志科

(1. 華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院 北京 101601；2.華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院 北京 101601)

引言

盾構(gòu)隧道施工是目前國內(nèi)各大城市地鐵建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的一種施工方式，盾構(gòu)施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響影響、開挖時可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時不影響水面交通等特點[1]。盾構(gòu)施工會使周圍土層環(huán)境發(fā)生變化，可能會引起地面沉降，進(jìn)而引起鄰近建筑物發(fā)生傾斜、開裂甚至坍塌等情況。城市中修建地鐵不可避免要穿越建筑物，因此研究此類盾構(gòu)隧道穿越問題很有必要。

一、工程背景

本文以天津地鐵1號線東延線側(cè)穿師范大學(xué)公寓樓工程為工程背景，本區(qū)間盾構(gòu)機為鐵建重工ZTE6410土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)隧道直徑徑為6.2m，隧道軸線埋深為21m，盾構(gòu)機計算長度為14m,盾殼厚度0.05m，襯砌厚度為0.35m，襯砌每環(huán)寬度為1m，采用C50混凝土。盾構(gòu)區(qū)間在右側(cè)隧道DK31+610～DK31+840側(cè)穿天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)公寓樓，建筑物為3層磚混構(gòu)：取標(biāo)準(zhǔn)工況，層高3m，橫向(隧道軸線方向)4開間，縱向為2開間，開間間距均為4.3m墻體厚0.3m,建筑外輪廓為17.5m*8.9m。門洞大小為2m*1m，窗洞為1.5m*1m，窗高1m，門窗洞口均位于墻中間位置。預(yù)制樓板采用設(shè)計強度等級為C20的混凝土，厚為0.1 m，兩棟建筑幾乎一樣，為建模方便簡化為相同建筑物，建筑物間隔為5m。建筑基礎(chǔ)為混凝土條形基礎(chǔ)，C20混凝土，埋深為1.5m，寬0.6m，建筑輪廓為17.8m*9.2m.距離隧道結(jié)構(gòu)外緣最小凈距為2.038m，在0.3-0.7D之間，風(fēng)險等級為三級。通過有限元軟件MIDAS/GTS，模擬鄰近的兩棟建筑物在盾構(gòu)隧道側(cè)穿時的工況，研究鄰近建筑物之間的相互作用，為以后此類工程提供借鑒意義。

二、模型建立及參數(shù)取值

假設(shè)土體為單一土層，材料本構(gòu)選用摩爾庫倫。管片、墻體及基礎(chǔ)為線彈性模型。盾殼和注漿均采用2D板單元，管片、土體、墻體和基礎(chǔ)采用3D實體單元。通過對墻體材料彈性模量進(jìn)行折減，來考慮磚混結(jié)構(gòu)墻體為非連續(xù)介質(zhì)及其隨時間的損耗的房屋破損[2-3]。模型長80 m，寬40 m，高70 m。模型計算參數(shù)見(表1)。

盾構(gòu)隧道施工的模擬過程:1)不考慮地下水作用，假定土體變形與時間無關(guān); 2)砌體與基礎(chǔ)，基礎(chǔ)與土體采用變形協(xié)調(diào)計算的方法[4-6]，隧道開挖前地面位移清零，不考慮建造建筑物引起的地面沉降。網(wǎng)格劃分見圖2。

有限元模擬過程：1、模擬生成土體，模型大小為長90 m，寬50 m，高60 m，基本可以覆蓋變形影響范圍，考慮土體自重，位移為零，保留重力場。2、模擬建筑物生成，考慮建筑物自重，通過樓板加集中力實現(xiàn)。3、模型施加位移邊界，掘進(jìn)壓力采用均布荷載200kn/m、千斤頂推力為4500kn/m、盾殼外壓50kn/m、管片外壓為1000kn/m。4、采用“剛度遷移法”模擬盾構(gòu)機推進(jìn)過程，盾構(gòu)機每次掘進(jìn)2m，鈍化該開挖地區(qū)土體，土應(yīng)力釋放，激活盾殼單元，在盾殼表面施加盾殼外壓；在盾殼前進(jìn)第四步時激活第一步處外徑單元，將該單元修改屬性，變?yōu)楣芷?，管片處施加反方向千斤頂推力，并在下一步時鈍化該處千斤頂力；開挖至第五步時鈍化第一步的盾殼單元并在此處管片施加管片外壓；開挖至第八步時激活第一步盾殼單元，并將盾殼單元修改單元屬性，變?yōu)樽{，依次進(jìn)行。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 有限元模型

三、有限元結(jié)果分析

(一)位移分析

1.側(cè)穿A和B建筑的位移分析

盾構(gòu)隧道施工時，近似看作隧道平行建筑中軸線側(cè)穿建筑物。隧道距離穿越的砌隨著盾構(gòu)機的掘進(jìn)，在隧道遠(yuǎn)離建筑物之前，盾構(gòu)機對土體產(chǎn)生擾動作用，建筑物首先產(chǎn)生微小隆起，隨后基礎(chǔ)開始傾斜沉降;當(dāng)隧道軸線與建筑物平行時，建筑物傾斜沉降逐漸增大，并趨于穩(wěn)定;開挖到y(tǒng)=60 m時，沉降基本穩(wěn)定，此時盾構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)離建筑物，建筑物沉降最終穩(wěn)定在 1.5mm 左右。

(二)局部傾斜分析

建筑物傾斜為其基礎(chǔ)沉降差與距離的比值。本次模擬由于盾構(gòu)隧道軸線與建筑物平行，所以只考慮縱向的基礎(chǔ)沉降。建筑物A在有無B建筑情況下各個位置被盾構(gòu)隧道側(cè)穿的傾斜值如表2，根據(jù)規(guī)范，砌體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)局部傾斜允許值為0.002?？梢缘贸鼍习踩?guī)定。建筑物主體傾斜率為 1.04‰，小于 2‰，滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)[7]要求。

表2 建筑物的地基傾斜允許值

四、結(jié)論

采用有限元軟件MIDAS/GTS，建立隧道-土-結(jié)構(gòu)的三維模型，細(xì)致的分析了在盾構(gòu)隧道側(cè)穿時建筑物之間的相互作用，得出了鄰近建筑物之間的影響規(guī)律，結(jié)果表明：

(1) 建筑物變形量隨盾構(gòu)隧道掘進(jìn)距離變化而不同，基本都是先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。

(2) 在盾構(gòu)隧道穿越時，鄰近建筑物之間起到相互減小變形的作用。

【參考文獻(xiàn)】

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[10]中國建筑科學(xué)研究院主編. 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB 50007-2011)[S]. 北京. 中國建筑工業(yè)出版社, 2012.