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盾构施工导致框架结构的变形规律研究

张璐璐,赵一锦,张思文,靳文豪,刘佳威
( 郑州大学土木工程学院,河南 郑州 450001)
摘 要:针对城市闹市区中盾构穿越施工对框架结构形式建筑的影响展开研究。根据现有的土体沉降槽三维计算公式,得到隧道掘进时建筑地基处的土体沉降,之后研究在该沉降下建筑的受力情况,从而研究盾构施工对建筑物变形的规律,为地下空间建设提供一定的参考。
0 引言
  近 50 年来,世界各大城市的地下铁道有了很大的发展,地下铁道已经成为城市交通的重要组成部分,修建地下铁道的方法一般有明挖法、暗挖法和盾构法等。而盾构法施工凭借机械化程度高、施工速度快、对周边环境影响较小等诸多优势应用最为广泛,但该方法施工不可避免对土体产生扰动,当对地表产生的变形较大时,往往会对既有建筑物产生不同程度的影响。杭州地铁 1 号线某区间在建设时,下穿老城区密集住宅区,造成了建筑物的开裂、倾斜; 深圳地铁 5 号线太安站的施工对上部既有建筑出现多处裂痕,给居民生活带来严重的负面影响。因此,为了避免盾构施工引起一系列的安全隐患与负面影响,在隧道施工之前应较为全面地预测盾构施工对建筑物变形的影响,从而采取相应的措施以保证建筑物的安全。
1 盾构施工对建筑物变形的预测方法
  在工程研究中,一般把对建筑物影响程度较大的区域称作受影响区域,在受影响区域对建筑物的变形进行分析的方法有两种:隔离法、整体分析法。
  隔离法是指把建筑物和地基分开考虑,先根据理论分析计算出地基变形,再将所预测出的地基变形作为建筑物的输入条件,对建筑物进行内力分析。此法根据建筑物的结构不同又分为两种不同的情况: 对于刚度较小的柔性建筑物,可将地层的变形直接作为建筑物的变形; 对于刚度较大的建筑物,一般采用弹性地基梁模型分析盾构施工对建筑物变形的影响。
  整体分析法是指把土层和建筑物作为一个整体进行分析。此方法一般结合有限元法进行分析。在考虑地层单元和建筑物可能发生分离时,在建筑物基础和地基设定特殊的接触面单元,对隧道开挖进行模拟。
  本文将土体等效为单一均质土层,采用隔离法主要针对隧道几何参数以及建筑物结构特性进行分析,来研究盾构施工对建筑物变形的规律。
2 框架结构柱底的地表沉降
2. 1 地表横向沉降预测
  研究地铁建设对周围地层变位方法应用最为广泛的是经验公式法。在现有的研究当中,最经典的经验公式法是 Peck 理论,他是从隧道盾构施工由于管片的安装而导致的地层损失的机理出发,并且认为隧道盾构施工所引起的地层损失,在不排水的情况下,应该与地表沉降槽体体积大小应当是一致的,而且他假定隧道所处的地层是均匀的连续介质,结合采矿引起地面沉降的估算方法,较为准确的提出了地表沉降槽的形状近似于正态分布曲线。
  其提出的沉降公式为:
  其中,Sv 为地表水平任意一点的沉降值,mm; Smax为隧道中心线的最大地面沉降量,mm; VL 为地层损失率,即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比; V 为单位长度的地层损失量,m3/m;x 为计算点距隧道中心线距离值,m;D 为隧道直径,m; i 为沉降槽宽度,反弯点距隧道中心线水平距离,m;K 为沉降槽宽度系数,无量纲; Z0 为隧道埋深,m。由以上公式知地表水平任意一点的沉降值可用下式表示:
  故地表水平任意一点的沉降值取决于隧道土体损失率 VL 与沉降槽宽度 i。
  一般情况下,盾构施工引起的地层损失率控制在 1% 以内,非粘性土的沉降槽宽度系数 k 的取值范围在0.25~0.35 之间。为使得预算更为准确,现根据郑州地区粉质地层的性质以及隧道开挖设计的经验,取地层损失率为 1% ,沉降槽宽度系数 k 取 0.3 进行预测估算。形成的沉降槽曲线如图 1 所示。
2. 2 地表纵向沉降预测
  在最经典的 peck 公式的基础上,Attewall 在 1982 年提出了更加精确的沉降值表达公式地表沉降公式,与 Peck一样,他也假定 沉降槽呈正态分布,不同的是他提出的是 Peck 公式的修正公式:

  其中,φ(·) 为正态分布累积函数;Smax为隧道中心线处地面最大沉降量,mm;d 为隧道直径,m;z0 为隧道埋深,m;Kx 为沉降槽宽度系数;Ky 为沉降槽宽度系数;VL 为地层损失率,即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比;yf 为盾尾坐标,m;ys 为刀盘坐标,m;y0 为隧道纵向沉降调整系数。
  本文基于某隧道工程,单线下穿单层三跨结构的单层厂房结构进行研究,见图 2。盾构隧道直径为 6. 2 m; 盾构隧道埋深一般在 2 倍洞径以上,50 m 以下,取 15 m;根据施  工经验隧道纵向降调整系数取-7. 7 进行计算。得出框架结构柱底的地表沉降量如表1 所示。
3 框架结构的变形分析
  基于 Midas GTS NX 软件在岩土领域对分析模型的节点、单元、边界条件分析的强大功能,用此软件数值模拟在框架结构尺寸为长 4 m,宽 0. 5 m,高 3 m 的单层三跨结构下正穿,建设直径为6. 2 m 的隧道,由修正的 peck 公式预测出地表沉降,将所预测出的沉降值作为建筑物的输入条件,分别在刀盘距隧道中心线 5 m,0 m,-5 m 位置,对框架结构的应力及变形情况进行分析,以得到刀盘坐标不同时框架结构的应力及变形图。
  当刀盘坐标 ys= 5 m 时,框架结构弯矩分布图如图 3 所示。
  当刀盘坐标 ys= 0 m 时,框架结构弯矩分布图如图 4 所示。
  当刀盘坐标 ys=-5 m 时,框架结构弯矩分布图如图 5 所示。
  通过 Midas GTS NX 软件对模拟框架结构在盾构机刀盘坐标不同时,框架结构的弯矩分布与变形分析图可知,弯矩最大位置即应力的最大位置,单层三跨结构中中间跨的应力最大,因此当盾构机在此框架结构下方开挖时引起的地表不均匀沉降下,中间跨的应力最大,也是最容易破坏的位置,所以在进行施工时,就应该对此处进行如加筋等的加固处理。
4 结语
  本文在现有地表不均匀沉降理论的基础上,通过对盾构施工引起地表沉降和建筑物变形的分析,可得出以下结论:
  1) 盾构施工随着盾构机的掘进,不同阶段对地表产生的沉降不同,对建筑物变形的影响也是一个动态过程。
  2) 盾构掘进没有到建筑物的正下方时,建筑物会有轻微的沉降。
  3) 盾构穿越建筑物的区间段时,会有较为明显的沉降。
  4) 通过对单层三跨结构的分析得知,中间跨的弯矩最大,即为应力最大部位,因此施工时应特别注意此位置的加固处理。
  5) 预测地表沉降的差值可能会引起结构构件的破坏,在盾构施工前应根据施工经验,优化选取施工参数,以使盾构施工不影响建筑物的安全。
  目前对由盾构机引起的地表不均匀沉降而导致建筑物变形的分析还没有达到一种成熟的地步,本文基于 peck 公式以及修正的 peck 公式,预测沉降对框架结构的变形,采用二维平面应变分析,具有一定的局限性,没有考虑地基与建筑物基础之间的相互作用,以及建筑物刚度对沉降的约束作用等,因此对这方面的研究还应该继续深入与加强。

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