基于模型試驗的淺埋暗挖隧道施工過程中地表建筑物變形規律研究

王元清

(中鐵十一局集團第五工程有限公司, 重慶 400037)

0 引言

21世紀以來，伴隨著我國城市化進程的加快，城市基礎設施供應壓力也在不斷增大，城市土地資源變得日益緊張，加快開發利用城市地下空間已成為解決城市土地問題的必然趨勢。淺埋暗挖法施工靈活且對地面交通和周圍環境影響較小，已成為解決城市公路、鐵路(地鐵)以及穿過鬧市區問題的重要方案； 但由于其埋深較淺，開挖必然會導致地表產生沉降、水平位移等, 從而造成對地面已有建筑物或設施的破壞，修建淺埋暗挖隧道而引起的地面塌陷、房屋損壞等工程問題也層出不窮[1-4]。

目前針對隧道開挖引起地表沉降的研究已有很多，常見的計算地下開挖引起的地層位移的方法主要有經驗公式法、理論解析法和數值分析法。其中，Peck[5]所提出的經驗公式法是目前計算地層位移最常用的方法； Burland[6]所提出的 “彈性深梁模型”是目前計算地表沉降引起的建筑物變形損傷最常用的方法。在此基礎上，Namazi等[7]進一步建立了彈性薄板模型； Boone[8]提出了一個更為詳細的，將建筑物結構、形狀以及應變相結合的方法，把建筑物承重墻看作受均布荷載的簡支梁，證實了框架結構建筑物的損傷主要取決于建筑物沉降差異和柱子產生的旋轉角度。此外，還有很多學者擴展了以上模型，包括建筑質量、土結構界面的性質以及隧道軸線方向的建筑尺寸等多種建筑特征[9-10]。通過將這些額外的建筑特性融入到原有的模型中，使試驗能夠更符合實際工程。隨著大型通用計算機數值計算軟件的發展，巖土工程的數值分析技術得到了有效提升，數值模擬法以其獨特的優勢廣泛應用于巖土工程地下開挖領域。張海波等[11]編制了一種三維非線性有限元模擬程序，綜合考慮了地下隧道埋深、盾構半徑、開挖面應力釋放量、盾尾空隙等盾構施工工況所引發的地表沉降，建立了上海地鐵4號線某區間的數值計算模型。楊海鵬[12]運用FLAC3D軟件建立了淺埋隧道開挖的數值分析計算模型，對隧道開挖中圍巖性質、開挖和支護條件、開挖進尺、隧道埋深、開挖半徑和地層條件等一系列因素的影響進行了研究。

上述專家學者就地下工程施工對周邊地層所產生的影響和地表建筑物的影響機制做了大量研究，但理論及數值方法均是對實際工程中可能出現情況的間接預測，并不能直接提供一手的數據資料； 而以往的模型試驗大多是對單一的地表建筑物模型進行研究，并且采用預埋監測儀器的方法對隧道開挖過程中地層的變形沉降進行監測，會不可避免地對試驗結果造成一定的干擾。鑒于此，本文通過室內縮尺模型試驗模擬城市淺埋暗挖隧道分步施工條件，以研究地表建筑物變形特性，在試驗中創新性地采用3D掃描技術，對試驗中地表建筑物和開挖區域的地表沉降進行監測，同時運用數字散斑技術(DIC)對地表建筑物模型墻體的變形進行監測并獲得建筑物墻體的應變數據，做到非接觸式監測，減小傳統監測手段因預埋監測儀器對試驗結果產生的影響，從而為后續的理論和數值模型研究提供可靠的數據對比。

1 試驗原理和設備

本試驗根據淺埋暗挖隧道的施工方法，對其進行一定程度上的簡化，按照1∶100的比例建立了室內物理模型。該試驗裝置主要分為4部分： 可拆卸的試驗模型箱、淺埋暗挖隧道開挖模擬裝置、地表建筑物模型、地表沉降監測裝置。室內物理模型試驗裝置如圖1所示。可拆卸試驗模型箱為750 mm×650 mm×650 mm無蓋矩形鐵箱； 模型箱上部安裝3D掃描監測裝置，監測地表及地表建筑物沉降； 前后兩面為透明亞克力板，以便DIC拍攝地表建筑物墻體應變變化過程； 左右以及底部為厚鐵板，相互之間用角鋼和螺栓固定。為了更好地監測隧道開挖引起的地表沉降現象，試驗土體采用重度為17.5 kN/m3的中粗干砂，上部建筑物模型采用邊長為10 mm的小立方體堆砌而成的750 mm×650 mm×650 mm長方體。本試驗中分別采用2個不同直徑的圓形套筒相互套接來模擬隧道開挖過程中隧道的徑向收縮，其中外側套筒直徑為110 mm，內測套筒直徑為100 mm，即由隧道開挖引起的徑向收縮為10 mm。試驗過程中通過抽取外側套筒來模擬隧道的開挖。

本次試驗研究了淺埋暗挖隧道不同開挖階段、不同位置地表建筑物的破壞形式以及建筑物表面所產生的應變。建筑物模型沿隧道開挖軸向的5個位置均勻排列，即分別位于距模型箱邊緣100、200、300、400、500 mm處，如圖2所示。淺埋暗挖隧道埋深為138 mm，開挖長度為600 mm，分3步開挖，每次開挖200 mm，每次開挖步之間間隔30 s，使得建筑物和地表在淺埋暗挖隧道開挖后產生的沉降穩定，再進行地表和建筑物沉降以及建筑物應變的數據采集和拍攝； 然后，通過3D掃描裝置和DIC技術分別對地表和建筑物表面進行拍攝； 最后，將所得的試驗數據通過三維建筑物損傷模型進行計算，得到建筑物變形所產生的拉伸應變和剪切應變，推斷建筑物在不同位置情況下所受的主要變形。

A1—A5為5組地表建筑物模型；A、B、C、D為建筑物模型的4個角點。

圖2地表建筑物與淺埋暗挖隧道模型布置示意圖

Fig. 2 Relationship between surface building and shallow-buried tunnel

2 試驗結果及數據分析

2.1 淺埋暗挖隧道開挖過程中建筑物產生的變形及應變規律

上述淺埋暗挖隧道開挖引起地表建筑物損傷的室內模型試驗研究了不同位置地表建筑物的沉降規律以及變形規律。試驗中由撓曲引發的最大剪切應變和最大拉伸應變的計算步驟如下。

1)在隧道開挖前通過3D掃描技術對原始地表和建筑物進行掃描，開挖后再對地表和建筑物進行掃描； 通過軟件數據分析可以得到試驗后地表和建筑物相對試驗前的沉降云圖； 通過得到的3D掃描沉降云圖，分別獲取建筑物4個角點的沉降量。

2)將整個建筑物簡化為1個矩形厚板，通過所得到的角點沉降量計算出建筑物中心點沉降量。將所得數據帶入下列公式得到最大剪切應變Ymax和最大拉伸應變εmax，如表1所示。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：εmax為最大拉伸應變；Ymax為最大剪切應變；Δ為建筑物中心沉降量(由建筑物4個角點沉降量推算)；a為建筑物模型寬度；δ1、δ2、δ3為建筑物模型參數，按式(3)—(5)計算。

(3)

(4)

(5)

表1淺埋暗挖隧道開挖誘發地表建筑物損傷試驗數據表

Table 1 Test data of surface building damage induced by shallow-buried tunnel excavation

組別開挖速度/(mm/步)隧道埋深/mm最大剪切應變Ymax最大拉伸應變εmaxA12001380.2500.197A22001380.2430.183A32001380.1810.136A42001380.0580.044A52001380.0810.067

第1步開挖后，地表建筑物受彎產生的拉伸應變和剪切應變變化如圖3(a)所示，主要變形是由撓曲引發的拉伸應變ε和剪切應變Y。由圖3(a)可知，在隧道掘進過后地表建筑物已產生較大的變形，還未開挖部分的地表建筑物也產生了一定的變形，但變形量相對于已開挖部分地表建筑物較小，在距離掌子面-100 mm處，可以看到各項應變值均大于其他位置。第2步開挖后，建筑物的應變狀態發生了明顯變化，如圖3(b)所示，對比第1步開挖結束時的應變狀態，各個位置建筑物模型的各項應變值都有不同程度的提高。其中，掌子面經過的2處地表建筑物(即圖3(b)中-300 mm和-200 mm處)在第2步開挖后產生的剪切應變Y和拉伸應變ε基本相同，說明開挖后在距離掌子面-200 mm處其開挖影響逐漸減小。圖2中A3位置處的建筑物模型在第1步和第2步開挖后的應變狀態(分別對應圖3(a)中100 mm處和圖3(b)中-100 mm處應變)有很大的差別，主要是受撓曲影響較為明顯，相對于第1步開挖，該位置上建筑物模型的應變增量最大，Y、ε均有不同程度的增大，其原因是第1步未開挖到該位置，而第2步開挖引發其應變產生突變。

(a) 第1步開挖后

(b) 第2步開挖后

圖3撓曲引發的最大剪切應變和最大拉伸應變變化柱狀圖

Fig. 3 Histogram maximum shear strain and tensile strain variation induced by deflection

2.2 淺埋暗挖隧道開挖過程中3D掃描和DIC監測的建筑物應變特征分析

2.2.1 第1步開挖后的沉降與變形監測結果

開挖200 mm時(第1步開挖后)，通過DIC監測得到距離淺埋暗挖隧道掌子面0 mm處的地表建筑物模型CD側墻體的剪切應變云圖如圖4(a)所示。由圖可知，在建筑物模型CD側墻體的應變云圖中出現了明顯的剪切帶，原因是在該位置處建筑物模型的AB側墻體和CD側墻體沉降差異較大，CD側墻體的沉降大于AB側，由于慣性的作用使得CD側墻體整體向AB側方向傾斜，從而使CD側墻體中部出現明顯的剪切帶。

圖4(b)示出第1步開挖后距離掌子面-100 mm處地表建筑物4個角點的沉降狀態，由圖可知，建筑物模型產生比較明顯的不均勻沉降，此時A、C兩點的沉降值相近，B、D兩點的沉降值也相近，且A、C兩點的沉降值要大于B、D，結合圖4(a)所示的應變情況可知，此時建筑物整體受彎和扭轉均比較嚴重。圖4(c)示出距離掌子面0 mm處地表建筑物4個角點的沉降狀態，由圖可知，AB側墻體的沉降值小于CD側，在ABCD平面受剪明顯。圖4(d)示出第1步開挖后建筑物4個角點沉降曲線，由圖可知，距離掌子面較近的建筑物受開挖影響明顯，產生了較大的不均勻沉降；其余位置由于距離相對較遠，受到的擾動小，但也有一定的沉降產生。綜上，可以看出開挖影響區域的分布規律，即建筑物在位于隧道正上方且平行于隧道開挖方向時，隧道開挖引起建筑物模型的拉伸應變和剪切應變隨著與掌子面距離的增大而減小。

(a) 建筑物CD側墻體剪切應變云圖

(b) 距掌子面-100 mm處角點沉降

(c) 距掌子面0 mm處角點沉降

(d) 建筑物4個角點沉降曲線圖

圖4第1步開挖后(開挖200m時)建筑物變形及沉降監測結果

Fig. 4 Monitoring results of deformation and settlement of buildings after step 1 excavation(when excavation by 200 m)

2.2.2 第2步開挖后的變形與沉降監測結果

開挖400 mm時(第2步開挖后)，通過DIC監測得到該位置上建筑物模型的CD側墻體剪切應變云圖如圖5(a)所示。由圖可知，在CD側墻體的上部和中部出現2條明顯的剪切應變帶；其余位置的應變由于仍處于未開挖區域，應變變化不大，但還是有少量增加。

(a)建筑物CD側墻體剪切應變云圖

(b) 距掌子面-100 mm處角點沉降

(c) 距掌子面0 mm處角點沉降

(d) 建筑物4個角點沉降曲線

圖5第2步開挖后(開挖400m時)建筑物變形及沉降監測結果

Fig. 5 Monitoring results of deformation and settlement of buildings after step 2 excavation(when excavation by 400 m)

圖5(b)和圖5(c)分別對應圖5(d)中距掌子面-100 mm和100 mm位置的沉降云圖。由圖5(d)可知: 沉降總體隨著與掌子面距離的減小而減小，其中距掌子面-100 mm和100 mm處建筑物4個角點的沉降相差較大，沉降最不均勻； 距掌子面100 mm處建筑物模型4個角點的沉降差值相比-100 mm處的沉降差值更大，但是100 mm處的整體沉降值不大，受到開挖影響較小，故其受彎產生的拉伸應變和剪切應變要比-100 mm處小得多。綜上所述，可以得到以下結論： 在建筑物模型中軸線和隧道開挖方向平行的情況下，建筑物模型受扭轉產生的剪切應變主要是受建筑物模型角點的不均勻沉降差值影響； 建筑物模型受彎產生的拉伸應變和剪切應變主要是受各角點的沉降值大小影響。

3 結論與討論

本文通過室內物理模型試驗，研究了城市淺埋暗挖隧道施工過程中上部地表建筑物的沉降和變形規律。試驗中建筑物中軸線與隧道中軸線平行，采用2個不同直徑的圓形套筒相互套接來模擬隧道開挖過程中隧道的徑向收縮； 隧道采用分步開挖方式，開挖過程中應用了3D掃描和DIC 2種非接觸式應變監測手段。試驗得出的主要結論如下。

1)建筑物模型的各項應變隨著與開挖掌子面距離的增大而減小。

2)建筑物模型受扭轉產生的剪切應變主要受建筑物模型角點的不均勻沉降差值影響，不均勻沉降差值越大，受扭剪切應變越大； 建筑物模型受彎產生拉伸應變和剪切應變受各角點的沉降值影響，沉降越大(即撓曲越大)，產生的撓曲拉伸應變和剪切應變也越大。

此外，本文研究的地表建筑物僅為沿隧道軸向分布的情況。在后續的研究中，將針對地表建筑物的不同方位、不同尺寸以及淺埋暗挖隧道的不同埋置深度開展更加全面的研究。