張璐璐 趙一錦 張思文 靳文豪 劉佳威

(鄭州大學土木工程學院，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)法施工憑借機械化程度高、施工速度快、對周邊環(huán)境影響較小等諸多優(yōu)勢應用最為廣泛，但該方法施工不可避免對土體產(chǎn)生擾動，當對地表產(chǎn)生的變形較大時，往往會對既有建筑物產(chǎn)生不同程度的影響。杭州地鐵1號線某區(qū)間在建設時，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號線太安站的施工對上部既有建筑出現(xiàn)多處裂痕，給居民生活帶來嚴重的負面影響。因此，為了避免盾構(gòu)施工引起一系列的安全隱患與負面影響，在隧道施工之前應較為全面地預測盾構(gòu)施工對建筑物變形的影響，從而采取相應的措施以保證建筑物的安全。

1 盾構(gòu)施工對建筑物變形的預測方法

在工程研究中，一般把對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)理論分析計算出地基變形，再將所預測出的地基變形作為建筑物的輸入條件，對建筑物進行內(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整體進行分析。此方法一般結(jié)合有限元法進行分析。在考慮地層單元和建筑物可能發(fā)生分離時，在建筑物基礎和地基設定特殊的接觸面單元，對隧道開挖進行模擬。

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

2 框架結(jié)構(gòu)柱底的地表沉降

2.1 地表橫向沉降預測

研究地鐵建設對周圍地層變位方法應用最為廣泛的是經(jīng)驗公式法。在現(xiàn)有的研究當中，最經(jīng)典的經(jīng)驗公式法是Peck理論，他是從隧道盾構(gòu)施工由于管片的安裝而導致的地層損失的機理出發(fā)，并且認為隧道盾構(gòu)施工所引起的地層損失,在不排水的情況下，應該與地表沉降槽體體積大小應當是一致的,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為計算點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的沉降值可用下式表示：

故地表水平任意一點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。為使得預算更為準確，現(xiàn)根據(jù)鄭州地區(qū)粉質(zhì)地層的性質(zhì)以及隧道開挖設計的經(jīng)驗，取地層損失率為1%，沉降槽寬度系數(shù)k取0.3進行預測估算。形成的沉降槽曲線如圖1所示。

2.2 地表縱向沉降預測

在最經(jīng)典的peck公式的基礎上，Attewall在1982年提出了更加精確的沉降值表達公式地表沉降公式[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，m；ys為刀盤坐標，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)驗隧道縱向降調(diào)整系數(shù)取-7.7進行計算。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、單元、邊界條件分析的強大功能，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，建設直徑為6.2 m的隧道，由修正的peck公式預測出地表沉降，將所預測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，對框架結(jié)構(gòu)的應力及變形情況進行分析，以得到刀盤坐標不同時框架結(jié)構(gòu)的應力及變形圖。

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

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

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

通過Midas GTS NX軟件對模擬框架結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)機刀盤坐標不同時，框架結(jié)構(gòu)的彎矩分布與變形分析圖可知，彎矩最大位置即應力的最大位置，單層三跨結(jié)構(gòu)中中間跨的應力最大，因此當盾構(gòu)機在此框架結(jié)構(gòu)下方開挖時引起的地表不均勻沉降下，中間跨的應力最大，也是最容易破壞的位置，所以在進行施工時，就應該對此處進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上，通過對盾構(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)機的掘進，不同階段對地表產(chǎn)生的沉降不同，對建筑物變形的影響也是一個動態(tài)過程。

2)盾構(gòu)掘進沒有到建筑物的正下方時，建筑物會有輕微的沉降。

3)盾構(gòu)穿越建筑物的區(qū)間段時，會有較為明顯的沉降。

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

5)預測地表沉降的差值可能會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，在盾構(gòu)施工前應根據(jù)施工經(jīng)驗，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。

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