隧道施工對地層及建筑物影響的模型試驗研究★

王云平

(大連大學基建處,遼寧 大連 116622)

1 概述

21世紀以來,我國城市建設進程加快,公共設施建設逐步齊全完善,伴隨的城市建筑增多、交通阻塞、城市用地短缺等嚴重制約了社會經濟的進一步發展[1-3]。因此,地下空間開發與利用成為必然,城市隧道工程便是其中的一種。城市隧道帶來便利的同時也將在施工階段不可避免的對鄰近管線、地面沉陷及臨近建筑結構物產生影響[4-7]。因此,研究隧道開挖施工引起的地表沉陷、變形及其對鄰近結構物的擾動影響具有重要的學術價值和工程應用價值。

2 模型試驗參數

本文依據相似理論,對工程原型縮小進行物理模型試驗,可以直觀的觀測破壞現象和集中監測破壞區域,對地層移動規律,建筑結構變形特點進行深入研究。幾何相似比1∶30,模型試驗中隧道半徑為0.2 m,相當于實際6 m,隧道埋深0.5 m,相當于實際15 m。為獲得檢測數據,分別在行1—行4土層及建筑物前后6 m,即模型前后0.2 m的地方設置應力和應變傳感器,實驗模型如圖1所示。

3 試驗檢測方案

模型制作完成后,應力傳感器對土層應力進行連續性監測,待應力場穩定后,同時進行位移監測,然后進行開挖。本次隧道開挖采用的是抽取預埋件的形式進行模擬開挖,其中每個構件的尺寸為50 mm(相當于實際的1 500 mm),為避免相鄰開挖段之間的影響,因此開挖間隔時間選為1 h(相當于實際中5.5 h)。開挖完成后進行連續性觀測,位移觀測時間間隔為2 h(相當于實際中11 h),應力時間觀測間隔為30 min,隧道開挖的同時開始采集實驗數據。通過連續監測,得到了大量的試驗數據,經過整理,得出隧道、土體、建筑的破壞形式與變形規律。

4 試驗結果分析

4.1 地層變形分析

模型隧道開挖完成后出現近似高斯分布曲線式的橫向沉降槽,進一步也表明了該室內模型試驗裝置的可行性。圖2為上部地層測點G6,G7,G3,G8,G9(行4)在不同開挖時段的沉降槽曲線。從中可以得出,地層沉降槽曲線呈現“V字”特征,這與圖2所表現的性狀一致。在隧道開挖完成后的前14個階段,地層沉降幅度較大。之后各測點的沉降幅度變小并基本一致,前期是因為隧道開挖直接擾動土體,后期沉降則是土體應力場及位移場重新分布的結果,前期擾動土層位移變化劇烈,持續時間短,后期沉降速率緩待續時間長。通過圖2可知,存在建筑物時隧道軸線中心處的沉降值比無建筑的測點處沉降值大很多,其沉降值約為19 mm,基本規律相同。因本次試驗臺尺寸限定、光纖位移傳感器埋設數量有限,沒有準確測定出沉降槽寬度,日后需改正設計方案。

圖3為上部地層測點G1～G3(行4)在不同開挖時段的縱向位移曲線圖。各時段位移曲線呈現“勺子”形狀,位移曲線具有反向性,具有如此剪切運動特性的土層叫做“剪切層”,具體原因是隧道開挖直接引起工作面后方土層沉降,前方土體受力擠壓產生隆起。據此我們可以推斷,埋于剪切層的樁基、剪力墻等結構物在隧道開挖時受到附加剪切作用,在位移值最大處極其容易出現裂縫,在施工中應做好切實的防護措施。

4.2 建筑物、樁基變形分析

圖4所示為隧道開挖引起的建筑結構基礎附近土體開裂(還有多處細微裂紋),裂紋主要集中在建筑結構的中心位置,即沉降位移最大處,分析其成因主要是因為沉降所引起的“張拉應力”超過土體抗拉強度所導致的拉裂。

圖5所示為選擇的具有代表性的樁基礎位移變化趨勢圖,為保證測量數據的范圍性,特將各個應變式位移計的初始量程調整為100 mm,在100 mm以上的數值為拉伸量,100 mm以下的為壓縮量。從圖中可以得到W12處的沉降最為明顯,最大值近似為29.5,需要及時加固預防建筑物繼續傾斜,嚴重時發生結構開裂,最終傾斜倒塌。同時對比橫向地表(行4)沉降槽曲線可知,在有建筑結構處的變形量大于天然地層(無建筑)沉降值。同時對比W10,W11,W12可知,建筑結構中心位置沉降值最大,邊柱位置沉降值依次減小,即沉降槽邊緣的位置將對建筑結構的影響變小。從W3曲線中可以看出,后排樁位移先是減小(壓縮)后緩慢增大,對此的解釋認為是隧道開挖至建筑結構下方時導致工作面前方土體略有隆起,后方土體沉降,產生具有一定坡度的沉降槽所導致。同時本次選取的材料剛度較大且高層建筑高度較大,使得前期建筑結構重心前移,當隧道開挖完全通過建筑結構后沉降槽均勻沉降,此時重心又緩慢恢復所導致。上述過程,重心位置改變將造成建筑結構產生一定傾斜,附加的力作用于整個承載結構,使得地板壓應力分布不均,進一步增大不均勻沉降。這種由于重心偏態導致的破壞,對高聳建筑尤其危險,因為這種建筑物基礎底面積較小,抵抗重心偏態的能力比較差。

5 結論

通過試驗,得到的主要結論有:

1)建筑物自重對地表沉降存在影響,建筑物中心處沉降值約19 mm;平行于隧道開挖方向出現“剪切層”,埋于剪切層的樁基受到附加剪切作用,在位移值最大處極其容易出現裂縫。

2)原有建筑結構處的沉降槽變形值要大于天然土體(無建筑),沉降槽邊緣位置的建筑結構的變形影響較小。同時,從開挖方向觀測,后排樁位移先是減小(壓縮),后緩慢增大。

3)由于隧道開挖產生軸向不均勻沉降使得建筑結構重心位置改變,造成結構產生一定傾斜,從而使得地板壓應力分布不均,進一步增大不均勻沉降。