shí)高層建筑的變形、盾構(gòu)管片的內(nèi)力及變形情況。模擬盾構(gòu)隧道在不同埋深位置下穿高層建筑的多種計(jì)算工況，探索高層建筑變形、地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的承載力及變形等方面的規(guī)律，以期對(duì)類(lèi)似地層中盾構(gòu)隧道穿越高層的可行性、穿越位置及埋深提供參考和借鑒。

2 工程概況及地質(zhì)概況

2.1 工程概況

成都地鐵大源—民樂(lè)區(qū)間左線(xiàn)隧道下穿、右線(xiàn)隧道側(cè)穿某高層建筑，該高層建筑為地上20層地下2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高度96.6 m，辦公用途，筏板基礎(chǔ)，筏板厚度2.5 m，基礎(chǔ)底面埋深約8.7 m。盾構(gòu)隧道外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，隧道埋深約17.9 m，左線(xiàn)隧道與建筑物筏板基礎(chǔ)底垂直距離約9.2 m，盾構(gòu)隧道與高層建筑平面關(guān)系如圖1所示。

2.2 地質(zhì)概況

該場(chǎng)地范圍地勢(shì)較平坦，地貌單元為岷江水系二級(jí)階地。場(chǎng)地范圍內(nèi)地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土及砂卵石（Q3al+pl）、白堊系上統(tǒng)風(fēng)化泥巖（K2g）。盾構(gòu)隧道位于中風(fēng)化泥巖地層中，建筑物筏板基礎(chǔ)坐落于砂卵石層中。盾構(gòu)隧道與建筑物及地層剖面關(guān)系如圖2所示。盾構(gòu)隧道下穿建筑物處地下水位埋深約10 m，屬于孔隙潛水。

3 盾構(gòu)下穿高層建筑結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律分析

3.1 模型建立

采用 MIDAS GTS程序?qū)υ摴こ踢M(jìn)行數(shù)值模擬，本模型采用位移邊界條件，其中底部為固定邊界，限制模型水平和豎直方向的位移;模型周邊限制水平方向的位移;模型上部取至地表，為自由邊界。模擬區(qū)域沿隧道橫向取109.7 m，沿隧道縱向取150 m，深度取至地面以下44.4 m。高層建筑基礎(chǔ)為筏板基礎(chǔ)，采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，建模過(guò)程中對(duì)該基礎(chǔ)賦予鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)盾構(gòu)施工對(duì)隧道周?chē)翆佑绊懘笮〉牟煌瑢?duì)模型中各地層網(wǎng)格劃分為疏密程度不同的結(jié)構(gòu)單元。三維計(jì)算模型如圖 3所示。

土體假定為彈塑性材料，選擇修正摩爾-庫(kù)倫模型作為土體本構(gòu)模型。由于土體破壞大多以剪切破壞為主，修正摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則模型能夠準(zhǔn)確反映土體的破壞形式，而且簡(jiǎn)單實(shí)用，在工程實(shí)踐中已得到廣泛應(yīng)用。管片、高層建筑基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)等構(gòu)件均假定為彈性材料。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及相關(guān)規(guī)范，數(shù)值模擬計(jì)算所需的材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。三維數(shù)值分析中，涉及一些關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1）地層、筏板基礎(chǔ)及隧道采用實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片、地下室側(cè)墻及建筑物框架采用結(jié)構(gòu)單元模擬，其中盾構(gòu)管片與地下室側(cè)墻及上部結(jié)構(gòu)板墻采用二維殼單元模擬，建筑物框架結(jié)構(gòu)柱采用一維梁?jiǎn)卧M。

（2）盾構(gòu)法隧道施工中，在隧道開(kāi)挖階段與支護(hù)階段分別定義應(yīng)力釋放系數(shù)，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖前高層建筑物全部施做完成，并以此作為隧道開(kāi)挖分析的初始階段，根據(jù)相同地層的工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)力釋放系數(shù)取 0.3。

（3）土體開(kāi)挖采用殺死單元格的方式進(jìn)行模擬，土體開(kāi)挖后進(jìn)行應(yīng)力釋放，同時(shí)在掘削面施加頂進(jìn)壓力，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，計(jì)算中采取盾構(gòu)機(jī)推力為地層側(cè)壓力，取0.28 MPa。

（4）模型不考慮地下水的影響。

3.2 高層筏板基礎(chǔ)變形計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)在隧道穿越范圍內(nèi)的建筑物地下室內(nèi)布置了6 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（S1～S6），測(cè)點(diǎn)布置示意如圖4所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，表2列出了建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移及整體傾斜值，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，考慮建筑物建設(shè)及使用過(guò)程中已發(fā)生的變形及傾斜，建議高層建筑物整體傾斜控制值取1.5‰。圖5、圖6分別為建筑物沉降及整體傾斜歷時(shí)曲線(xiàn)，下穿過(guò)程中最大沉降速率約為0.25 mm/天，可以看出盾構(gòu)下穿高層建筑引起的基礎(chǔ)沉降、沉降速率及整體傾斜均較小，滿(mǎn)足規(guī)范要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，數(shù)值模擬可以反映實(shí)際施工情況。

3.3 盾構(gòu)管片受力及變形規(guī)律分析

盾構(gòu)完成穿越后，隧道管片大主應(yīng)力最大值及小主應(yīng)力最小值沿隧道縱向變化曲線(xiàn)如圖7所示，拱頂沉降及拱底隆起最大值沿隧道縱向變化曲線(xiàn)如圖8所示。

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收稿日期 2019-12-26

責(zé)任編輯 胡姬