隧道施工對(duì)地層及建筑物影響的模型試驗(yàn)研究★

王云平

(大連大學(xué)基建處,遼寧 大連 116622)

1 概述

21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)程加快,公共設(shè)施建設(shè)逐步齊全完善,伴隨的城市建筑增多、交通阻塞、城市用地短缺等嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展[1-3]。因此,地下空間開發(fā)與利用成為必然,城市隧道工程便是其中的一種。城市隧道帶來(lái)便利的同時(shí)也將在施工階段不可避免的對(duì)鄰近管線、地面沉陷及臨近建筑結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響[4-7]。因此,研究隧道開挖施工引起的地表沉陷、變形及其對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)物的擾動(dòng)影響具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

2 模型試驗(yàn)參數(shù)

本文依據(jù)相似理論,對(duì)工程原型縮小進(jìn)行物理模型試驗(yàn),可以直觀的觀測(cè)破壞現(xiàn)象和集中監(jiān)測(cè)破壞區(qū)域,對(duì)地層移動(dòng)規(guī)律,建筑結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。幾何相似比1∶30,模型試驗(yàn)中隧道半徑為0.2 m,相當(dāng)于實(shí)際6 m,隧道埋深0.5 m,相當(dāng)于實(shí)際15 m。為獲得檢測(cè)數(shù)據(jù),分別在行1—行4土層及建筑物前后6 m,即模型前后0.2 m的地方設(shè)置應(yīng)力和應(yīng)變傳感器,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

3 試驗(yàn)檢測(cè)方案

模型制作完成后,應(yīng)力傳感器對(duì)土層應(yīng)力進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè),待應(yīng)力場(chǎng)穩(wěn)定后,同時(shí)進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),然后進(jìn)行開挖。本次隧道開挖采用的是抽取預(yù)埋件的形式進(jìn)行模擬開挖,其中每個(gè)構(gòu)件的尺寸為50 mm(相當(dāng)于實(shí)際的1 500 mm),為避免相鄰開挖段之間的影響,因此開挖間隔時(shí)間選為1 h(相當(dāng)于實(shí)際中5.5 h)。開挖完成后進(jìn)行連續(xù)性觀測(cè),位移觀測(cè)時(shí)間間隔為2 h(相當(dāng)于實(shí)際中11 h),應(yīng)力時(shí)間觀測(cè)間隔為30 min,隧道開挖的同時(shí)開始采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過連續(xù)監(jiān)測(cè),得到了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)過整理,得出隧道、土體、建筑的破壞形式與變形規(guī)律。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 地層變形分析

模型隧道開挖完成后出現(xiàn)近似高斯分布曲線式的橫向沉降槽,進(jìn)一步也表明了該室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置的可行性。圖2為上部地層測(cè)點(diǎn)G6,G7,G3,G8,G9(行4)在不同開挖時(shí)段的沉降槽曲線。從中可以得出,地層沉降槽曲線呈現(xiàn)“V字”特征,這與圖2所表現(xiàn)的性狀一致。在隧道開挖完成后的前14個(gè)階段,地層沉降幅度較大。之后各測(cè)點(diǎn)的沉降幅度變小并基本一致,前期是因?yàn)樗淼篱_挖直接擾動(dòng)土體,后期沉降則是土體應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)重新分布的結(jié)果,前期擾動(dòng)土層位移變化劇烈,持續(xù)時(shí)間短,后期沉降速率緩待續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。通過圖2可知,存在建筑物時(shí)隧道軸線中心處的沉降值比無(wú)建筑的測(cè)點(diǎn)處沉降值大很多,其沉降值約為19 mm,基本規(guī)律相同。因本次試驗(yàn)臺(tái)尺寸限定、光纖位移傳感器埋設(shè)數(shù)量有限,沒有準(zhǔn)確測(cè)定出沉降槽寬度,日后需改正設(shè)計(jì)方案。

圖3為上部地層測(cè)點(diǎn)G1～G3(行4)在不同開挖時(shí)段的縱向位移曲線圖。各時(shí)段位移曲線呈現(xiàn)“勺子”形狀,位移曲線具有反向性,具有如此剪切運(yùn)動(dòng)特性的土層叫做“剪切層”,具體原因是隧道開挖直接引起工作面后方土層沉降,前方土體受力擠壓產(chǎn)生隆起。據(jù)此我們可以推斷,埋于剪切層的樁基、剪力墻等結(jié)構(gòu)物在隧道開挖時(shí)受到附加剪切作用,在位移值最大處極其容易出現(xiàn)裂縫,在施工中應(yīng)做好切實(shí)的防護(hù)措施。

4.2 建筑物、樁基變形分析

圖4所示為隧道開挖引起的建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)附近土體開裂(還有多處細(xì)微裂紋),裂紋主要集中在建筑結(jié)構(gòu)的中心位置,即沉降位移最大處,分析其成因主要是因?yàn)槌两邓鸬摹皬埨瓚?yīng)力”超過土體抗拉強(qiáng)度所導(dǎo)致的拉裂。

圖5所示為選擇的具有代表性的樁基礎(chǔ)位移變化趨勢(shì)圖,為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的范圍性,特將各個(gè)應(yīng)變式位移計(jì)的初始量程調(diào)整為100 mm,在100 mm以上的數(shù)值為拉伸量,100 mm以下的為壓縮量。從圖中可以得到W12處的沉降最為明顯,最大值近似為29.5,需要及時(shí)加固預(yù)防建筑物繼續(xù)傾斜,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)開裂,最終傾斜倒塌。同時(shí)對(duì)比橫向地表(行4)沉降槽曲線可知,在有建筑結(jié)構(gòu)處的變形量大于天然地層(無(wú)建筑)沉降值。同時(shí)對(duì)比W10,W11,W12可知,建筑結(jié)構(gòu)中心位置沉降值最大,邊柱位置沉降值依次減小,即沉降槽邊緣的位置將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響變小。從W3曲線中可以看出,后排樁位移先是減小(壓縮)后緩慢增大,對(duì)此的解釋認(rèn)為是隧道開挖至建筑結(jié)構(gòu)下方時(shí)導(dǎo)致工作面前方土體略有隆起,后方土體沉降,產(chǎn)生具有一定坡度的沉降槽所導(dǎo)致。同時(shí)本次選取的材料剛度較大且高層建筑高度較大,使得前期建筑結(jié)構(gòu)重心前移,當(dāng)隧道開挖完全通過建筑結(jié)構(gòu)后沉降槽均勻沉降,此時(shí)重心又緩慢恢復(fù)所導(dǎo)致。上述過程,重心位置改變將造成建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定傾斜,附加的力作用于整個(gè)承載結(jié)構(gòu),使得地板壓應(yīng)力分布不均,進(jìn)一步增大不均勻沉降。這種由于重心偏態(tài)導(dǎo)致的破壞,對(duì)高聳建筑尤其危險(xiǎn),因?yàn)檫@種建筑物基礎(chǔ)底面積較小,抵抗重心偏態(tài)的能力比較差。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn),得到的主要結(jié)論有:

1)建筑物自重對(duì)地表沉降存在影響,建筑物中心處沉降值約19 mm;平行于隧道開挖方向出現(xiàn)“剪切層”,埋于剪切層的樁基受到附加剪切作用,在位移值最大處極其容易出現(xiàn)裂縫。

2)原有建筑結(jié)構(gòu)處的沉降槽變形值要大于天然土體(無(wú)建筑),沉降槽邊緣位置的建筑結(jié)構(gòu)的變形影響較小。同時(shí),從開挖方向觀測(cè),后排樁位移先是減小(壓縮),后緩慢增大。

3)由于隧道開挖產(chǎn)生軸向不均勻沉降使得建筑結(jié)構(gòu)重心位置改變,造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定傾斜,從而使得地板壓應(yīng)力分布不均,進(jìn)一步增大不均勻沉降。