盾構(gòu)施工對(duì)地表及建筑物沉降影響分析

黎春林, 繆林昌, 陳 靜

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096)

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盾構(gòu)施工對(duì)地表及建筑物沉降影響分析

黎春林1, 繆林昌2, 陳 靜1

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.東南大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210096)

當(dāng)盾構(gòu)隧道下穿城市建筑物時(shí)，因隧道周邊土體與建筑物間存在相互作用效應(yīng)，盾構(gòu)施工誘發(fā)的地面沉降必然與其穿越無(wú)建筑物的自由地層有所不同.為此，通過大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)無(wú)錫地鐵1號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間部分風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)建立了三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，并將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，揭示了盾構(gòu)施工擾動(dòng)對(duì)地層位移場(chǎng)以及建筑物隆沉的影響規(guī)律.

盾構(gòu)隧道；建筑物；地表沉降；有限元

盾構(gòu)施工擾動(dòng)引起的地層沉降是需嚴(yán)格控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)，針對(duì)盾構(gòu)穿越?jīng)]有建筑物的自由地層已有較多的研究成果.而城市地鐵盾構(gòu)施工時(shí)，隧道經(jīng)常要穿越城市密集的建筑群，因建筑物荷載及剛度的存在，盾構(gòu)施工對(duì)地表變形的影響與穿越自由地層存在較大的差異，隨著城市地鐵建設(shè)的加快，這一課題近年來(lái)也受到國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注.一些學(xué)者[1-3]采用彈塑性理論對(duì)其進(jìn)行分析，建立了土體與建筑協(xié)同作用力學(xué)理論模型，分析了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對(duì)鄰近建筑物沉降、傾斜及附加應(yīng)力分布規(guī)律.但解析法為簡(jiǎn)化分析，在推導(dǎo)時(shí)作了較多的假設(shè)和簡(jiǎn)化，對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的多種復(fù)雜因素難以考慮周全，使得其應(yīng)用受到較大的限制.另一些學(xué)者在室內(nèi)模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了眾多的地面沉降分析經(jīng)驗(yàn)公式.其中最經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)法由Peck[4]提出，其假定沉降槽面積等于地層損失，并認(rèn)為沉降槽形狀近似為正態(tài)分布曲線.Peck方法僅適用于隧道周邊無(wú)建筑物的情況，當(dāng)隧道周邊存在建筑物時(shí)，地表變形會(huì)存在明顯的不同[5-6].基于此，F(xiàn)ranzius[7]、韓煊[8]等提出采用建筑剛度修正Peck公式.修正的Peck公式考慮了建筑結(jié)構(gòu)對(duì)地面沉降的約束作用，但因未考慮建筑荷載的影響，使得沉降值偏小.

有限元方法是分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊環(huán)境及地層影響的另一有力工具.魏綱等[9]采用梁柱體系和整體基礎(chǔ)模擬建筑物，全面研究了隧道施工引起的地面沉降、襯砌受力以及建筑物的變形與內(nèi)力，并與無(wú)地面建筑物工況進(jìn)行了對(duì)比分析.文獻(xiàn)[10-14]采用三維數(shù)值分析方法分析了盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層變形規(guī)律及其對(duì)地面建筑物的影響.有限元方法在研究盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境影響的一般規(guī)律，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型修正后，其計(jì)算結(jié)果將對(duì)設(shè)計(jì)和施工有著非常重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義.基于此，本文以無(wú)錫地鐵1號(hào)線永豐路站—太湖廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間工程為依托，通過大型通用有限元軟件ANSYS建立了三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，研究當(dāng)盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)地層位移場(chǎng)的分布規(guī)律與變化特性，并將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，掌握盾構(gòu)穿越房屋時(shí)地表隆沉和建筑物沉降的一般規(guī)律.

1 計(jì)算模型

盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)，建筑物對(duì)地層的影響表現(xiàn)在兩方面：(1)建筑物基礎(chǔ)具有一定的剛度，基礎(chǔ)和土體之間的協(xié)調(diào)變形需要考慮；(2)建筑物的自重通過基礎(chǔ)底面向地層深處進(jìn)行擴(kuò)散，改變了地層中的初始應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)地層受擾動(dòng)后的應(yīng)力重分布產(chǎn)生影響.

在本文建立的計(jì)算模型中，充分考慮了以上兩個(gè)影響因素，基底壓力采用均布荷載模擬，建筑物基礎(chǔ)采用具有一定剛度的板進(jìn)行模擬.基于房屋基底壓力一般在100kPa～200kPa之間，本文取中間值，即建筑物所產(chǎn)生的均布荷載取q=l50kPa.房屋基礎(chǔ)與隧道襯砌使用實(shí)體單元模擬，計(jì)算參數(shù)取值見表1.

表1 房屋基礎(chǔ)和隧道管片的計(jì)算參數(shù)取值

類別彈性模量E/GPa泊松比重度γ/kN·m3等效厚度/m房屋基礎(chǔ)300.2201隧道管片34.50.2250.35

下面采用ANSYS對(duì)永豐路站—太湖廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間部分風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，選取該盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的建筑物作為研究對(duì)象.所取計(jì)算模型尺寸為：橫向(x)×縱向(z)×豎向(y)=60m×72m×36m，隧道內(nèi)徑5.5m，外徑6.2m，管片厚0.35m，重度25kN/m3，管片襯砌彈性模量26GPa，泊松比0.2；灌漿層厚0.15m，重度21kN/m3，地層損失率5‰，注漿層彈性模量1 GPa，泊松比0.2.

2 盾構(gòu)穿越建筑物沉降分析

盾構(gòu)下穿建筑物過程中，隨著盾構(gòu)的臨近、下穿、離開，建筑物和地表的沉降也在不斷變化.建筑物及地表沉降的大小直接關(guān)系著建筑物的安全，是施工時(shí)必須嚴(yán)格控制的指標(biāo).本文以無(wú)錫地鐵1號(hào)線盾構(gòu)斜穿大橋中學(xué)宿舍樓為例，選取三種典型工況進(jìn)行計(jì)算分析盾構(gòu)下穿建筑物時(shí)不同位置的地表及建筑物沉降，三種工況分別代表盾構(gòu)抵達(dá)建筑物前、盾構(gòu)掘進(jìn)至建筑物正下方和盾構(gòu)穿過建筑物三種情況.

2.1 工程概述

大橋中學(xué)宿舍樓建于2005年，位于永豐路到太湖廣場(chǎng)區(qū)間，位置AK14+340，樓層10層+2層，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，有地下室，距隧道頂11.88m，與隧道左右線相交，最遠(yuǎn)端與右線隧道中心距離9.82，占地面積600m2，建筑面積6 000 m2.

右線隧道施工時(shí)，隧道從主樓正下方斜插穿過，隧道軸線與建筑物縱向成30°夾角.建筑物與隧道相對(duì)關(guān)系、沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及計(jì)算工況如圖1所示.

圖1 大橋中學(xué)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)

本監(jiān)測(cè)點(diǎn)注漿壓力0.35MPa，掌子面推力0.20MPa，盾構(gòu)開挖過程中不同位置處隧道周邊地層及建筑物沉降計(jì)算分析如下.

2.2 盾構(gòu)抵達(dá)大橋中學(xué)前

圖3中橫坐標(biāo)表示開挖面與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，即圖2有限元模型中的縱坐標(biāo)，本工況開挖面在離坐標(biāo)原點(diǎn)18m處.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在盾構(gòu)開挖面附近土體沉降較大，土體沉降最大值出現(xiàn)在開挖面后方3～5m處.盾構(gòu)通過區(qū)域因?yàn)槎巫{(每隔5環(huán)補(bǔ)注雙液漿)，其地表沉降較小.

圖2 盾構(gòu)抵達(dá)大橋中學(xué)前隧道周邊地層沉降云圖

圖3 盾構(gòu)抵達(dá)大橋中學(xué)前地表縱向沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖4中橫坐標(biāo)表示房屋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1,2，…，6分別代表JZ01-1，JZ01-2，…，JZ01-6，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示.如圖所示，JZ01-2和JZ01-3之間和JZ01-3和JZ01-4之間都出現(xiàn)了較大的差異沉降，有限元模型見圖5.因大橋中學(xué)在橫向尺寸較小，使得該建筑物在其橫向的傾斜大于縱向，建筑物整體向前、向外傾斜.

圖4 盾構(gòu)抵達(dá)大橋中學(xué)前房屋各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)至大橋中學(xué)中部時(shí)

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)到大橋中學(xué)中部時(shí)隧道周邊地層沉降云圖

圖6 盾構(gòu)掘進(jìn)到大橋中學(xué)中部時(shí)地表縱向沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

本工況開挖面在離坐標(biāo)原點(diǎn)36m處.計(jì)算結(jié)果顯示，建筑物的存在使得盾尾沉降加劇，沉降最大值出現(xiàn)在房屋邊緣處.

圖7中橫坐標(biāo)表示房屋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1,2，…，6分別代表JZ01-1，JZ01-2，…，JZ01-6，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示.如圖7所示，JZ01-1和JZ01-3之間的差異沉降急劇增大，JZ01-3和JZ01-4之間的差異沉降相比盾構(gòu)抵達(dá)建筑物前也進(jìn)一步加大，使得建筑物向隧道方向傾斜.

圖7 盾構(gòu)掘進(jìn)至大橋中學(xué)正下方時(shí)房屋各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

2.4 盾構(gòu)穿越大橋中學(xué)后

本工況開挖面在離坐標(biāo)原點(diǎn)54m處，此時(shí)盾構(gòu)已穿越建筑物.相比工況二，地表沉降進(jìn)一步加大，最大沉降出現(xiàn)在隧道軸線上房屋邊緣處(圖8、圖9).

圖8 盾構(gòu)越過大橋中學(xué)后隧道周邊地層沉降云圖

圖9 盾構(gòu)穿越大橋中學(xué)后地表縱向沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖10中橫坐標(biāo)表示房屋沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1,2，…，6分別代表JZ01-1，JZ01-2，…，JZ01-6，測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示.計(jì)算結(jié)果顯示，JZ01-1和JZ01-3差異沉降基本保持穩(wěn)定，表明大橋中學(xué)沿建筑物縱向的傾斜度在盾構(gòu)穿越至該建筑物中部后不再發(fā)生顯著變化；而JZ01-3和JZ01-4之間的差異沉降相比盾構(gòu)在建筑物下面掘進(jìn)時(shí)(圖7)進(jìn)一步加劇，表明在盾構(gòu)穿越大橋中學(xué)后期，其沿建筑物橫向的傾斜急劇增加，而大橋中學(xué)在橫向尺寸較小，基礎(chǔ)協(xié)調(diào)能力較弱，建筑物容易傾斜出現(xiàn)危險(xiǎn)，特別是在盾尾脫離建筑物后，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制.

圖10 盾構(gòu)通過大橋中學(xué)后房屋各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降

2.5 盾構(gòu)穿越大橋中學(xué)地表橫向沉降變化規(guī)律

圖11所取橫斷面為A-A剖面(圖1)，圖中沉降數(shù)據(jù)為有限元計(jì)算分析的結(jié)果.從圖11可以看到，當(dāng)隧道周邊存在建筑物后，地表橫向沉降不再呈正態(tài)分布，建筑物荷載較大的一側(cè)，其沉降也較大，并且因建筑物剛度的影響，在建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi)，其地表沉降隨著計(jì)算點(diǎn)與隧道軸線距離的增加近似呈線性衰減.為控制建筑物沉降，采用了較大的注漿壓力(0.35MPa)，較遠(yuǎn)處地表出現(xiàn)部分隆起.

圖11 盾構(gòu)穿越大橋中學(xué)前后地表橫向沉降變化(A-A剖面)

3 結(jié)論

本文采用三維有限元數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了當(dāng)?shù)孛娲嬖诮ㄖ飼r(shí)，盾構(gòu)施工引起的地層位移場(chǎng)的分布特征，以及盾構(gòu)掘進(jìn)過程中位移場(chǎng)動(dòng)態(tài)的變化規(guī)律.

(1)盾構(gòu)穿越過程中，隨著盾構(gòu)的前進(jìn)，地層位移場(chǎng)也將隨之改變，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程.在盾構(gòu)穿越建筑物工程中，總沉降最大值發(fā)生在盾尾經(jīng)過建筑物以后，而不均勻沉降最大值發(fā)生在盾構(gòu)經(jīng)過房屋中部的時(shí)候，此兩種情況為房屋安全最不利的情況，施工時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注.

(2)當(dāng)房屋沿隧道縱向尺寸較小時(shí)，盾構(gòu)穿越時(shí)容易出現(xiàn)沿隧道開挖方向的傾斜，最危險(xiǎn)的工況發(fā)生在盾構(gòu)經(jīng)過房屋中部時(shí)；當(dāng)房屋沿隧道橫向尺寸較小時(shí)，盾構(gòu)穿越時(shí)容易出現(xiàn)向隧道軸線方向的傾斜，最危險(xiǎn)的工況發(fā)生在盾構(gòu)脫離房屋后.

(3)與盾構(gòu)穿越自由地層相比，在同樣的施工條件作用下，穿越建筑物時(shí)因基礎(chǔ)附加應(yīng)力，增大了土體豎向變形，為控制沉降，必須增大注漿壓力，地表沉降不再符合正態(tài)分布規(guī)律.

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(編輯：姚佳良)

Studies on ground surface and building settlement rule by shield passing through building

LI Chun-lin1， MIAO Lin-chang2， CHEN Jing1

(1.Institute of Civil and Architectural Engineering, Tongling University, Tongling 244000, China； 2.Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Due to interaction effect between the soil and buildings, ground settlement for the underpass buildings in shield construction is bound to differ from that for no buildings around a tunnel. To solve the problem, ground surface settlement and building settlement were analyzed with three-dimensional finite element method models, and the calculation results were compared directly with on-the-spot data for the metro shield tunnel engineering, revealing the influence law of the disturbance of soil mass and building caused by shield tunnelling.

shield tunnel; building; ground surface settlement; FEM

2016-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278099)；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1408085ME98，1608085ME103)；安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2015A255, KJ2015A176)

黎春林，男， lichunlin111@126.com

1672-6197(2017)01-0012-05

TU472

A