砌體結(jié)構(gòu)受盾構(gòu)隧道施工影響的安全判別分析

沈曉偉 王 濤

盾構(gòu)隧道施工引起土體位移，對建筑物的地基產(chǎn)生影響，并由地基傳遞給基礎(chǔ)，最后傳至上部結(jié)構(gòu)，引起結(jié)構(gòu)的次生內(nèi)力產(chǎn)生及結(jié)構(gòu)的變形，嚴重時可能導致建筑物傾斜或倒塌。同時，隧道—土體—建筑物是互相作用、互相制約的。由于上部結(jié)構(gòu)所用材料的剛度與地基土體的剛度差異很大，所以地基的變形與結(jié)構(gòu)的變形具有不協(xié)調(diào)性，當結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力超過允許值后就會產(chǎn)生破壞。

本文通過建立隧道—土體—建筑物互相作用的三維有限元模型，對砌體結(jié)構(gòu)的變形和受力進行分析，并總結(jié)了建筑物的安全控制標準和保護措施。

1 三維有限元計算模型

利用三維有限元軟件Midas/GTS分析隧道施工對地表位移及上方砌體結(jié)構(gòu)的影響。砌體結(jié)構(gòu)的尺寸為:高 8 m，長20 m，寬10 m，包括前后兩面承重墻和左右兩面承重墻，前后兩面墻體開有門窗，左右兩面墻是完整的。由于磚混結(jié)構(gòu)的屋頂和內(nèi)部的非承重墻對結(jié)構(gòu)本身變形和受力的影響不大，所以模型中不予考慮。墻體的彈性模量取為10 000 MPa，厚度取為0.6 m。土層區(qū)域為70 m×40 m×40 m(X×Y×Z)，自上而下分別為雜填土、礫質(zhì)黏土和砂土，層厚分別為 2 m，20 m和 30 m，土體采用Mohr-Coulomb模型。隧道從右半幅房屋下面穿過，隧道水平軸線距房屋中心軸線的水平距離為5 m。隧道半徑為3.1 m，埋深9 m，襯砌厚度0.35 m。有限元模型如圖1所示。

2 地表位移及房屋的變形分析

當隧道開挖至房屋下方時，地表豎向位移分別如圖2所示。這里對地面有無房屋兩種情況下的地表位移進行對比。從圖2中看出，隧道開挖引起地表發(fā)生沉降，由于建筑物的自重作用，加劇了所在位置處的地表沉降，但其剛度也減少了所在位置的地表差異沉降;在墻體左右兩端附近，沉降發(fā)生突變。由于墻體中心位置處有一寬度為2 m的門，即此處土體所受的房屋自重荷載較小，導致此處的沉降較兩側(cè)小。隧道從右半幅墻體下通過，引起右半幅土體的沉降較左半幅大，引起墻體較大的差異沉降，從而引起墻體產(chǎn)生裂縫。

砌體結(jié)構(gòu)主要受差異沉降的影響，當?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，會導致結(jié)構(gòu)開裂甚至破壞。隧道從右半幅墻體下穿過，引起此處的墻體沉降最大，約8 mm，沿墻體向左，沉降逐漸減少，最大差異沉降約1.5 mm。窗、門的拐角處由于應(yīng)力集中，導致此處的沉降較大;墻體的沉降自下而上逐漸增加，最大沉降發(fā)生在墻體的右上部，而不是右下部，這是由于墻體傾斜的緣故。

3 建筑物的安全控制標準

3.1 國內(nèi)現(xiàn)行的控制標準

目前，國內(nèi)針對隧道施工引起的土體位移的控制標準為:允許地面沉降值為30 mm，允許地面隆起值為10 mm，允許地面附加傾斜值為1/300。實際上，這些值是根據(jù)經(jīng)驗得到的，缺乏科學根據(jù)。因此，必須根據(jù)其建筑物的實際情況來確定相應(yīng)的變形控制指標。我國規(guī)定建筑物的容許變形值為:拉伸2 mm/m、傾斜3 mm/m、曲率半徑5 000 m。為了保證建筑物的安全，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[1]規(guī)定建筑物的地基變形允許值為:當?shù)鼗鶠楦邏嚎s性土，即標準壓縮系數(shù)a1-2≥0.5 MPa-1時，單層排架結(jié)構(gòu)(柱距為6 m)柱基的沉降量為200 mm;對于建筑物高度不大于100 m～250 m的高聳結(jié)構(gòu)，其地基變形允許值為400 mm～200 mm。對于建筑物的傾斜值，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》也做了明確的規(guī)定。同時，為避免墻體發(fā)生開裂，規(guī)范還對局部傾斜值做了規(guī)定:砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜(即砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱墻6 m～10 m內(nèi)基礎(chǔ)兩點的沉降差與其距離的比值)，對中、低壓縮性土為0.002，取高壓縮性土為0.003。裂縫觀測應(yīng)測定建筑物上的裂縫分布位置，裂縫的走向、長度、寬度及其變化程度。

3.2 國外的控制標準

目前，國內(nèi)外關(guān)于隧道施工對地表建筑物造成的影響尚未有統(tǒng)一的標準和成形的規(guī)范。國外研究影響較大的是Burland和Worth[2]，Boscardin和Cording[3]研究了最大主拉應(yīng)變與結(jié)構(gòu)損害程度的關(guān)系，他們提出的二者之間的關(guān)系如表1所示。

表1 拉應(yīng)變與結(jié)構(gòu)損害程度的關(guān)系表 %

4 房屋的損害程度分析

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行標準進行判別，此房屋的最大沉降約8 mm，最大差異沉降約1.5 mm，最大局部傾斜為0.000 1，均滿足國內(nèi)現(xiàn)行的控制標準，因此房屋是安全的。

利用最大剪應(yīng)變與結(jié)構(gòu)損害程度的關(guān)系進行判定。房屋的剪應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。從圖3中可以看出，最大剪應(yīng)變發(fā)生在差異沉降最大的地方，即門的兩側(cè)和墻體左右兩端，而不是發(fā)生在沉降最大的位置;由于窗戶位置容易引起應(yīng)力集中，所以窗戶處也可能出現(xiàn)較大剪應(yīng)變，這說明最大剪應(yīng)變不是由絕對沉降控制的，而是由差異沉降決定的。從圖3中也可看出，墻體中部會發(fā)生正八字形裂縫;墻體端部會發(fā)生接近倒八字形裂縫。房屋的最大剪應(yīng)變?yōu)?.011%，房屋是安全的。

5 建筑物的安全保護措施

1)注漿加固地基。跟蹤注漿法是一種治理土體移動的常用方法，利用土體損失影響地面沉降的滯后現(xiàn)象，在隧道開挖影響范圍與被控制的基礎(chǔ)之間設(shè)置補償注漿層，即在土層沉降處注入適量的水泥或化學漿，以起到補償土體的作用，然后通過施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，不斷控制各注漿管的注漿量，實現(xiàn)隧道開挖與基礎(chǔ)沉降的同步控制，從而減小土體的沉降。這種方法能有效的彌補土體損失，使得建筑物受隧道開挖的影響降低到最低限度。2)設(shè)置隔斷墻。隔斷墻墻體可由鋼板樁、地下連續(xù)墻、樹根樁、深層攪拌樁和挖孔樁等構(gòu)成，主要用于承受由地下工程施工引起的側(cè)向土壓力和由地基差異沉降產(chǎn)生的負摩阻力，使之減小建筑物靠盾構(gòu)隧道側(cè)的土體變形。3)建筑物本體加固措施。a.增大截面法，該方法通過外包混凝土或增設(shè)混凝土面層加固混凝土梁、板、柱，通過增設(shè)磚扶壁柱加固磚墻;增大截面法可增大構(gòu)件剛度，提高構(gòu)件的承載能力，從而提高構(gòu)件的抗變形能力。b.外包鋼法，該方法通過在混凝土構(gòu)件或砌體構(gòu)件四周包以型鋼、鋼板從而提高構(gòu)件性能;該方法可在基本不增大構(gòu)件截面尺寸的情況下提高構(gòu)件的承載力，提高結(jié)構(gòu)的剛度和延度。c.外包混凝土法，該方法通過外包鋼筋混凝土加固獨立柱和壁柱，增設(shè)鋼筋混凝土扶壁柱加固磚墻，增設(shè)鋼筋網(wǎng)混凝土或鋼筋網(wǎng)水泥砂漿(俗稱夾板墻)加固磚墻;與外包鋼法相比，這種方法可更好地實現(xiàn)新舊材料的共同工作。d.粘鋼法和粘貼碳纖維法，該方法通過粘結(jié)劑將鋼板或碳纖維粘貼于構(gòu)件表面從而提高構(gòu)件性能;該方法可在不改變構(gòu)件外形和不影響建筑物使用空間的條件下提高構(gòu)件的承載力和適用性能。

[1] GB J7-89，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] Burland J.B.，Worth C.P.，Settlement of buildings and associated damage.Settlement of buildings and associated damage[C].Conference of Settlement of Structures Cambridge，Pentech Press，London ，1974:611-654.

[3] Boscardin M.D.，Cording E.J.Building response to excavationinduced settlement[J].ASCE Journal of Geotechnical Engineering ，1989，115(1):1-21.

[4] 葛衛(wèi)娜，梁青槐.隧道開挖對周圍建筑物造成的損害及治理措施[J].華北科技學院學報，2005，2(3):84-86.

[5] 王占生，王夢恕.盾構(gòu)施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施[J].中國安全科學學報，2002，12(2):45-49.