不同平行距離下盾構(gòu)施工對鄰近砌體結(jié)構(gòu)的變形影響

張治國,　賈延臣,　王衛(wèi)東

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海　200093;2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地,重慶　400074;3.華東建筑設(shè)計研究院有限公司,上?！?00002)

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不同平行距離下盾構(gòu)施工對鄰近砌體結(jié)構(gòu)的變形影響

張治國1,2,賈延臣1,王衛(wèi)東3

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海200093;2.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地,重慶400074;3.華東建筑設(shè)計研究院有限公司,上海200002)

摘要：軟土盾構(gòu)施工將導(dǎo)致周邊土體位移場改變,從而誘發(fā)鄰近建筑產(chǎn)生附加變形甚至局部開裂.通過建立三維有限元數(shù)值模型,分析了隧道不同施工距離條件下,淺基礎(chǔ)砌體建筑受盾構(gòu)開挖的影響變形,重點研究了建筑物的橫向水平位移、基礎(chǔ)沉降特點、墻體的相對撓曲變形和主拉應(yīng)變變化規(guī)律.結(jié)果表明：基礎(chǔ)相對沉降峰值出現(xiàn)在隧道開挖面位于建筑物中部位置,絕對沉降峰值則出現(xiàn)在盾構(gòu)施工完畢時;隨著隧道中軸線與建筑物中軸線之間水平距離的增大,建筑橫墻相對撓曲將依次呈現(xiàn)為下凹形態(tài)、“∽”形態(tài)以及上凸形態(tài),且主拉應(yīng)變在下凹和上凸形態(tài)相對撓曲最大時達到峰值;建筑縱墻主拉應(yīng)變則因開挖面位置的不同呈現(xiàn)明顯差異,主拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在開挖面位于建筑物中部位置.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu); 砌體結(jié)構(gòu); 相對撓曲變形; 墻體主拉應(yīng)變

軟土地區(qū)盾構(gòu)施工將導(dǎo)致盾構(gòu)周邊土體自由位移場改變,使得鄰近建筑自身內(nèi)部應(yīng)力重新分布,有些建筑物可能產(chǎn)生較大的變形甚至局部開裂.對于歷史性建筑而言,由于年代久遠,其梁、柱結(jié)構(gòu)嚴重老化、損傷,對其容許變形能力有較大的影響.因此,如何全面有效地評估鄰近歷史建筑受基坑開挖的影響變形是盾構(gòu)施工急需解決的主要問題.

目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[1-15]針對建筑物受隧道和基坑開挖影響進行了研究.其中,Dimmock等[5]以倫敦地鐵開挖為例,研究了建筑物剛度對隧道開挖引起的地層位移的影響.Mirhabibi等[6]通過相對彎曲剛度的引入,分析了地鐵開挖引起的地面沉降與鄰近建筑物的相互影響.周奎等[7]研究了關(guān)于隧道施工對鄰近人防工事影響的監(jiān)測方法.魏綱等[8]通過模擬雙線盾構(gòu)開挖,研究了建筑物的沉降特征、水平位移以及第一主拉應(yīng)力.柳厚祥等[9]研究了不同下穿位置隧道施工引起的建筑物撓曲變形以及墻體拉應(yīng)變變化趨勢.鄭剛等[13]建立了基坑開挖中建筑物相對撓曲變形的評估方法.徐長節(jié)等[15]進行了基坑開挖對管線附加變形的分析.

針對盾構(gòu)-建筑物相互作用的既有研究成果較少考慮到有、無建筑物時,盾構(gòu)開挖對地層變形特征的影響,同時較少針對墻體相對撓曲和主拉應(yīng)變分布的趨勢進行研究,因此,本文采用三維有限元法,建立了盾構(gòu)以及鄰近歷史建筑物共同作用的模型,分析了淺基礎(chǔ)歷史建筑受盾構(gòu)開挖的影響,重點研究了有、無建筑物時,地層滑移線與沉降槽變形特征,縱墻的相對撓曲變形特點和主拉應(yīng)變分布特點.

1工程背景

1.1盾構(gòu)參數(shù)

以上海某處盾構(gòu)施工為例,隧道軸線埋深取13m,外直徑取7.4m,內(nèi)直徑取6.8m;掘進機機身長取7.2m,機殼厚取0.06m;襯砌每環(huán)寬度和厚度分別為1.2,0.3m,采用C50混凝土.隧道管片選用殼單元,其彈模E=21 000MPa,泊松比為0.3,厚度和重度分別取0.3m,2 500kg/m3.機殼采用板單元模擬,彈性模量取為250 000MPa,泊松比取0.2,重度取7 800kg/m3,灌漿壓力為50kg/m3.圖1為盾構(gòu)-建筑物模型.

圖1　盾構(gòu)-建筑物數(shù)值分析模型網(wǎng)格圖

施工方案中,采用“剛度遷移法”模擬盾構(gòu)推進過程,盾構(gòu)機每向前推進一步作相應(yīng)變化:殺死該開挖步處的土體單元(內(nèi)圓和外圓),土體釋放應(yīng)力,在開挖面處施加支護力,激活盾殼單元,在盾殼外側(cè)表面施加摩擦力.隨著盾構(gòu)的掘進,逐漸將盾殼單元屬性變?yōu)楣芷瑔卧獙傩?激活管片,去掉盾殼摩擦力,改為施加注漿壓力.實際工程中每環(huán)襯砌寬1.2m,數(shù)值模擬時,每步開挖2環(huán).盾殼與土體之間的摩擦力和開挖面支護力均假定為均布力.

1.2土體參數(shù)

1.3建筑物參數(shù)

盾構(gòu)施工場地近鄰一歷史砌體建筑,條形淺基礎(chǔ)寬0.75m,厚0.9m.建筑物三維尺寸為22.5m×13.5m×9m,其中樓層共為3層且層高保持一致.門、窗洞口的尺寸分別為2.0m×1.5m,1.8m×

表1　土層物理力學(xué)參數(shù)

1.5m.墻體和樓板采用板單元模擬,墻體為磚砌結(jié)構(gòu),樓板為混凝土結(jié)構(gòu),二者材料特性通過彈性模量E和泊松比ν表示,并加以區(qū)分.彈性模量E分別取為230MPa和20GPa;泊松比ν分別取0.1和0.2;厚度分別取0.24,0.1m.因為建筑年代久遠,故對其梁、柱剛度折減60%(通過對梁、柱所對應(yīng)的彈性模量E進行折減),折減后梁、柱彈性模量E=10 000MPa,梁、柱尺寸分別為250mm×600mm,500mm×500mm.凡沿建筑物短軸方向布置的墻稱橫墻,而沿建筑物長軸方向布置的墻稱縱墻.圖2為建筑物具體尺寸示意圖,圖3為條形基礎(chǔ)布置示意圖.

1.4數(shù)值模擬方案

建筑物與隧道走向平行,取二者縱向中軸線之間的水平距離S分別為0,6.75,10.75,15m,共4種位置.D為隧道直徑.地層土層參數(shù)如表1所示.圖4為地層-隧道-建筑位置示意圖,其中靠近隧道掘進側(cè)縱墻稱為背立面縱墻.

圖2　建筑物尺寸示意圖(單位：mm)

圖3　條形基礎(chǔ)布置示意圖(單位：mm)

圖4　建筑物尺寸示意圖(單位：mm)

2建筑沉降變形特征

2.1建筑物基礎(chǔ)沉降變形規(guī)律

盾構(gòu)施工使得建筑物產(chǎn)生較大的沉降變形,為此研究了不同S距離下建筑基礎(chǔ)節(jié)點隨盾構(gòu)掘進的沉降變形規(guī)律.本文涉及的建筑物基礎(chǔ)節(jié)點如圖5所示(見下頁).

圖6和圖7(見下頁)分別為不同水平距離S條件下盾構(gòu)掘進所引起建筑整體沉降的云圖和基礎(chǔ)節(jié)點沉降曲線圖.圖7中,盾構(gòu)開挖步驟具體指隧道開挖每環(huán)襯砌寬1.2m,每一步代表開挖2環(huán).

由圖7可知,由于盾構(gòu)盾頂推力對土體的擾動作用,上方建筑物基礎(chǔ)節(jié)點43率先產(chǎn)生1mm的微

圖5　建筑物基礎(chǔ)節(jié)點示意圖

圖6　盾構(gòu)開挖后土體沉降圖

圖7　盾構(gòu)開挖后建筑物基礎(chǔ)沉降曲線

小隆起,主要是由于盾構(gòu)機擠壓和盾殼摩擦力對土體的擾動作用,隨后開始沉降.建筑物基礎(chǔ)節(jié)點的沉降隨著盾構(gòu)的掘進逐漸增大,不同S工況下,基礎(chǔ)所對應(yīng)沉降峰值分別為5,8.7,5.8,1.4mm.此外,沿盾構(gòu)掘進方向,建筑物基礎(chǔ)節(jié)點的沉降依次減小,開挖過程中節(jié)點43與節(jié)點48的差異沉降峰值分別為6,7.5,5,2mm.由此可知,建筑物縱墻下淺基礎(chǔ)的沉降隨著隧道與建筑物二者中軸線之間的水平距離S的增大而先增大后減小.當縱墻下淺基礎(chǔ)與隧道二者的中軸線重合時(S=6.75m),建筑絕對和差異沉降達到最大.當S=15m時,縱墻下淺基礎(chǔ)絕對沉降和差異沉降最小.不同S距離條件下,土體最大沉降則發(fā)生在隧道管片頂部位置,其值差異較小,大致為15mm.

2.2建筑物橫墻相對撓曲變形規(guī)律

如圖8所示,O′A′為建筑物橫墻所在位置,O′B′為縱墻所在位置,O′C′為建筑物垂直高度方向.A,B為橫、縱墻的變形截止點.曲線OFA為建筑物橫墻實際沉降曲線,虛線OGA為建筑物橫墻名義沉降曲線(即橫墻兩端點連接形成的直線).將建筑橫墻相對撓曲變形值以建筑物橫墻實際沉降曲線與建筑物橫墻名義沉降曲線所對應(yīng)的值的差值為基準.

圖8　橫墻撓度曲線計算示意圖

由圖9建筑物橫墻相對撓曲變形曲線可知,當S=0m時,建筑物橫墻相對撓曲變形呈現(xiàn)為下凹形態(tài),最大相對撓曲變形為2.3mm,發(fā)生在隧道中軸線正上方.當S=6.75m時,此時橫墻相對撓曲呈現(xiàn)為“∽”形態(tài),其變形特點為：橫墻近隧道側(cè)的相對撓曲依然呈現(xiàn)為下凹形態(tài),相對撓曲最大值為0.4mm,橫墻遠隧道側(cè)將跨越地層沉降槽變形的上凸區(qū)域,這使得建筑物橫墻遠隧道側(cè)呈現(xiàn)為微弱的上凸形態(tài)相對撓曲,其值為0.3mm.當S≥10.75m時,橫墻整體相對撓曲將呈現(xiàn)為單純的上凸形態(tài),最大相對撓曲值發(fā)生在S=10.75m時,位于橫墻中部位置,其值為0.85mm.

圖9　建筑物橫墻相對撓曲變形曲線

2.3建筑物水平位移變化規(guī)律

圖10為建筑物頂部橫向水平位移監(jiān)測點示意圖.隨著S的增大,建筑逐漸遠離隧道,受隧道開挖地層沉降槽的影響,建筑物將發(fā)生沿垂直隧道開挖方向(橫向)上的水平位移.最大水平位移主要出現(xiàn)在建筑物結(jié)構(gòu)頂部位置.橫向水平位移隨著盾構(gòu)開挖步驟的增加逐漸增大.圖11(見下頁)為不同水平距離S條件下建筑物橫向水平位移曲線.當S=0m時,建筑物基礎(chǔ)幾何尺寸小于地表沉降槽寬度時,隧道開挖對建筑沉降產(chǎn)生較大影響,但建筑物產(chǎn)生的橫向水平位移很小.當S=6.75m時,縱墻淺基礎(chǔ)與隧道二者的中軸線重合,此時其橫向水平位移最大,其值為7.8mm.當S=10.75m時,建筑物局部將跨越地層沉降槽右半部分,橫向水平位移亦較大,其值為6.1mm,此時建筑物發(fā)生局部傾斜較S=6.75m時有所減小.當S≥15m時,建筑物絕大部分將不再位于沉降槽范圍內(nèi),此時,建筑物主要受自重影響,受地層沉降槽影響較小,橫向水平位移僅為1mm.

圖10　建筑頂部橫向水平位移監(jiān)測點(單位:mm)

圖11　盾構(gòu)開挖后建筑橫向水平位移圖

隨著隧道掘進距離的增加,建筑物最大縱向水平位移逐漸增大,且最大值發(fā)生在建筑條基與地層的接觸處.以條基48節(jié)點為例,圖12為建筑物條基節(jié)點48的縱向水平位移圖.由圖可知,當S=0m時,基礎(chǔ)節(jié)點48的縱向水平位移峰值為2.84mm.當S=6.75m時,此時基礎(chǔ)節(jié)點48的縱向水平位移達到最大,峰值為3.21mm,原因在于建筑物縱墻淺基礎(chǔ)中軸線與隧道中軸線重合,隧道中軸線正上方土體受隧道擾動影響最大.沿隧道中軸線向兩邊擴展,地層沉降槽的影響區(qū)域逐漸減小,當S=10.75m和S=15m時,基礎(chǔ)節(jié)點48的縱向水平位移隨著S的增大逐步減小,其值分別為2.86mm,2.16mm.

圖12　盾構(gòu)開挖后建筑縱向水平位移圖

2.4建筑物橫墻主拉應(yīng)變分布規(guī)律

以近隧道開挖側(cè)最外側(cè)的橫向外墻(如圖13所示)為例,當距離S不同時,建筑橫墻受地層沉降槽的影響,將產(chǎn)生不同形態(tài)的相對撓曲,因此對應(yīng)每一種撓曲形態(tài),橫墻主拉應(yīng)變ε分布特點呈現(xiàn)明顯差異,如圖14所示.

圖14　建筑物橫墻主拉應(yīng)變云圖

當S=0m時,建筑物橫墻發(fā)生下凹形態(tài)的相對撓曲,故墻體產(chǎn)生集中于其中部位置的正“八”字形態(tài)的主拉應(yīng)變,有如下規(guī)律：a.應(yīng)變較為集中區(qū)域發(fā)生在門、窗與墻交接處;b.首層墻體所對應(yīng)應(yīng)變值要大于其他樓層墻體的應(yīng)變值;c.橫、縱墻體連接位置的應(yīng)變較為明顯;e.橫墻與基礎(chǔ)連接處應(yīng)變集中現(xiàn)象明顯,橫墻最大主拉應(yīng)變?yōu)?.08‰.

當S=6.75m時,橫墻相對撓曲變形呈現(xiàn)為“∽”形態(tài),其特點為：近隧道端為下凹形態(tài)相對撓曲,遠離隧道一側(cè)將發(fā)生微弱上凸形態(tài)相對撓曲,因此橫墻主拉應(yīng)變主要分布于建筑物橫墻的中部位置,且每層窗間墻主拉應(yīng)變集中現(xiàn)象明顯.主拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在建筑物橫墻遠離隧道端基礎(chǔ)與墻體相交處,其值為0.1‰.

當S≥10.75m時,建筑物橫墻相對撓曲呈現(xiàn)上凸形態(tài).橫墻上凸形態(tài)的相對撓曲在S=10.75m時達到最大,此時每層窗間墻主拉應(yīng)變集中現(xiàn)象明顯,主拉應(yīng)變最大值依舊出現(xiàn)在建筑物橫墻遠離隧道端基礎(chǔ)與墻體相交處,但應(yīng)變值有所增大,為0.14‰.當S=15m時,建筑物橫墻受盾構(gòu)開挖土體擾動影響很小,因此主拉應(yīng)變值亦較小,主拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在建筑物橫墻遠離隧道端基礎(chǔ)與墻體相交處,其值僅為0.08‰.

2.5建筑物縱墻主拉應(yīng)變分布規(guī)律

建筑物縱墻主拉應(yīng)變的分布規(guī)律因盾構(gòu)的開挖掘進存在明顯的差異,故以S=6.75m時建筑物背立面縱墻為例,提取了背立面縱墻主拉應(yīng)變矢量圖,如圖15所示.

由圖15可知,盾構(gòu)機掘進時,由于地層損失,開挖面前方一定區(qū)域內(nèi)將產(chǎn)生土體沉降槽.當盾構(gòu)機開挖至距離建筑11.55m(圖15(a))時,建筑物受土體沉降槽的影響較小,建筑物縱墻只在近隧道端與基礎(chǔ)交接部位產(chǎn)生較小的拉應(yīng)變,其值為0.025‰.

當盾構(gòu)機開挖至距離建筑4.35m(圖15(b))時,建筑物受土體沉降槽的影響明顯,此時建筑物縱墻主拉應(yīng)變亦隨之增大,各層應(yīng)變較為集中區(qū)域均發(fā)生在門、窗與墻交接處,其應(yīng)變方向大致呈45°,其值為0.05‰.

當盾構(gòu)機開挖至建筑縱前端正下方時(圖15(c)),建筑物縱墻主拉應(yīng)變值進一步增大,拉應(yīng)變分布區(qū)域明顯擴大,應(yīng)變方向大致呈45°,最大值出現(xiàn)在建筑物縱墻緊鄰盾構(gòu)機一側(cè)的門、窗與墻交接處,其值為0.12‰.

當盾構(gòu)機開挖至縱墻中部正下方時(圖15(d)),其基礎(chǔ)絕對沉降最大,建筑物縱墻主拉應(yīng)變值亦達到最大,拉應(yīng)變分布區(qū)域主要集中于縱墻中部及其兩側(cè)位置,應(yīng)變方向大致呈45°,集中區(qū)域為門、窗與墻交接處,其值為0.17‰.

圖15　開挖面不同位置時縱墻主拉應(yīng)變矢量圖

當盾構(gòu)機即將穿越建筑時(圖15(e)),建筑物縱墻主拉應(yīng)變值有所減小,拉應(yīng)變主要集中區(qū)域則由縱墻中部轉(zhuǎn)移到縱墻后端各層門、窗與墻交接處,應(yīng)變方向大致呈45°,其值為0.13‰.

當盾構(gòu)機即將穿越建筑至開挖完畢時(圖15(f),(g)),建筑物縱墻主拉應(yīng)變值逐漸減小,拉應(yīng)變主要集中區(qū)域從縱墻后端各層門、窗與墻交接處轉(zhuǎn)移至縱墻與基礎(chǔ)交接部位,最大值僅為0.05‰.

3結(jié)論

為了研究不同施工距離條件下盾構(gòu)施工對鄰近歷史建筑變形影響,本文進行了三維有限元數(shù)值模擬分析,得出以下主要結(jié)論:

a. 建筑物橫向水平位移和縱墻淺基礎(chǔ)的沉降值隨著隧道與建筑物相對水平距離S的增大先增大隨后減小.當縱墻下淺基礎(chǔ)與隧道二者中軸線重合時,建筑物橫向水平位移和沉降最大.當隧道開挖面位于建筑物中部位置時,建筑物相對沉降量最大,但絕對沉降量并沒有達到最大值.當隧道開挖完成之后,建筑物絕對沉降量最大,此時相對沉降量較小.

b. 隨著隧道與建筑物二者縱向中軸線之間的水平距離S的增大,建筑物橫墻相對撓曲均逐步由下凹形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤啊住毙螒B(tài),最終表現(xiàn)為上凸形態(tài).當S=0m時,橫墻下凹形態(tài)的相對撓曲最大,當S=10.75m時,橫墻上凸形態(tài)的相對撓曲最大.

c. 隨著隧道與建筑物二者縱向中軸線之間的水平距離S的增大,建筑物橫墻主拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在其下凹和上凸形態(tài)相對撓曲最大時.建筑物縱墻主拉應(yīng)變則因開挖面位置的不同呈現(xiàn)明顯差異,其最大主拉應(yīng)變隨盾構(gòu)的掘進先增大后減小,峰值出現(xiàn)在盾構(gòu)開挖至建筑物中部正下方位置.

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(編輯:丁紅藝)

Influences of Shield Excavation on Masonry Structures Considering Different Parallel Distances

ZHANG Zhiguo1,2,JIA Yanchen1,WANG Weidong3

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofMountainBridgeandTunnelEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 3.EastChinaArchitectureDesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200002,China)

Abstract：Shield tunneling in soft soils will inevitably disturb strata deformation,which causes additional deformation and even local cracking for adjacent buildings.Considering the different horizontal distance between the longitudinal axes of tunnels and buildings,the deformation behavior of masonry structures with shallow foundation induced by tunnel excavation was analyzed by establishing a 3D finite element model.Some deflection characteristics were emphasized in the analysis,including the horizontal displacement of foundation,the relative deflection characteristics and the distribution of tensile strain in walls.The results show that when the excavation face moves to the central line of a building,the relative settlement of the building foundation reaches the peak value,while the absolute settlement of the building foundation reaches the maximum value after the excavation is completed.With the increasing of relative distance between tunnel and building center line,the relative flexure of the cross wall will appear successively in the form of sagging deformation,“∽” deformation and hogging deformation.When the sagging deformation and hogging deformation arrive at their maximum values,the tensile strain in the cross walls reaches its peak value.The distribution of principle tensile strain in the longitudinal wall varies with the location of excavation face.When the excavation face is located at the central line of the building,the tensile strain in longitudinal walls reaches its peak value.

Keywords：shield tunneling; masonry structure; relative deflection; principle tensile strain in wall

文章編號：1007-6735(2016)03-0293-08

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.03.014

收稿日期：2015-05-29

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51008188);上海自然科學(xué)基金資助項目(15ZR1429400);山區(qū)橋梁與隧道工程國家重點實驗室培育基地(CQSLBF-Y15-1)

中圖分類號：TU 452

文獻標志碼：A

第一作者： 張治國(1978-),男,副教授.研究方向:地下工程施工影響與控制.E-mail:zgzhang@usst.edu.cn