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        某盾構(gòu)隧道施工對周邊建筑物影響分析

        2023-03-12 02:30:20
        城市道橋與防洪 2023年2期
        關(guān)鍵詞:損失率盾構(gòu)建筑物

        謝 欣

        [上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092]

        0 引言

        盾構(gòu)隧道施工會引起周邊地層位移,從而影響周邊建筑物的安全。為此,國內(nèi)外已經(jīng)有許多研究成果。為保證施工過程中周邊建筑物的安全,需要在工程施工前對地表沉降進(jìn)行預(yù)測,從而對建筑物的安全狀態(tài)進(jìn)行評估。

        目前盾構(gòu)隧道施工沉降主要有三種預(yù)測方法,即:經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法,以及數(shù)值分析法。經(jīng)驗(yàn)公式法[1-2]主要以Peck 公式及其修正公式為代表的,假定沉降槽服從正態(tài)分布形式,通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)來確定沉降槽曲線的參數(shù),以此來預(yù)測地表沉降量。理論解析方法[3-4]主要是運(yùn)用彈性應(yīng)變理論,推導(dǎo)出地面沉降解析解。相較于以上兩種沉降預(yù)測方法,數(shù)值仿真技術(shù)能夠更加準(zhǔn)確地模擬隧道施工的動態(tài)過程,充分考慮結(jié)構(gòu)和地層之間的相互關(guān)系[5-6]。近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,使數(shù)值計(jì)算方法的運(yùn)算效率和計(jì)算精度都得到顯著提高,逐漸成為隧道工程預(yù)測計(jì)算最為重要的技術(shù)手段。

        現(xiàn)采用數(shù)值分析法,模擬三維條件下盾構(gòu)隧道的施工過程,通過改變等代層彈性模量來模擬隧道施工對地層產(chǎn)生的擾動,分析不同程度地層擾動對地層位移和建筑物產(chǎn)生的影響。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合該地區(qū)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),對施工過程中的建筑物進(jìn)行安全評價分析,為工程提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

        1 工程概況

        浙江寧波某地下綜合管廊采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)區(qū)間有一處下穿房屋群的重要施工節(jié)點(diǎn)。盾構(gòu)隧道埋深10 m,外徑6.7 m,內(nèi)徑6.0 m,采用C55 鋼筋混凝土管片,錯縫拼裝,厚度350 mm,環(huán)寬1.2 m。

        根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案,三座建筑物位于擬建隧道上方,分別是:一座單層磚砌門房,位于盾構(gòu)隧道正上方,長寬為6 m×4 m;一座兩層砌體建筑,與盾構(gòu)隧道中線平面距離在10 m 左右,長寬為16 m×6 m;以及一座三層建筑物,同樣為砌體結(jié)構(gòu),與盾構(gòu)隧道中線平面距離在10 m 左右,長寬為15 m×10 m。

        根據(jù)該工程地質(zhì)勘察資料,該盾構(gòu)隧道所處地層主要以黏土和粉質(zhì)黏土為主,從上到下依次是:①1層雜填土;①2層黏土;②1層淤泥質(zhì)黏土;③2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;④2層粉質(zhì)黏土。各地層的層厚及相關(guān)地層參數(shù)如表1 所列。

        表1 基本地層計(jì)算參數(shù)表

        2 有限元模型的建立

        2.1 有限元分析模型

        采用MIDAS GTS 有限元建立盾構(gòu)隧道施工的三維地層-結(jié)構(gòu)模型,模擬盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對上部建筑物及周邊地層的影響。模型尺寸為50 m×30 m×30 m(見圖1),能夠減少邊界條件對盾構(gòu)施工產(chǎn)生的影響。隧道采用實(shí)體單元模擬,外徑6.7 m,內(nèi)徑6.0 m,按照環(huán)寬1.2 m 將其分為25 個盾構(gòu)環(huán)。在隧道襯砌外部,對應(yīng)于各管片環(huán)的寬度,分別設(shè)置0.5 m 厚的圓環(huán)等代層,施工中用以替換所處位置的地層,并通過調(diào)整等代層彈性模量來反映隧道施工擾動產(chǎn)生的地層損失??紤]到上部建筑結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性,為提高有限元模型的計(jì)算效率,將其簡化為厚度0.5 m 的混凝土板,并按照每層10 kPa 的標(biāo)準(zhǔn)在板上施加豎向均布荷載。

        圖1 有限元計(jì)算模型

        2.2 有限元模型材料參數(shù)

        2.2.1 地層材料參數(shù)

        在有限元計(jì)算模型中,地層材料采用彈塑性模型,服從摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。具體的地層參數(shù)及土層厚度根據(jù)項(xiàng)目的地質(zhì)勘察報告選取。地層與隧道之間采用節(jié)點(diǎn)耦合,不考慮兩者之間的相對位移。盾構(gòu)隧道周邊的等代層采用線性彈性模型,等代層彈性模量作為主要控制參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算。

        2.2.2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

        盾構(gòu)隧道管片材料為C55 鋼筋混凝土,可采用線彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬。由于縱向接縫的存在,盾構(gòu)管片環(huán)的橫向剛度要小于均質(zhì)圓環(huán),因此,現(xiàn)對管片彈性模量進(jìn)行折減[7-8]。地表混凝土板也采用線彈性實(shí)體單元,材料參數(shù)按C30 混凝土進(jìn)行取值。

        2.3 盾構(gòu)施工模擬過程

        有限元模擬過程充分考慮盾構(gòu)施工的基本工況,沿盾構(gòu)隧道共有25 個管片環(huán)。為了增加計(jì)算效率減少施工步驟,將兩個管片環(huán)作為一個工況,共存在13 個施工工況。盾構(gòu)隧道內(nèi)土體開挖和襯砌施作在一個工況內(nèi)進(jìn)行,同時在掌子面施加支護(hù)應(yīng)力。等代層的節(jié)點(diǎn)與周邊土體,以及隧道襯砌耦合,其施作工況要落后于開挖土體兩個施工步驟,同時施作等代層時應(yīng)去除對應(yīng)區(qū)域的土體,具體的施工步驟如表2 所列。

        表2 基本地層計(jì)算參數(shù)表

        進(jìn)行四組有限元計(jì)算,依次將模型中代層彈性模量設(shè)置為4 MPa、3 MPa、2 MPa、1 MPa,通過等代層厚度的變化確定其地層損失率R,以此分析施工擾動對計(jì)算結(jié)果的影響。

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 地表沉降分析

        當(dāng)?shù)却鷮尤?.0 MPa 時,地層損失率R 大約為0.92%,建筑物中線沉降曲線如圖2 所示。斷面有明顯的沉降槽出現(xiàn),由于地表存在建筑物剛性較大,沉降槽上可以看到明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

        圖2 地層位移及地表沉降曲線圖示(R=0.92%)

        圖3 表示的是建筑A 中心處地表沉降隨盾構(gòu)施工掘進(jìn)的變化過程??梢钥闯?,在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前三個工況(機(jī)頭相距7.2 m 時),地表開始有明顯的沉降趨勢,隨著施工的進(jìn)行,沉降逐漸增加,最終呈現(xiàn)出收斂的趨勢。

        圖3 地表最大沉降變化曲線圖

        3.2 建筑物沉降分析

        《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)表5.3.4 規(guī)定:當(dāng)砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)生局部傾斜時,其地基變形允許值s/L 為0.002(中、低壓縮性土)以及0.003(高壓縮性土)?!冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911—2013)第9.3.1:“當(dāng)無地方工程經(jīng)驗(yàn)時,對于風(fēng)險等級較低且無特殊要求的建(構(gòu))筑物,沉降控制值宜為10~30 mm,變化速率控制值宜為1~3 mm/d,差異沉降控制值宜為0.001 l~0.002 l”。

        圖4 表示的是不同地層損失率R 條件下,建筑群所在斷面的地表沉降曲線。當(dāng)R≤1.25%建筑A 尚能滿足《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對于累計(jì)沉降量的控制要求(30 mm)。提取出建筑物兩端的沉降值,計(jì)算出建筑物的差異沉降s/L,得到所示的變化曲線(見圖5)??梢园l(fā)現(xiàn),建筑B 的差異沉降變化對地層損失率最為敏感,當(dāng)R=1.35%時,建筑B 的差異沉降s/L 達(dá)到《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的限制0.002?!冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對于差異沉降差異沉降控制值宜為0.001 l~0.002 l,對應(yīng)的地層損失率為0.71%~1.35%。

        圖4 不同地層損失率R 下地表沉降曲線圖

        圖5 建筑物差異沉降隨地層損失率R 的變化規(guī)律曲線圖

        3.3 安全評價分析

        在實(shí)際工程中,地層損失率R 與地層條件、施工工藝、外部荷載等諸多因素有關(guān)[10]。因此,具有一定的不確定性。根據(jù)吳昌勝等[11]對國內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)施工實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析,土壓平衡盾構(gòu)引起的地層損失率為0.03%~3.79%,平均值為0.96%。其中,寧波地區(qū)地層損失率在0.03%~2.41%,平均值為0.89%。根據(jù)這一數(shù)據(jù)可以推算出,建筑A、建筑B、建筑C 的最大沉降分別為0.86~57.57 mm、-5.26~30.03 mm、-2.73~26.54 mm,差異沉降分別為0~0.02%、0~0.36%、0~0.17%。若要滿足規(guī)范中對于沉降控制值,以及差異沉降控制值的要求,模型中的地層損失率需要控制在1.35%以內(nèi)。

        本文模型中,地層損失率R 和地表最大沉降Smax(mm)之間存在線性關(guān)系:

        以此可以建立各建筑物最大沉降s、差異沉降s/L與地表最大沉降Smax。通過查閱文獻(xiàn)可以找到寧波地區(qū)地表最大沉降量的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),以此作為評價該項(xiàng)目安全的參考依據(jù)。

        朱邦彥[12]等運(yùn)用Sentinel-1 影像對寧波地鐵2號線最大沉降量進(jìn)行了觀測,得到最大沉降量為26.9 mm。王小軍[13]等對寧波1、2 號線澤大區(qū)間和段啟區(qū)間進(jìn)行了沉降觀測,地表最大沉降量為29.61 mm。由此可見該地區(qū)最大沉降量基本可以控制在30 mm以內(nèi),可以推算出該模型中所對應(yīng)的地層損失率R為1.28%,小于本文中的地層損失率控制值1.35%。此時所對應(yīng)的建筑最大沉降和差異沉降均在規(guī)范要求的范圍內(nèi),能夠滿足施工安全保護(hù)的要求。

        4 結(jié)語

        通過運(yùn)用三維有限元模型對盾構(gòu)隧道的施工過程進(jìn)行模擬,著重研究了隧道掘進(jìn)過程對周邊建筑物的影響。結(jié)合建筑物保護(hù)的相關(guān)規(guī)范,基于寧波地區(qū)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,對盾構(gòu)隧道施工安全性進(jìn)行了分析評估,得到以下結(jié)論:

        (1)在建立的三維有限元計(jì)算模型中,通過改變等代層彈性模量,能夠反映盾構(gòu)隧道施工對地層的擾動。通過有限元分析發(fā)現(xiàn),上部建筑物的差異沉降與地層損失率基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。

        (2)結(jié)合寧波地區(qū)盾構(gòu)隧道施工的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料,運(yùn)用本文中的三維有限元模型進(jìn)行推算,建筑物的最大沉降和局部差異沉降均在規(guī)范要求的范圍內(nèi),能夠滿足施工安全保護(hù)的要求。

        (3)在盾構(gòu)隧道施工中,應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測,在掘進(jìn)至目標(biāo)區(qū)域前,運(yùn)用實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對建筑物的沉降變形進(jìn)行進(jìn)一步的分析推算。同時,應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù),防止超挖,合理注漿,嚴(yán)格控制隧道掘進(jìn)的地層損失率。

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