盾構(gòu)穿越保護(hù)建筑數(shù)值模擬預(yù)測(cè)與監(jiān)控量測(cè)

葛世平，謝東武，丁文其，楊洪杰

（1.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司，上海201103；4.上海申通軌道交通研究咨詢有限公司，上海201103）

盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響很早就引起了人們的關(guān)注，但盾構(gòu)施工對(duì)既有地表建筑的影響限于技術(shù)發(fā)展及認(rèn)識(shí)水平，相關(guān)研究較少.Sigl等［1］結(jié)合新加坡一盾構(gòu)穿越寺廟工程，對(duì)穿越過(guò)程中的相關(guān)建筑沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè).Dimmock等［2］在倫敦Jubilee Line延長(zhǎng)線上的磚石建筑對(duì)隧道施工的持續(xù)反應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為受到房屋建筑的限制，水平應(yīng)變基本可以忽略，且與無(wú)地表建筑時(shí)的位移趨勢(shì)毫無(wú)關(guān)系.Finno等［3］提出一種將建筑物的樓板和承重墻分別考慮的復(fù)合梁法對(duì)地表建筑物進(jìn)行分析.

借助于數(shù)值模擬可以較全面地考慮相關(guān)影響因素，較為準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)隧道施工引起的地表移動(dòng)及建筑變形，目前已成為穿越工程研究的主要方向.Mroueh等［4－5］建立完全3維模型，通過(guò)對(duì)比有無(wú)地面建筑開(kāi)挖隧道土體力學(xué)行為，分析采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)對(duì)隧道施工引起的地面沉降的影響.計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的存在對(duì)盾構(gòu)隧道附近及結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)附近的塑性區(qū)發(fā)展以及地面沉降曲線有明顯的影響.Houlsby等［6］認(rèn)為2 維模型忽略了隧道推進(jìn)的進(jìn)程，不能模擬建筑的實(shí)際情況，建立3維模型對(duì)有無(wú)地面建筑情況下沉降趨勢(shì)、結(jié)構(gòu)損傷隨隧道推進(jìn)的發(fā)展進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，地表建筑的存在，不僅從沉降量，而且從沉降模式上改變了地表的沉降趨勢(shì).廖少明等［7］采用在單元上施加荷載模擬建筑物，對(duì)盾構(gòu)側(cè)穿危房進(jìn)行了研究，對(duì)盾構(gòu)施工不同土體損失下的建筑物沉降規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為盾構(gòu)推進(jìn)方向側(cè)邊建筑的存在增大了盾構(gòu)施工引起的不均勻沉降.

目前在盾構(gòu)穿越既有建筑物施工過(guò)程中地表和建筑物沉降的規(guī)律性認(rèn)識(shí)方面還有較大的分歧，存在著建筑物增大地表沉降和減小地表沉降2 種觀點(diǎn).本文擬通過(guò)建立一系列的3維數(shù)值模型對(duì)盾構(gòu)穿越建筑物過(guò)程中的建筑物和地表測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律進(jìn)行研究，得到盾構(gòu)穿越既有建筑物過(guò)程中地表及建筑物沉降的一般規(guī)律，進(jìn)而對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證所提出結(jié)論的合理性.

1 盾構(gòu)穿越既有建筑數(shù)值模擬分析

本文建立數(shù)值模型時(shí)，假定盾構(gòu)施工過(guò)程及隧道周邊土體、隧道埋深等參數(shù)不變，通過(guò)改變建筑物的相關(guān)參數(shù)，研究既有建筑對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降趨勢(shì)的改變.

采用專業(yè)巖土工程分析軟件Z－Soil［8］建模計(jì)算.土體本構(gòu)采用摩爾－庫(kù)侖模型.采用八結(jié)點(diǎn)四面體單元模擬土體、盾構(gòu)殼體及建筑物墻體.盾構(gòu)機(jī)頭采用殼單元模擬.盾構(gòu)與土體、盾構(gòu)與管片、管片與土體間采用接觸單元.由于篇幅有限，本文主要對(duì)淺基礎(chǔ)6層以下的砌體建筑進(jìn)行研究.

為了使模擬更有針對(duì)性，結(jié)合軌道交通11號(hào)線下穿越徐家匯觀象臺(tái)工程，建立3維數(shù)值模型.通過(guò)檢測(cè)得到徐家匯觀象臺(tái)房屋底層至3層砌筑磚強(qiáng)度等級(jí)評(píng)定為MU10；底層砌筑砂漿強(qiáng)度推定為6.4 MPa，2層砌筑砂漿強(qiáng)度推定為4.6 MPa，3層砌筑砂漿強(qiáng)度推定為3.9 MPa.結(jié)合《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2001），得到對(duì)應(yīng)的每層砌體結(jié)構(gòu)的彈性模量分別為：第1層砌體2.57GPa，第2層砌體2.04GPa，第3層砌體1.96GPa.盾構(gòu)外徑6.34m，襯砌外徑為6.20 m，管片結(jié)構(gòu)采用35cm 厚度的C55混凝土，各環(huán)寬度為1.2m，管片結(jié)構(gòu)彈性模量為E＝34.5GPa.土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1.

1.1 既有建筑與盾構(gòu)推進(jìn)軸線相對(duì)位置不同對(duì)地表變形趨勢(shì)的影響

盾構(gòu)隧道穿越既有建筑有2 種情況：正穿和側(cè)穿.模型中建筑物短邊22m，長(zhǎng)邊60m，無(wú)特殊說(shuō)明情況下建筑物為6層磚砌體結(jié)構(gòu)，高度20m.正穿情況下，建筑物長(zhǎng)邊軸線與兩隧道間中線重合.側(cè)穿共計(jì)算5種情形.其中，情形1為建筑物短邊與兩隧道間中線重合，情形2，3，4，5包括建筑物短邊與兩隧道間中線距離為5，15，25，35m.如圖1所示，對(duì)比地表無(wú)建筑物、正穿和側(cè)穿情況下，盾構(gòu)隧道施工引起的沉降槽曲線，除了正穿時(shí)隧道軸線上方及兩軸線間的地表沉降量有所減小外，側(cè)穿情況下隧道軸線上方及兩軸線間的地表沉降均有所增大.隨著隧道軸線與建筑物的距離不斷增大，建筑物基底曲線逐漸趨于平緩.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters of soil

圖1 盾構(gòu)施工正穿、側(cè)穿沉降槽對(duì)比Fig.1 Comparison of settlement trough of shield tunneling undercrossing and sidecrossing the building

1.2 建筑物剛度不同對(duì)地表變形趨勢(shì)的影響

建筑物剛度越大，建筑物下的沉降槽越平緩，但建筑物下的基礎(chǔ)與其周邊基礎(chǔ)的差異沉降將會(huì)增大.如圖2所示，對(duì)比正穿情況下改變建筑物的剛度所形成的沉降槽曲線.隨著建筑物剛度的不斷增大，建筑物下沉降槽曲線逐漸趨于平緩，當(dāng)剛度達(dá)到實(shí)際砌體結(jié)構(gòu)剛度的100倍時(shí)，沉降槽已接近直線.

對(duì)比建筑物剛度與最大沉降值的關(guān)系可以看出，當(dāng)建筑物剛度較小時(shí)，建筑物的存在會(huì)增大盾構(gòu)施工引起的最大沉降，相當(dāng)于在地表直接施加荷載的情況.而隨著建筑物剛度的增大，最大沉降逐漸減小，并小于無(wú)建筑物情況下的地表最大沉降.

圖2 盾構(gòu)穿越剛度不同建筑物的沉降槽對(duì)比Fig.2 Comparison of settlement trough of shield tunneling undercrossing the building with different stiffness

1.3 建筑物自重不同對(duì)地表變形趨勢(shì)的影響

改變建筑物的自重，則要增加建筑物的樓層，從而建筑物的剛度會(huì)增加.因此，建筑物自重的改變是個(gè)多因素共同作用的情況，不能單獨(dú)考慮自重增加.

從圖3可以看出，由于自重增加的同時(shí)建筑物的剛度也增加了，因此沉降槽在建筑物下部趨于平緩，同時(shí)最大沉降量也并沒(méi)有明顯增大.對(duì)應(yīng)于實(shí)際情況，6層砌體建筑所對(duì)應(yīng)的最大沉降量并不一定會(huì)明顯大于3層砌體建筑的沉降量，而會(huì)出現(xiàn)明顯差別的應(yīng)該為建筑物下土層與周邊土層的差異沉降.

圖3 盾構(gòu)穿越自重不同建筑物的沉降槽對(duì)比Fig.3 Comparison of settlement trough of shield tunneling undercrossing the building with different weights

1.4 小結(jié)

盾構(gòu)隧道正穿和側(cè)穿既有地表建筑物情況下，既有建筑與隧道軸線相對(duì)位置不同，沉降槽的形式和沉降量的變化情況有差別.正穿情況下，既有建筑物的存在會(huì)減小地表最大沉降量，但側(cè)穿情況下基本會(huì)增大最大地表沉降量.

正穿情況下建筑物剛度的改變也會(huì)改變沉降槽的形式和最大沉降量.因此，在模擬時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際的建筑物剛度，將基礎(chǔ)模擬為完全剛性和完全柔性都是不合適的.

從改變建筑物自重的模擬對(duì)比結(jié)果來(lái)看，對(duì)于高度在6層以內(nèi)的砌體結(jié)構(gòu)來(lái)講，3層砌體建筑與6層砌體建筑引起的沉降最大值差別不大，而建筑物下的沉降槽形式則有明顯的區(qū)別.

2 盾構(gòu)穿越既有保護(hù)建筑的模擬預(yù)測(cè)

2.1 工程概況

徐家匯觀象臺(tái)已有百余年歷史，主體為磚木3層結(jié)構(gòu).由于該建筑建造年代久遠(yuǎn)，使用年限已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)建筑.因此對(duì)該建筑物的保護(hù)要求非常高.

上海軌道交通11號(hào)線從徐家匯觀象臺(tái)北側(cè)下方土體穿過(guò).盾構(gòu)外壁距離地表約26.2m，2條盾構(gòu)軸線相距約9.7m.隧道襯砌環(huán)外直徑6.2m，內(nèi)直徑5.5m，管片環(huán)寬1.2m.盾構(gòu)區(qū)間與徐家匯觀象臺(tái)的平面相對(duì)位置及立面圖見(jiàn)圖4.土體參數(shù)見(jiàn)表1.

施工過(guò)程中為有效控制盾構(gòu)推進(jìn)擾動(dòng)造成的地面沉降，及時(shí)反饋修正施工參數(shù)，建立了監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)隧道軸線上方地表和徐家匯觀象臺(tái)沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖4a所示.根據(jù)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況，可基本將觀象臺(tái)及其附近所布設(shè)的測(cè)點(diǎn)歸結(jié)在2個(gè)橫斷面上，第1橫斷面包括測(cè)點(diǎn)315，320，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6，第2 橫斷面包括測(cè)點(diǎn)330，335，F(xiàn)13，F(xiàn)12，F(xiàn)11，F(xiàn)10，F(xiàn)9，F(xiàn)8，F(xiàn)7.其中，F(xiàn) 表示建筑物墻體上的測(cè)點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)為隧道對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)上方地表測(cè)點(diǎn).這樣劃分對(duì)后續(xù)的計(jì)算分析有幫助.

2.2 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

建立觀象臺(tái)和盾構(gòu)隧道施工全3維數(shù)值模擬模型，模型網(wǎng)格劃分如圖5所示.模型寬209.2 m，長(zhǎng)192 m，隧道軸線至地面20.955m，至底部邊界56.835m.兩隧道軸線間距17.2 m.隧道開(kāi)挖直徑6.34m，盾殼厚度0.07m，管片厚度0.35m.

整理有無(wú)建筑物沉降槽對(duì)比如圖6 所示.建筑物的存在，增大地表最大沉降量，改變了沉降槽的形式.

無(wú)觀象臺(tái)隧道軸線上方地表測(cè)點(diǎn)最大沉降值為21.34 mm，有觀象臺(tái)時(shí)測(cè)點(diǎn)最大沉降值為22.38mm，沉降差1.04 mm；而靠近隧道側(cè)的建筑物地表測(cè)點(diǎn)的沉降值較小，為14.58 mm，與其附近隧道軸線上方測(cè)點(diǎn)沉降差為7.8mm.

3 建筑物沉降的監(jiān)控量測(cè)

軌道交通11號(hào)線在2010年2月和3月份穿越徐家匯觀象臺(tái).對(duì)觀象臺(tái)對(duì)應(yīng)2個(gè)橫斷面測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，與預(yù)測(cè)值的對(duì)比如圖7和8所示.

圖7 觀象臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降槽（斷面一）Fig.7 Settlement trough of Observatory measured points（Section 1）

圖8 觀象臺(tái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降槽（斷面二）Fig.8 Settlement trough of Observatory measured points（Section 2）

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線來(lái)看，隨著距離隧道軸線的距離逐漸增大，沉降逐漸減小的規(guī)律較為明顯.由于觀象臺(tái)的存在，使得測(cè)點(diǎn)測(cè)值過(guò)渡較為平順，沉降槽寬度增大，雖然距離隧道軸線已近50 m，但兩沉降槽端部測(cè)點(diǎn)沉降值仍達(dá)到近10mm.與預(yù)測(cè)沉降槽相比，實(shí)測(cè)沉降槽曲線局部出現(xiàn)大的差異沉降，這可能由于建筑物自身歷史悠久，加上長(zhǎng)期發(fā)展的既有變形，在建筑物上產(chǎn)生裂縫（圖9），導(dǎo)致沉降發(fā)展不連續(xù)，而有限元模型并沒(méi)有考慮這一點(diǎn).

圖9 墻體及搭建房屋與主體結(jié)構(gòu)接縫豎向開(kāi)裂Fig.9 Crack of wall and crack between annex with the main structure

觀象臺(tái)位置的測(cè)點(diǎn)沉降最大值小于隧道軸線上方地表測(cè)點(diǎn)沉降值，這與計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果一致.

4 結(jié)論

通過(guò)建立3維數(shù)值模型對(duì)各種工況下盾構(gòu)穿越既有建筑的地表沉降規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)11號(hào)線下穿越徐家匯觀象臺(tái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，與監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下：

（1）既有建筑的存在改變了盾構(gòu)施工引起的地表沉降規(guī)律，建立3維全模型進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)是一個(gè)較好的辦法.

（2）既有建筑與隧道軸線的相對(duì)位置、既有建筑的自重、既有建筑的剛度等因素會(huì)改變盾構(gòu)施工引起的地表沉降的規(guī)律；特別是既有建筑物的剛度的影響，已有的對(duì)建筑物剛度的假定，或者不考慮建筑物剛度，或者假定為無(wú)限剛度的方法，都是值得商榷的.

（3）結(jié)合11號(hào)線下穿越徐家匯觀象臺(tái)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)穿越地表既有建筑情況下的建筑物沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，指導(dǎo)施工進(jìn)行，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.

由于工程案例有限，本文對(duì)盾構(gòu)穿越既有建筑物施工所作的工程驗(yàn)證僅針對(duì)個(gè)體工程進(jìn)行，系統(tǒng)的工程驗(yàn)證將是進(jìn)一步研究工作的方向.

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