隧道施工對建筑物影響的控制標準研究

王惟瑋，肖盛燮，劉　強

(重慶交通大學，重慶　400074)

隧道施工對建筑物影響的控制標準研究

王惟瑋，肖盛燮，劉強

(重慶交通大學，重慶400074)

肖盛燮(1937—)，男，教授，博士研究生導師，重慶市首批學術技術帶頭人，重慶大學博士后流動站合作導師，政府特殊津貼獲得者，主要從事橋梁結構分析及橋梁檢測加固研究工作。主持國家級、省部級與地方科研項目30余項。

國家自然科學基金項目“基于災變鏈式理論的多種災害深化規律研究”(50879097)

摘要：文章在參考國內外相關文獻與研究成果的基礎上，總結了目前工程實踐中使用的三種控制標準，即經驗法、借鑒法和計算法，分析了它們存在的主要問題，并提出了制定控制標準的動態法及其應用流程，以期為隧道施工對建筑物影響的控制標準制定，提供具有可參考性和可操作性的方法與步驟。

關鍵詞：隧道施工；建筑物；影響；控制標準；工作方法；研究

0引言

隧道施工改變了原有的地層形態，從而導致架構在原有地層形態基礎上的地基發生了形變，最終造成地表建筑物損害。隧道施工造成地表建筑物損害程度的鏈式機理錯綜復雜，但主要由兩個方面的因素構成：(1)隧道施工因素，包括隧道開挖方式、斷面大小、結構類型等諸多因素；(2)地表建筑物因素，包括建筑物的不同基礎形式、傾斜值、沉降值等等。因此，確定隧道施工對建筑物影響的控制標準是隧道施工的先決條件。筆者在梳理大量文獻研究的基礎上，提出了合理確定控制標準的動態方法。

1控制標準現狀分析

國內外許多學者在隧道施工對建筑物影響的控制標準方面，做了大量研究工作。例如，國外Burland等人基于模型試驗，提出了現在使用最多的“深梁模型”(將建筑物模擬為一個簡支的深梁)。國內王占生、王夢恕提出了盾構施工過程中影響區域的詳細劃分和對結構產生影響進行預測的詳細方法。目前，在工程實踐中廣泛使用的控制標準，概括起來主要有經驗法、借鑒法和計算法。

1.1　經驗法

建筑物形態的多種多樣，決定了不同的建筑物具有不同的自身結構特點，同樣的變形對建筑物的影響也必將不一樣。因此，在隧道施工之前，要調查摸清它們的特點，并具有針對性的制定措施和控制標準。與建筑物變形能力密切相關的因素有很多，如建筑物的建設使用情況、尺寸、荷載、基礎類型、功能、重要性等等。理論上，應根據建筑物的不同特點，確定其抗變形能力，進而制定相對應的變形控制標準。

但是，在實際過程中，使用最多的制定控制標準的方法是經驗法。所謂經驗法就是根據部分專家的工程實踐經驗，確定一個相應的控制標準值。例如，根據一些專家的工程實踐經驗，一般情況下規定隧道盾構施工中的地面隆起值和地面沉降值，分別為10 mm和30 mm；地面附加傾斜≤1/300等等。顯然，這些一般性的規定值，具有臨時性和個體性，不具備普遍性，更缺乏嚴肅的科學性和規范性。

1.2　借鑒法

所謂借鑒法就是參考相鄰規范的標準值，作為控制標準的一種工程實踐方法。例如，盾構法施工波及鄰近建筑物所造成的破壞性影響，目前還缺乏經驗數值和相應的標準規范。因此，在隧道盾構施工中引起地層形變，造成周圍建筑物的破壞程度，只有借鑒其他規范(如《建筑地基基礎設計規范》)。但是，這種借鑒規范的方法也有很多不足。比如，上述規范中雖然對各種各樣的建筑的允許沉降值有較清晰的規定，但由于不同建筑物的特點、結構類型、保護等級等千差萬別，規范中所列的值不可能完全覆蓋。因此，不同的工程使用相同的一個基準值，就會造成一些工程顯得太過保守，而另一些工程卻又過于激進，這必然存在安全隱患。

1.3　計算法

計算法就是通過對相關極限條件參數的控制，得出相應控制標準的一種方法。當前，主要運用控制極限參數的方法來進行地表沉降對建筑物影響的評價?？刂茦O限條件的計算方法主要兩種：(1)容許沉降作為地層極限狀態控制的標準；(2)以建筑物容許應變控制的容許沉降作為控制標準。

1.3.1地層極限狀態控制下的容許沉降

如圖1(a)所示，當建筑物的基礎尺寸較小時，由Peck沉降槽曲線可知，拐點處曲線斜率為最大值，這時地表沉降曲線的最大斜率，約等于建筑結構有可能產生的最大傾斜值。由于差異沉降，當地層在極限狀態時，剪應變在x=i這點達到極限值，這時地表沉降曲線的最大斜率為[1]：

(1)

參考《建筑地基基礎設計規范》的規定，建筑物基礎整體的不均勻沉降不能超出所規定的數值，并且還應該滿足局部不均勻沉降產生的差值。此時Kmax≤[f]，其中建筑結構的容許傾斜值為[f]，則地表最大容許沉降量如式(2)所示：

(2)

(a)

(b)

1.3.2建筑物容許應變控制下的容許沉降

如圖1(b)所示，在分析建筑基礎對地層表面控制要求時，如果建筑基礎的尺寸較大，不僅要考慮傾斜，還要考慮地表沉降對建筑物基礎的繞曲變形，這些有可能使建筑物的基礎發生斷裂，還有可能使上部結構產生受壓裂縫，這時在受到基礎容許應變控制下的基準沉降值為：

(3)

式中，[ε]=[σ]/E；

[σ]——基礎的極限抗拉強度；

E——基礎彈性模量；

x——隧道中心線到建筑物外邊緣距離。

根據Peck曲線可知：由式(1)可以得到在基礎受彎的最不利情況為x=i時：

(4)

目前判斷結構變形是否超過極限值，都是以建筑基礎的變形來代替建筑物的變形，這樣計算比較簡單而且概念明確。但是，這種計算簡化了建筑物的一些使用現狀參數，如建筑物的建造時期、使用荷載情況、結構類型等，在工程實踐中存在著明顯的不足。

最近幾年，在施工實踐中，大多使用英國Jubilee延長線控制標準確定地表沉降對建筑物的影響[2]。這種方法認為，拉應變導致了建筑物破壞，并將建筑結構簡化為一個均質彈性地基梁。

結構內部產生的彎曲拉應變和剪切拉應變，在地表水平應變和垂直沉降的作用下，可以由式(5)和式(6)進行計算：

εbr=εh+εbmax

(5)

(6)

上式中，εbr——彎曲拉應變；

εdr——剪切拉應變和；

εbmax——僅僅考慮地表建筑物垂直位移和強度參數與幾何尺寸的彎曲拉應變；

εdmax——剪切拉應變，可以按式(7)、(8)計算：

(7)

(8)

式中，I——建筑物剪切模量(kPa)；

L——建筑物等效梁沿垂直隧道縱向的長度(m)；

t——等效梁中性軸距梁底邊的最大距離(m)；

μ——建筑物泊松比；

Δ——建筑物等效梁變形量(m)；

H——建筑物等效梁高度(m)；

I——建筑物等效的慣性矩(m4)；

E——建筑物彈性模量(kPa)，如下頁圖2所示。

εh為地表水平應變，按式(9)和式(10)計算：

(9)

(10)

上述公式中，x——沿隧道縱向；

y——垂直走向；

z——垂直向下坐標方向；

z0——隧道中線距離地表的深度；

w——地表在y方向的水平位移函數；

xi——隧道起點；

xf——工作面位置坐標；

i——沉降槽反彎點在y軸上的坐標值；

z0——隧道中線距離地表的深度；

G(a)——概率分布函數；

Vs——在隧道縱向方向單位長度內的沉降槽體積。

根據建筑結構產生的拉應變計算結果，以及上述方法得到的計算結果，將εbr和εdr中的較大值代入表1，可以對隧道開挖對建筑物的影響進行評判。圖2為隧道開挖對建筑物產生的變形圖。

表1　損壞等級和極限拉應變間的關系表

圖2　開挖引起的建筑物變形示意圖

上述方法雖然有一定的應用價值，但是并不完善，在工程實踐中存在一定的問題。通過Jubilee延長線準則可以將建筑結構看成一個均質彈性地基梁，沒有考慮建筑物本身情況(如門窗柱位置、結構幾何尺寸等)，只考慮了剪切應變與彎曲拉應變，導致實際情況與分析結果之間存在差距，這樣，廣泛應用于類似工程就非常困難。此外，實際工程中最終使用的控制標準，不一定就是現在估算出的抗變形能力。因為在后續過程控制和施工的過程中，還可能根據實際施工情況進行調整，它不完全等于經過初次評估得到的建筑物容許變形值。

2動態法及其應用

綜上所述，由于隧道施工處于不同的城市環境中，對建筑物的影響也各不相同，當前用于制定控制標準的方法都存在明顯的局限性。為此，筆者在借鑒國內外相關研究的基礎上，給出了關于對建筑物進行評判的一般性原則，并進一步提出了確定控制標準的一般工作流程，即所謂的動態法。希望為隧道施工對建筑物影響的控制標準制定提供具有可參考性和可操作性的方法。

2.1　基本原則

2.1.1分步控制原則

當在多個建筑物下開挖隧道時，應先對建筑結構進行分類，并按不同保護等級和控制要求進行分級，然后實施分步目標控制。在施工過程中的各個階段，不僅要提出每個階段的控制標準，而且還要和施工過程密切結合。為了實現分步目標達到總體目標的可控性，應該在時間和空間上，對結構總體的控制值實行分階段的控制。

2.1.2全局統籌原則

在施工實踐中，對于重點保護的建筑結構，制定實際操作步驟和安全控制標準的上限值尤為重要，但是也不能忽視其他影響因素。爭取最大程度做到全局統籌，全面兼顧。(1)應充分考慮結構變形的特點，嚴格控制工程質量與安全；(2)控制標準要依據工程要求、施工水平及預測分析等因素，結合現有施工經驗，全面統籌制定施工控制標準。

2.2　工作程序

根據兩項基本原則，可以通過獲取原始結構穩定系數、預測結構變形極限值、初定控制標準和不斷調整完善四個基本步驟，科學地制定相應的施工控制標準。

2.2.1獲取原始結構穩定系數

(1)測量施工前建筑物已存在的變形數據。(2)以實際變形數據為依據，修正理論分析結果，即數值計算結果要充分體現建筑物的變形現狀。這在數值分析過程中，通過減少建筑材料的數值來實現。從本質上看，這里得到了施工前建筑物結構的原始穩定系數。

2.2.2預測結構變形極限值

考慮到隧道施工因素對建筑物損害程度的影響，對事前制定的某一種或幾種擬定工法，進行軟件分析，提前預估結構的變形及其分布規律?？傮w說來，通過軟件模擬分析，可以依據結構變形的不同響應情況，形成一組或若干組，相對應不同工法的結構變形分布規律圖。隨著變形不停地累加，可以找到結構發生破壞的臨界狀態和與其對應的結構變位值，也就是結構變形的極限值。

2.2.3初定控制標準

隧道施工環境千差萬別，所以要全面、合理、科學地選擇控制指標。根據計算得出的結構變形極限值，再通過相應的安全系數，就可以獲得經過衰減的極限值。上述極限值，就是影響結構變形的控制標準的初始值。

2.2.4不斷調整完善

如果施工中遇到圍巖等級調整、施工條件變化等狀況時，可以按照預測結構變形極限值和初定控制標準的相應步驟，進一步調整完善施工控制標準。

3結語

本文通過對現有研究成果的進一步分析，得出以下兩點結論：

(1)梳理了目前國內外主要使用的一些控制標準方法，而且指出了這些控制方法存在的不足之處。

(2)提出了制定控制標準的動態方法。相對隧道工程來說，有很多復雜多變的影響控制標準的因素，如地層條件的變化、隧道施工方法、建筑物的加固效果等。其中任何一種因素的變化，都將影響建筑物的控制標準。因此，在隧道施工進程中，要以滿足建筑物的安全為根本標準，根據實際情況科學地、動態地調整控制標準。

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Research on Control Standards of Tunnel Construction Influence on Buildings

WANG Wei-wei，XIAO Sheng-xie，LIU Qiang

(Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

Abstract：Based on referring to related domestic and foreign literature and research results，this article summarized three kinds of control standards used in current engineering practice，namely experience method，reference method and calculation method，analyzed their main problems，and proposed the dy-namic method to develop the control standard as well as its application process，so as to provide the methods and procedures with reference value and operability for the control standards figuretion of tunnel construction influence on buildings.

Key Words：Tunnel construction；Buildings；Influence；Control standards；Working methods；Research

收稿日期：2015-02-05

文章編號：1673-4874(2015)02-0013-05

中圖分類號：U455

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.004

基金項目

作者簡介
王惟瑋(1986—)，男，碩士，研究方向：結構工程；
劉強(1987—)，男，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程。