數值模擬盾構不同角度穿越砌體結構房屋

吳海峰,魏綱(1．杭州市勘測設計研究院,浙江杭州 31001; ．浙江大學城市學院土木工程系,浙江杭州 310015)

數值模擬盾構不同角度穿越砌體結構房屋

吳海峰1?,魏綱2
(1．杭州市勘測設計研究院,浙江杭州 310012; 2．浙江大學城市學院土木工程系,浙江杭州 310015)

摘 要:盾構法隧道施工會對周圍土體產生擾動,進而引起地面沉降,導致鄰近建筑物傾斜、開裂乃至坍塌等一系列問題。對于如杭州這樣的建筑方位不規整城市,在地鐵施工中經常會遇到隧道以一定角度從建筑物下方或鄰近穿越的工況,將引起建筑物的永久性扭曲變形[1],產生較大危害。本文采用三維MIDAS/ GTS軟件,模擬盾構隧道以0°、22．5°、45°、67．5°、90°穿越引起的建筑物附加沉降及墻體受力,分析盾構不同角度穿越砌體結構房屋規律。

關鍵詞:盾構;砌體結構;沉降

1 前 言

目前關于盾構法隧道施工對建筑物影響的研究方法主要有:解析方法[1～2]、和有限元方法[3～7]等。其中有限元方法應用最多,研究發現:①對框架結構建筑物的研究較多[3～6]。對磚混結構建筑物的研究較少[7],雖然采用了三維模擬,但都比較簡單,存在不足:如沒有詳細研究隨盾構機開挖面穿越前后,建筑物的受力與變形規律;盾構施工模擬中沒有考慮正面附加推力、盾殼摩擦力和注漿影響,不夠精細;沒有考慮土質條件、建筑物層數、隧道與建筑物水平及垂直位置改變等影響因素;②絕大多數都是研究隧道平行或垂直穿越建筑物的工況[3～7],僅文獻[7]對隧道斜穿建筑物工況進行研究,但該文在研究中將建筑物簡化為等效荷載,存在不足。綜上所述,目前對盾構隧道不同角度穿越磚混結構建筑物工況的研究還不多,需要深入研究盾構以什么角度穿越建筑物比較合理。

2 鄰近建筑物工況的盾構隧道施工三維有限元模擬

2．1模型建立及參數取值

盾構隧道外直徑為6．3 m,隧道軸線埋深為12 m,盾構機身長8 m,盾殼厚7 cm。襯砌每環寬1 m,厚0．35 m,采用C50混凝土。建筑物墻體為磚混結構,地上2層,每層高3 m,橫向為3開間,縱向為2開間,墻軸線間距均為4．3 m,墻體厚0．3 m,外輪廓為13．2 m×8．9 m。墻上開門及窗,門的大小為2 m×1 m,窗為1．5 m×1 m,窗下沿距地面1 m,門與窗均位于兩堵墻的中間位置。為建模方便和盡量減少單元數,在有限元模擬中采用荷載代替樓板的自重與活載,在墻頂面上施加均布荷載30 kPa。基礎為條形基礎,采用C20混凝土,埋深1．5 m,寬0．6 m,外輪廓為13．5 m×9．2 m。整個模型在橫向取80 m,豎向取40 m,縱向取70 m。

假定土體為均質土層,本構模型采用莫爾-庫倫模型。襯砌、墻體和基礎均采用線彈性模型。盾殼和襯砌采用板單元,墻體、基礎和土體均采用實體單元。通過對墻體材料彈性模量進行折減,來考慮磚混墻體為非連續介質及其隨時間的損耗和房屋破損。模型計算參數如表1所示。

材料物理力學參數 表1

如圖1所示,為便于比較,模擬時盾構隧道軸線均通過建筑物中心點即兩條軸線交叉處),令隧道開挖面與建筑物橫墻的夾角為α,分別取α= 0°、α= 22．5°、α=45°、α=67．5°、α=90°。令縱墻命名為A、B、C、D,橫墻命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。隧道掘進方向采用y坐標表示,令開挖面到達建筑物中心點時掘進距離y=0,掘進距離y到達前定義為負值,通過后定義為正值。網格劃分如圖2所示。

圖1　建筑物與隧道俯視圖(單位/ m)

圖2　網格劃分圖

2．2有限元模擬步驟

模擬時假定:①忽略地下水的滲透作用,土體本身變形與時間無關;②墻體與基礎,基礎與土體采用變形協調計算的方法;③隧道開挖前地面沉降為零,即不考慮建造建筑物引起的地面沉降。

有限元模擬步驟包括:①模擬土體生成,考慮土體自重,位移清零,只保留應力;②模擬建筑物生成,考慮建筑物自重和頂部荷載,位移清零,只保留應力;③采用“剛度遷移法”模擬盾構推進過程,盾構機每向前推進一步作相應變化:殺死該開挖步處的土體單元,土體釋放應力,在開挖面處施加支護力,激活盾殼單元,施加摩擦力;將最后面一段原盾殼單元修改單元屬性,變為襯砌單元,去掉摩擦力,施加注漿壓力。實際工程中每環襯砌寬1 m,為減少計算量,每個開挖步殺死2 m的土體單元。盾殼與土體之間的摩擦力和開挖面支護力均假定為均布力,摩擦力和正面附加推力分別取45 kPa和20 kPa[8]。采用等效均布力來模擬盾尾同步注漿,取值為37 kPa[3]。

3 有限元計算結果分析

3．1位移分析

經過計算,如果不考慮建筑物,盾構施工引起的地面沉降曲線呈正態分布,與Peck公式預測值很吻合,最大地面沉降量為11．41 mm,地面沉降槽寬度系數i=kh =0．48×12=5．76 m,土體損失率為0．53%,表明有限元模擬的可靠性。限于篇幅,本文僅研究部分數據。

圖3中的中心點為建筑物的幾何中心(見圖1)。如圖所示:①在開挖面通過前,基礎先產生微小的隆起,隨后產生急劇沉降;當開挖面剛通過基礎(y=12 m)時,沉降達到最大值;當開挖面遠離建筑物后,沉降值趨于穩定;②當y<8 m之前,不同角度穿越引起的中心點豎向變形曲線數值很接近,幾乎一致; (3)當y＞8 m后開始分散,并隨角度的增大而增大, 67．5°與90°之間仍保持一致并且數值很接近。

圖3　中心點不同角度基底沉降比較

圖4為y=44 m盾構不同角度穿越時橫墻I基礎頂面沉降曲線,此時建筑物沉降已穩定。由圖可知:①當隧道軸線與墻體垂直時墻體的沉降曲線呈現中間大兩邊小;②22．5°、45°、67．5°穿越時變化規律基本相同,呈現單調減小。并且22．5°的沉降量<45°的沉降量<67．5°的沉降量;③當隧道軸線與墻體平行時沉降曲線基本成一條水平直線。

圖4　不同角度時橫墻I基礎頂面沉降比較(y=44 m)

圖5為不同角度穿越時橫墻I的首尾沉降差比較。如圖所示:①沉降差除0°穿越外均呈現先增大后減小的特點;當開挖面到達建筑物中心點(y=0)時,沉降差均達到峰值;0°時隧道與橫墻I垂直,此時橫墻Ⅰ的沉降曲線呈對稱分布(如圖5所示),故首尾沉降差幾乎為零;②在各角度穿越過程中,67．5°穿越時在開挖面到達建筑物中心點時沉降差最大(此時墻體與隧道軸線成22．5°時),表明此時墻體比較危險;③90°穿越時的首尾沉降差變化最大,0°穿越的首尾沉降差變化最小。

圖5　不同角度穿越時橫墻I首尾沉降差比較

圖6為盾構掘進過程中最大縱向水平位移變化比較,縱向水平位移以圖1中y方向為正。由圖可知:①不同角度穿越引起的變化曲線比較相似;②當開挖面到達建筑物中心軸時,各角度穿越時的最大縱向水平位移均達到最大值,45°穿越時值最大。

圖6　盾構掘進過程最大縱向水平位移變化比較

圖7為α= 45°,y =44 m時放大后的建筑物豎向變形示意圖(向圖內為掘進方向),當隧道斜穿建筑物工況時,由于隧道施工引起的地面橫向沉降槽呈正態分布,導致靠近隧道軸線側的建筑物沉降要比遠離隧道軸線側的大,使建筑物產生永久的雙向不均勻沉降,此時建筑物受扭。

圖7　放大后的建筑物變形(α=45°,y=44 m)

3．2應力分析

磚混結構的裂縫或破壞一般由剪應變或拉應變超過其允許值引起[9]。最開始的裂縫是由剪切變形導致的,如圖8所示:①隨著盾構掘進距離增大,墻體最大剪應變先略微減小,原因是由于基礎產生微小隆起;隨后逐漸增大,最后趨于穩定;②各角度穿越均在y=4 m ～12 m之間時達到剪應變最大(墻體開裂程度最大),而最大差異沉降位置發生在y=0 m時,所以說明墻體差異沉降大小與最大剪應變不存在直接關系,不能單以差異沉降量來判斷磚混結構建筑物的安全性。當y ＞22 m后,剪應變基本趨于穩定且大于初始值,原因在于建筑物產生永久的扭曲變形;③從剪應變曲線可以看出,隨著角度增加隧道開挖對建筑物產生的永久扭曲變形減小,0°產生的墻體最大剪應變最大,其次是22．5°、45°、67．5°、90°,67．5°與90°比較接近。

圖8　最大剪應變曲線比較

4 結 論

(1)建筑物基底沉降量變化趨勢基本相同,均是迅速增大達到最大值(y=12 m)后有所回彈,然后趨于穩定。中心點則呈現隨角度增加而增大的現象。

(2)建筑物沉降穩定時,隧道軸線與墻體垂直時墻體的沉降曲線呈現中間大兩邊小,22．5°、45°、67．5°穿越時變化規律基本相同,呈現單調減小,并且22．5°的沉降量<45°的沉降量<67．5°的沉降量。當隧道軸線與墻體平行時沉降曲線基本成一條水平直線。

(3)隨著盾構掘進距離增大,墻體最大剪應變先略微減小,隨后逐漸增大,最后趨于穩定且大于初始值。隨著角度增加,隧道開挖對建筑物產生的永久扭曲變形減小,0°產生的墻體最大剪應變最大,其次是22．5°、45°、67．5°、90°,67．5°與90°比較接近。

參考文獻

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Numerical Simulation of Shield Through the Masonry Structure at Different Angles

Wu Haifeng1,Wei Gang2
(1．Hangzhou Geotechnical Engineering and Surveying Research Institute,Hangzhou 310012,China; 2．Department of Civil Engineering,Zhejiang University City College,Hangzhou 310015,China)

Abstract:Shield Construction will result in disturbances to the surrounding soil,thus causing ground settlement, leading to adjacent structures a series of problems such as tilt,crack and even collapse．Subway tunnel construction always crosses through with a certain angle at the bottom of adjacent building inHangzhou,which will cause permanent distortion to buildings．By using three-dimensional MIDAS/ GTS software,shield crossed the building with 0 degree,22．5 degrees,45 degrees,67．5 degrees,90 degrees was simulated,and the additional settlement of building and wall stress were also analyzed．Analysis of different angles crossing the masonry structure building．

Key words:shield;building;settlement

文章編號:1672-8262(2015)06-158-04中圖分類號:TU91

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—05—13

作者簡介:吳海峰(1988—),男,助理工程師,主要從事巖土工程設計等技術工作。