建筑物載荷位置及大小對地表及隧道的影響研究

張惠蘭

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

1 引言

近年來，我國軌道交通得到了迅猛的發(fā)展，地鐵線路已延伸城市地下各個角落，同時(shí)隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展以及充分利用土地考慮，在已建地鐵上部施做建筑物是不可避免的，而地面建筑物的施工將必然會對已有的隧道造成一定的影響。由于建筑物施工和隧道施工并不同步，此時(shí)存在兩種情況:一是隧道后于鄰近建筑物施工，此時(shí)隧道的施工對已有建筑物產(chǎn)生影響;二是隧道先于鄰近建筑物存在，此時(shí)地面建筑物的施工將必然會對已有的隧道造成一定的影響。對于隧道施工對地表及鄰近建筑物的影響，國內(nèi)外已研究的非常多［1～4］;而對于建筑物施工對地表及其下部隧道的位移、內(nèi)力等的影響國內(nèi)外研究的較少。因此，論文以某地鐵工程為背景，考慮建筑物樓層荷載的不同位置和建筑物樓層荷載的不同大小兩種工況對地表的水平位移、豎向位移和隧道周圍特征點(diǎn)的水平位移和豎向位移以及隧道管片結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩的影響。

2 數(shù)值分析

2.1 工程概況

某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道，襯砌外徑6000 mm，內(nèi)徑5400mm，管片寬度1500mm，厚度300 mm，每環(huán)6片錯縫拼裝。襯砌環(huán)采用通用環(huán)的組合形式。隧道所處地層由地表至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖。其間沒有明顯的不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

采用二維平面應(yīng)變模型，計(jì)算盾構(gòu)隧道開挖后的圍巖及管片力學(xué)分布規(guī)律。土體采用平面應(yīng)變單元，摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型;管片采用梁單元，線彈性模型。模型尺寸90×42m(X×Y)，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2.3 地層參數(shù)

模型土層由地表至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、含碎石粘土、粉質(zhì)粘土和基巖層，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，盾構(gòu)管片為C50鋼筋混凝土預(yù)制件，考慮到施工過程中錯縫搭接強(qiáng)度損失，盾構(gòu)管片強(qiáng)度折減0.25［5～6］。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.4 邊界條件

(1)位移邊界:模型左右邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移和水平位移，上部邊界為地表自由面［7］。

(2)載荷邊界:取每層房屋單位面積的總荷載為10 kN/m，作用區(qū)域18m，樓層的高度考慮為8層樓。則作用在每平方米房基上的荷載為80kN/m。

(3)應(yīng)力釋放系數(shù):在隧道開挖時(shí)定義應(yīng)力釋放系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，開挖時(shí)應(yīng)力釋放0.4，支護(hù)完成后釋放0.6。

2.5 模擬工況

(1)不同載荷作用位置工況。為了分析載荷作用于地表不同位置對盾構(gòu)隧道的影響，以左右隧道中心連線的中垂線(以下均簡稱“中心線”)為起始零點(diǎn)，建筑物寬度為18m，定義建筑物中心與中心線的距離為“載荷偏移距離”，用字母P表示，以P=0作為為工況1，然后將建筑物依次向右移動3m，依次命名為工況2、工況3、……、工況10(此時(shí)載荷左邊界與右隧道右端水平距離9m)。

(2)不同載荷作用力工況。為了分析載荷作用于地表不同位置對盾構(gòu)隧道的影響，以工況5(載荷中心距離對稱軸12m)作用位置為基準(zhǔn)，調(diào)整載荷大小，依次設(shè)置20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m、100kN/m，并依次命名為工況Ⅰ、工況Ⅱ、工況Ⅲ(同工況5)、工況Ⅳ、工況Ⅴ。

(3)隧道周圍特征點(diǎn)。為了更細(xì)致比較隧道圍巖的具體變形規(guī)律，設(shè)置特征點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

3 建筑物載荷位置對地表及隧道的影響

3.1 對地表位移的影響

3.1.1 水平位移。從圖2可以看出:(1)在無荷載作用時(shí)，地表水平位移最大絕對值約為7.85mm，而在60kPa建筑荷載作用下，地表水平位移最大絕對值約為13.15mm，表面建筑物載荷顯著增大了地表水平位移。(2)隨著載荷偏移距離的增加，地表左右側(cè)的水平位移不再對稱分布，表明當(dāng)載荷偏向一側(cè)隧道時(shí)，該側(cè)地表水平位移將增大，而另一側(cè)將有所減小。(3)隨著載荷偏移距離繼續(xù)增加，至遠(yuǎn)離隧道開挖范圍一定距離時(shí)，地表左右側(cè)的水平位移又逐漸趨于對稱分布，表明當(dāng)建筑載荷偏離距離增加到一定程度時(shí)，其對地表的水平位移影響很小。

圖2 10種工況下的水平位移曲線圖

3.1.2 豎向位移。從圖3可以看出:(1)在無荷載作用是，地表最大沉降為20mm，在中心線處，最小沉降為0.45mm，而在60kPa建筑荷載作用下，最大沉降為44mm，左右兩側(cè)出現(xiàn)地面隆起約0.91mm。(2)隨著載荷偏移距離的增加，最大沉降點(diǎn)發(fā)生位置隨之向右側(cè)偏移，且最大沉降量逐漸減小，如工況5條件下，最大沉降約為30.69mm，發(fā)生在右隧道拱頂上方對應(yīng)地表點(diǎn);表明當(dāng)載荷偏向一側(cè)隧道時(shí)，地表最大沉降點(diǎn)也會隨之偏移，且最大沉降量會隨之減小，同時(shí)在兩側(cè)遠(yuǎn)中心線處的地表會出現(xiàn)輕微隆起現(xiàn)象。

圖3 各工況下的豎向位移曲線圖

3.2 對隧道周圍特征點(diǎn)位移的影響

3.2.1 水平位移。水平位移主要集中在隧道兩腰上，主要位移趨勢是向隧道內(nèi)收縮。載荷作用下的右隧道水平位移較大，且兩腰對稱分布，而遠(yuǎn)離載荷作用的左隧道水平位移值相對較小，且左腰小于右腰。從圖4可以看出:(1)左隧道左拱腰水平位移隨著建筑載荷偏移距離的增加而逐漸減小，最終趨于定值;右隧道左拱腰水平位移則隨建筑載荷偏移距離的增加先保持一段平穩(wěn)，而后逐漸減小后趨于定值，其位移整體要比左隧道拱頂大。(2)左隧道右拱腰水平位移隨著建筑載荷偏移距離的增加而逐漸增大，而后趨于定值;右隧道右拱腰水平位移隨著建筑載荷偏移距離的增加先減小后增大，最終趨于定值。P=21以內(nèi)，左隧道拱底水平位移均大于右隧道;而P=21以外二者水平位移基本一致。

圖4 各工況下隧道特征點(diǎn)水平位移曲線

4.2.2 豎向位移。從圖5可以看出:(1)左、右隧道拱頂位移均為負(fù)值，表現(xiàn)為拱頂下沉。左隧道拱頂豎向位移隨著建筑荷載偏移距離的增加而逐漸增大，在P=15m以后趨于定值;右隧道拱頂豎向位移隨著建筑荷載偏移距離的增加先減小后增大，最終趨于定值。(2)左、右隧道拱底位移均為正值，表現(xiàn)為拱底隆起。左右隧道拱底的位移隨著建筑載荷偏移距離的增加而基本保持平穩(wěn)，右隧道位移要大于左隧道的。(3)左隧道左拱腰和右拱腰的豎向位移均為負(fù)值，在P=0時(shí)，左拱腰最大位移為-8mm，右拱腰最大位移為-15mm;隨建筑載荷偏移距離的增加逐漸增大，最終趨于零。

圖5 各工況下隧道特征點(diǎn)豎向位移曲線

5 建筑物載荷大小對地表及隧道的影響

5.1 對地表位移的影響

5.1.1 水平位移。從圖6可以看出:(1)隧道開挖后地表的水平位移呈正弦曲線分布，左側(cè)部分為正向位移，右側(cè)部分為負(fù)向位移，均向中心線靠攏，且在各隧道上方偏移中心線一段距離處出現(xiàn)極值。(2)隨著建筑物載荷的增加，左側(cè)部分的地表水平位移減小，且極值點(diǎn)向右偏移;右側(cè)部分的地表水平位移增大，且極值點(diǎn)也向右偏移。且當(dāng)載荷較大(大于80kPa)時(shí)，右側(cè)地表水平位移出現(xiàn)極值后迅速增大，而后出現(xiàn)部分正向位移，且隨著載荷的增大而增大，如載荷由80kPa增加到100kPa時(shí)，右側(cè)反轉(zhuǎn)的正向位移由約1mm增加到3.7mm。

圖6 各工況下的水平位移曲線圖

5.1.2 豎向位移。從圖7可以看出:地表豎向位移隨著建筑載荷的增大而增大，沉降極值點(diǎn)也逐漸向右側(cè)偏移，而右側(cè)P=20后的地表位移基本保持不變，故導(dǎo)致沉降槽曲線隨著載荷的增大逐漸不對稱。

圖7 各工況下的豎向位移曲線圖

5.2 對隧道周圍特征點(diǎn)位移的影響

5.2.1 水平位移。水平位移主要集中在隧道兩腰上，主要位移趨勢是向隧道內(nèi)收縮。載荷作用下的右隧道水平位移較大，且兩腰對稱分布，而遠(yuǎn)離載荷作用的左隧道水平位移值相對較小，且左腰小于右腰。從圖8可以看出:(1)左隧道的拱頂、拱底和右拱腰均隨著建筑載荷的增加而增大，且大致呈線性變化，三者斜率也基本一致;而左拱腰則隨著建筑載荷的增加而減小;也呈線性變形，斜率與右拱腰一致。(2)右隧道拱頂水平位移隨著建筑載荷的增加而增大，由0增加到約30mm，為負(fù)向位移;拱底水平位移基本保持不變;左拱腰的水平位移隨著建筑載荷的增加而增大，由50mm增加到70mm，且為正向位移;右拱腰的水平位移隨著建筑載荷的增加而增大，由38mm增加到120mm，且為負(fù)向位移。

圖8 各工況下左隧道特征點(diǎn)水平位移曲線

5.2.2 豎向位移。豎向位移主要以拱頂下沉和拱底隆起為主要特征，兩幫也表現(xiàn)為一定程度的下沉，但相對較小。從圖9可以看出:(1)左隧道的拱頂、拱底和左右拱腰的豎向位移隨著建筑載荷的增加基本保持不變，拱頂和左右拱腰為增大，拱底為減小。(2)右隧道拱頂、拱底和左右拱腰的豎向位移均隨著建筑載荷的增加而增加，其中拱底為正向位移，其余均為負(fù)向位移。其中拱頂增幅最大，左右拱腰增幅次之，拱底增幅最小。

圖9 各工況下左隧道特征點(diǎn)水平位移曲線

6 結(jié)論

基于建筑載荷在隧道上方作用的不同位置和不同大小工況，分析了地鐵隧道盾構(gòu)開挖以后的地表、管片拱頂、管片拱底和左、右拱腰的位移和變形分布規(guī)律以及各指標(biāo)隨著隧道開挖施工步的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論:

(1)隨著建筑載荷的偏移距離的增加，遠(yuǎn)離建筑物一側(cè)的地表水平位移逐漸減小，而靠近建筑一側(cè)的地表水平位移先增大后減小，當(dāng)建筑載荷偏移隧道P=21m(約兩倍隧道直徑)以上時(shí)，地表水平位移趨于無荷載時(shí)的分布情況。

(2)隨著建筑載荷大小的增加，地表水平位移逐漸增大，但當(dāng)載荷偏向隧道一側(cè)時(shí)，遠(yuǎn)離建筑物一側(cè)的地表水平位移隨載荷增大而減小，靠近建筑物一側(cè)的地表水平位移隨建筑載荷的增大而增大，且當(dāng)建筑物載荷增到80kPa以上，在P=21m處水平位移出現(xiàn)反向。

(3)隨著建筑載荷的偏移距離的增加，地表最大沉降值逐漸減小，且最大沉降點(diǎn)先向載荷偏移方向移動，而后當(dāng)建筑載荷偏移大于P=12m時(shí)，最大沉降點(diǎn)背離載荷偏移方向移動。

(4)隨著建筑載荷大小的增加，地表最大沉降值逐漸增大，且最大沉降點(diǎn)向載荷偏移方向移動，在建筑載荷偏移P=21m以上時(shí)，地表沉降點(diǎn)迅速減小，各載荷大小情況下相差不大。

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