盾構(gòu)施工導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律研究★

張璐璐 趙一錦 張思文 靳文豪 劉佳威

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近50年來，世界各大城市的地下鐵道有了很大的發(fā)展，地下鐵道已經(jīng)成為城市交通的重要組成部分，修建地下鐵道的方法一般有明挖法、暗挖法和盾構(gòu)法等。而盾構(gòu)法施工憑借機(jī)械化程度高、施工速度快、對(duì)周邊環(huán)境影響較小等諸多優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛，但該方法施工不可避免對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，當(dāng)對(duì)地表產(chǎn)生的變形較大時(shí)，往往會(huì)對(duì)既有建筑物產(chǎn)生不同程度的影響。杭州地鐵1號(hào)線某區(qū)間在建設(shè)時(shí)，下穿老城區(qū)密集住宅區(qū)，造成了建筑物的開裂、傾斜；深圳地鐵5號(hào)線太安站的施工對(duì)上部既有建筑出現(xiàn)多處裂痕，給居民生活帶來嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，為了避免盾構(gòu)施工引起一系列的安全隱患與負(fù)面影響，在隧道施工之前應(yīng)較為全面地預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)建筑物變形的影響，從而采取相應(yīng)的措施以保證建筑物的安全。

1 盾構(gòu)施工對(duì)建筑物變形的預(yù)測(cè)方法

在工程研究中，一般把對(duì)建筑物影響程度較大的區(qū)域稱作受影響區(qū)域，在受影響區(qū)域?qū)ㄖ锏淖冃芜M(jìn)行分析的方法有兩種：隔離法、整體分析法。

隔離法是指把建筑物和地基分開考慮，先根據(jù)理論分析計(jì)算出地基變形，再將所預(yù)測(cè)出的地基變形作為建筑物的輸入條件，對(duì)建筑物進(jìn)行內(nèi)力分析。此法根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)不同又分為兩種不同的情況：對(duì)于剛度較小的柔性建筑物，可將地層的變形直接作為建筑物的變形；對(duì)于剛度較大的建筑物，一般采用彈性地基梁模型分析盾構(gòu)施工對(duì)建筑物變形的影響。

整體分析法是指把土層和建筑物作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。此方法一般結(jié)合有限元法進(jìn)行分析。在考慮地層單元和建筑物可能發(fā)生分離時(shí)，在建筑物基礎(chǔ)和地基設(shè)定特殊的接觸面單元，對(duì)隧道開挖進(jìn)行模擬。

本文將土體等效為單一均質(zhì)土層，采用隔離法主要針對(duì)隧道幾何參數(shù)以及建筑物結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，來研究盾構(gòu)施工對(duì)建筑物變形的規(guī)律。

2 框架結(jié)構(gòu)柱底的地表沉降

2.1 地表橫向沉降預(yù)測(cè)

研究地鐵建設(shè)對(duì)周圍地層變位方法應(yīng)用最為廣泛的是經(jīng)驗(yàn)公式法。在現(xiàn)有的研究當(dāng)中，最經(jīng)典的經(jīng)驗(yàn)公式法是Peck理論，他是從隧道盾構(gòu)施工由于管片的安裝而導(dǎo)致的地層損失的機(jī)理出發(fā)，并且認(rèn)為隧道盾構(gòu)施工所引起的地層損失,在不排水的情況下，應(yīng)該與地表沉降槽體體積大小應(yīng)當(dāng)是一致的,而且他假定隧道所處的地層是均勻的連續(xù)介質(zhì),結(jié)合采礦引起地面沉降的估算方法，較為準(zhǔn)確的提出了地表沉降槽的形狀近似于正態(tài)分布曲線。

其提出的沉降公式為:

i=K×Z0。

其中，Sv為地表水平任意一點(diǎn)的沉降值，mm；Smax為隧道中心線的最大地面沉降量，mm；VL為地層損失率，即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比；V為單位長度的地層損失量，m3/m；x為計(jì)算點(diǎn)距隧道中心線距離值，m；D為隧道直徑，m；i為沉降槽寬度，反彎點(diǎn)距隧道中心線水平距離，m；K為沉降槽寬度系數(shù)，無量綱；Z0為隧道埋深，m。

由以上公式知地表水平任意一點(diǎn)的沉降值可用下式表示：

故地表水平任意一點(diǎn)的沉降值取決于隧道土體損失率VL與沉降槽寬度i。

一般情況下，盾構(gòu)施工引起的地層損失率控制在1%以內(nèi)，非粘性土的沉降槽寬度系數(shù)k的取值范圍在0.25～0.35之間。為使得預(yù)算更為準(zhǔn)確，現(xiàn)根據(jù)鄭州地區(qū)粉質(zhì)地層的性質(zhì)以及隧道開挖設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，取地層損失率為1%，沉降槽寬度系數(shù)k取0.3進(jìn)行預(yù)測(cè)估算。形成的沉降槽曲線如圖1所示。

2.2 地表縱向沉降預(yù)測(cè)

在最經(jīng)典的peck公式的基礎(chǔ)上，Attewall在1982年提出了更加精確的沉降值表達(dá)公式地表沉降公式[2]，與Peck一樣，他也假定沉降槽呈正態(tài)分布，不同的是他提出的是Peck公式的修正公式：

其中，φ(·)為正態(tài)分布累積函數(shù)；Smax為隧道中心線處地面最大沉降量，mm；d為隧道直徑，m；z0為隧道埋深，m；Kx為沉降槽寬度系數(shù)；Ky為沉降槽寬度系數(shù)；VL為地層損失率，即單位長度地層損失占單位長度盾構(gòu)體積的百分比；yf為盾尾坐標(biāo)，m；ys為刀盤坐標(biāo)，m；y0為隧道縱向沉降調(diào)整系數(shù)。

本文基于某隧道工程，單線下穿單層三跨結(jié)構(gòu)的單層廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，見圖2。盾構(gòu)隧道直徑為6.2 m；盾構(gòu)隧道埋深一般在2倍洞徑以上，50 m以下，取15 m；根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)隧道縱向降調(diào)整系數(shù)取-7.7進(jìn)行計(jì)算。得出框架結(jié)構(gòu)柱底的地表沉降量如表1所示。

表1 框架結(jié)構(gòu)柱底沉降量

3 框架結(jié)構(gòu)的變形分析

基于Midas GTS NX軟件在巖土領(lǐng)域?qū)Ψ治瞿Ｐ偷墓?jié)點(diǎn)、單元、邊界條件分析的強(qiáng)大功能，用此軟件數(shù)值模擬在框架結(jié)構(gòu)尺寸為長4 m，寬0.5 m，高3 m的單層三跨結(jié)構(gòu)下正穿，建設(shè)直徑為6.2 m的隧道，由修正的peck公式預(yù)測(cè)出地表沉降，將所預(yù)測(cè)出的沉降值作為建筑物的輸入條件，分別在刀盤距隧道中心線5 m，0 m，-5 m位置，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析，以得到刀盤坐標(biāo)不同時(shí)框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形圖。

當(dāng)?shù)侗P坐標(biāo)ys=5 m時(shí)，框架結(jié)構(gòu)彎矩分布圖如圖3所示。

當(dāng)?shù)侗P坐標(biāo)ys=0 m時(shí)，框架結(jié)構(gòu)彎矩分布圖如圖4所示。

當(dāng)?shù)侗P坐標(biāo)ys=-5 m時(shí)，框架結(jié)構(gòu)彎矩分布圖如圖5所示。

通過Midas GTS NX軟件對(duì)模擬框架結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)機(jī)刀盤坐標(biāo)不同時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的彎矩分布與變形分析圖可知，彎矩最大位置即應(yīng)力的最大位置，單層三跨結(jié)構(gòu)中中間跨的應(yīng)力最大，因此當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在此框架結(jié)構(gòu)下方開挖時(shí)引起的地表不均勻沉降下，中間跨的應(yīng)力最大，也是最容易破壞的位置，所以在進(jìn)行施工時(shí)，就應(yīng)該對(duì)此處進(jìn)行如加筋等的加固處理。

4 結(jié)語

本文在現(xiàn)有地表不均勻沉降理論的基礎(chǔ)上，通過對(duì)盾構(gòu)施工引起地表沉降和建筑物變形的分析，可得出以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)施工隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，不同階段對(duì)地表產(chǎn)生的沉降不同，對(duì)建筑物變形的影響也是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)沒有到建筑物的正下方時(shí)，建筑物會(huì)有輕微的沉降。

3)盾構(gòu)穿越建筑物的區(qū)間段時(shí)，會(huì)有較為明顯的沉降。

4)通過對(duì)單層三跨結(jié)構(gòu)的分析得知，中間跨的彎矩最大，即為應(yīng)力最大部位，因此施工時(shí)應(yīng)特別注意此位置的加固處理。

5)預(yù)測(cè)地表沉降的差值可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，在盾構(gòu)施工前應(yīng)根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化選取施工參數(shù)，以使盾構(gòu)施工不影響建筑物的安全。

目前對(duì)由盾構(gòu)機(jī)引起的地表不均勻沉降而導(dǎo)致建筑物變形的分析還沒有達(dá)到一種成熟的地步，本文基于peck公式以及修正的peck公式，預(yù)測(cè)沉降對(duì)框架結(jié)構(gòu)的變形，采用二維平面應(yīng)變分析，具有一定的局限性，沒有考慮地基與建筑物基礎(chǔ)之間的相互作用，以及建筑物剛度對(duì)沉降的約束作用等，因此對(duì)這方面的研究還應(yīng)該繼續(xù)深入與加強(qiáng)。