摘要 在城市繁華地區(qū)地鐵線路下穿建筑群時(shí)，如何確保上部建筑物結(jié)構(gòu)安全是施工中的難題。以成都地鐵區(qū)間隧道下穿某城市建筑群為例，采用ANSYS軟件對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的上部建筑物沉降和傾斜進(jìn)行了數(shù)值分析，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，變化規(guī)律基本相符，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，建筑物最大不均勻沉降一般發(fā)生在盾構(gòu)穿越建筑物正下方，而最大沉降一般發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)建筑物一段距離后；當(dāng)建筑物分布和線路前進(jìn)方向存在夾角時(shí)，建筑物傾斜率變化趨勢(shì)更顯著，各階段的傾斜率更大；當(dāng)隧道埋深較淺，上部建筑物的荷載小時(shí)，地層隆起趨勢(shì)會(huì)隨之增加，且由此導(dǎo)致的建筑物傾斜十分明顯，不容忽視。

關(guān)鍵詞 隧道開(kāi)挖;數(shù)值分析;建筑物;沉降;傾斜率

中圖分類號(hào) U452.2⁺6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0引言

隨著城市的快速發(fā)展，地下鐵路逐漸成為城市軌道交通網(wǎng)建設(shè)中不可替代的一環(huán)，而軌道交通線路往往會(huì)途徑人流量大，交通繁忙、建筑物密集的區(qū)域。為不影響地面交通與設(shè)施，城市興建地下鐵路時(shí)常采用盾構(gòu)法。但在開(kāi)挖過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)周圍地層及建筑物產(chǎn)生擾動(dòng)，如果不加以控制，可能會(huì)對(duì)周圍道路和建筑物產(chǎn)生不可修復(fù)的破壞。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)地鐵隧道施工擾動(dòng)范圍作了大量的研究。孫杰等［1］建立三維力學(xué)計(jì)算模型，綜合研究TBM隧道單洞掘進(jìn)對(duì)單一建筑物變形的空間屬性效應(yīng)。劉波等［2］基于沉降預(yù)測(cè)理論及FLAC3D進(jìn)行了地鐵施工誘發(fā)地層環(huán)境損傷評(píng)估，同時(shí)考慮多種工況探究地層沉降對(duì)建筑物的影響。黎春林等［3］對(duì)某盾構(gòu)區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，揭示了盾構(gòu)施工擾動(dòng)對(duì)地層位移場(chǎng)以及建筑物隆沉的影響規(guī)律。黎春林等［4］在定義盾構(gòu)隧道施工土體擾動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用有限元計(jì)算盾構(gòu)施工塑性區(qū)和擾動(dòng)范圍的一種簡(jiǎn)捷實(shí)用的數(shù)值方法。但目前針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿與線路存在夾角的復(fù)雜建筑群研究較少，本研究以成都某地鐵線路為對(duì)象，重點(diǎn)研究隧道開(kāi)挖地層的擾動(dòng)對(duì)上部建筑群的沉降和傾斜變化規(guī)律。

1工程概況

1.1區(qū)間隧道和地質(zhì)條件

該線路盾構(gòu)區(qū)間采用土壓力平衡盾構(gòu)法開(kāi)挖。盾構(gòu)右線起點(diǎn)里程YDK76+170.000，終點(diǎn)里程YDK81+074.276，長(zhǎng)度為4771.756，盾構(gòu)左線起點(diǎn)里程ZDK76+170.000，終點(diǎn)里程ZDK81+074.276，長(zhǎng)度為4787.765m，線路最大縱坡28‰。區(qū)間全長(zhǎng)24.9km，位于復(fù)合地層中，上部為砂卵石，下部為淤泥及泥巖，隧道頂距離小區(qū)基礎(chǔ)最小豎向凈距約23m。劃分為四大層18個(gè)亞層，又由上至下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石、黏土、粉細(xì)砂、中砂、卵石、泥巖。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)斷面如圖1所示。

1.2穿越建筑物

盾構(gòu)區(qū)間在里程YDK78+767～YDK78+948，ZDK78+715～ZDK78+926處穿越建筑物，建筑物為3層磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深2m。盾構(gòu)隧道頂距離基礎(chǔ)底最小豎向凈距約23m。盾構(gòu)隧道左右線共計(jì)穿越7棟建筑物，從左至右分別為1棟至7棟，建筑物信息如表1所示，區(qū)間隧道與建筑物位置關(guān)系如圖2所示。

2數(shù)值計(jì)算模型與分析方法

2.1數(shù)值模型建立

砂卵石地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，顆粒之間無(wú)粘聚力。因此在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，極易破壞地層原有狀態(tài)，造成圍巖及地層的擾動(dòng)狀態(tài)［5-7］。為研究在砂卵石地層中隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍和對(duì)應(yīng)影響，本文利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模和分析。

為探究隧道開(kāi)挖過(guò)程的橫向影響范圍，確保分析的準(zhǔn)確性，模型寬度選取為5倍隧道直徑［8］，整體尺寸為246m（長(zhǎng)）×80m（寬）×90m（高）。隧道區(qū)域從地下20～40m，水平方向從-17.25～17.25m。因?yàn)閰^(qū)間隧道長(zhǎng)距離且下穿建筑物較多，為保證計(jì)算速度將建筑模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使7棟地表建筑物沿隧道前進(jìn)方向鋪排，如圖3所示。同時(shí)本模型假設(shè)土體是均質(zhì)層狀，并采用摩爾-庫(kù)倫模型模擬巖土材料，從上至下分別為雜填土、強(qiáng)風(fēng)化卵石、中砂、中等風(fēng)化卵石、中砂、強(qiáng)風(fēng)化泥巖。建筑物、基礎(chǔ)、襯砌材料采用線彈性模型，建筑物及基礎(chǔ)采用C30混凝土，隧道管片、注漿材料采用C50混凝土，各材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。

2.2模擬過(guò)程

利用ANSYS軟件完成分層土體模型后，建立7棟建筑物的底部獨(dú)立基礎(chǔ)，拓展至建筑物實(shí)際高度，之后分步進(jìn)行模擬分析：

（1）邊界進(jìn)行約束，土體前后，左右分別施加Y方向和X方向的水平約束，土體底部施加Z方向的豎向約束。

（2）假設(shè)建筑物、隧道以及土體的質(zhì)量為均勻分布，其自重均為均布荷載，其值為10kN/m²。

（3）在隧道始端破洞，開(kāi)挖6m，殺死此部分土體單元后進(jìn)行注漿加固，并釋放全部節(jié)點(diǎn)力［9］。

（4）循環(huán)第3個(gè)開(kāi)挖步驟，共計(jì)開(kāi)挖41步，直至隧道開(kāi)挖結(jié)束，通過(guò)循環(huán)開(kāi)挖過(guò)程，得出隧道施工過(guò)程中上部建筑物和地表的變形沉降情況，模型沉降如圖4所示。

2.3監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

由于地表建筑物位置離散，為得到隧道開(kāi)挖過(guò)程中建筑物分布對(duì)沉降、傾斜等參數(shù)的影響規(guī)律［10］，所以選取7棟建筑物的角部基礎(chǔ)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。為便于描述，沿線路前進(jìn)方向，選取建筑物左上方基礎(chǔ)為Ax號(hào)點(diǎn)，順時(shí)針將其余基礎(chǔ)分別命名為Bx、Cx、Dx，如圖5所示。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物沉降影響分析

由于地表建筑物數(shù)量較多，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，根據(jù)建筑物與隧道位置分布關(guān)系和建筑物尺寸模型選取具有代表性的建筑物進(jìn)行影響分析。2^#、3^#、4^#、5^#4棟建筑物尺寸相近且垂直于隧道開(kāi)挖方向依次分布，均跨左右2條開(kāi)挖線路，故選取中間3^#建筑物進(jìn)行分析；1^#、26^#號(hào)建筑物位于區(qū)間隧道末端分布方向大體一致，均斜跨右線，但由于26^#為所有建筑物中尺寸最大的，受力特征不同故選取分析；6^#建筑物僅小部分斜跨左線，選取分析。

為探究隧道施工對(duì)沉降的影響，分別得到隧道開(kāi)挖過(guò)程中3棟建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降曲線，如圖6所示。

由圖6（a）可以看出，6^#建筑物離隧道近的B6、C6基礎(chǔ)點(diǎn)，沉降量較大，且變化明顯，最大沉降為0.6mm。隨著隧道破洞后向前推進(jìn)施工，垂直方向依次經(jīng)過(guò)C6、B6、D6、A6，4個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)先后發(fā)生明顯沉降，隨與隧道中心線距離的增加，沉降速率遞減，從大到小依次為0.0091mm/m，0.0086mm/m，0.0071mm/m，0.0065mm/m，與距隧道中心線距離基本線性相關(guān)。結(jié)合圖6（b），在盾構(gòu)工作面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面66～70m處，沉降量變化減緩趨于穩(wěn)定。因此由變化規(guī)律可以得到建筑物最大不均勻沉降發(fā)生在盾構(gòu)穿越建筑物正下方，而最大沉降一般發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)建筑物一段距離后。

觀察圖6（b）、圖6（c），由于隧道埋深較淺，且建筑物均為3層磚混結(jié)構(gòu)，荷載較輕，隧道開(kāi)挖至建筑前均出現(xiàn)了較大的隆起變形。將3^#、26^#對(duì)比分析，盾構(gòu)工作面在3^#樓測(cè)量斷面前約60m迅速產(chǎn)生向上隆起的趨勢(shì)，平均隆起高度0.43mm，而盾構(gòu)工作面在26^#樓測(cè)量斷面前約40m處產(chǎn)生此趨勢(shì)，且平均隆起高度僅為0.36mm。同時(shí)當(dāng)隧道掌子面逐漸接近直至通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)過(guò)程中，沉降先迅速增加而后趨于緩和，其中3^#樓平均沉降0.61mm，26^#樓平均沉降約0.75mm。隨地表荷載減小，盾構(gòu)開(kāi)挖產(chǎn)生的向上凸起現(xiàn)象減緩，隧道沉降量增加。

3.2隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物傾斜影響分析

建筑物的傾斜通?？煞譃檠厮淼篱_(kāi)挖的水平方向傾斜率和垂直隧道開(kāi)挖的橫斷面方向傾斜率［9］，但由于本文中分析的建筑物均與線路開(kāi)挖方向存在一定夾角，為了便于測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析，計(jì)算每一施工子步中3^#、6^#、26^#建筑物的最大傾斜率。

建筑物的最大傾斜率的計(jì)算公式：

Q_max=ABS（H_max-H_min）/D₁₂

式中：Q_max為建筑物的最大傾斜率，H_max為建筑物最大角部基礎(chǔ)沉降，H_min為建筑物最小角部基礎(chǔ)沉降，D₁₂為最大和最小沉降角點(diǎn)的直線距離。

圖7為3棟特征建筑物的傾斜率曲線，傾斜率存在先增大后減小，再增大后減小并趨于穩(wěn)定2個(gè)階段的變換，第一階段主要是在盾構(gòu)開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)點(diǎn)前，土體相互作用產(chǎn)生隆起變形而造成的沉降不均。第二階段是隨著盾構(gòu)通過(guò)建筑物4個(gè)角部基礎(chǔ)正下方，產(chǎn)生沉降，標(biāo)高分別到達(dá)±0.00以下，之后盾構(gòu)遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降趨于穩(wěn)定，從而產(chǎn)生增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

6^#建筑物的最大傾斜率為0.035%，3^#建筑物的最大傾斜率為0.028%，26^#建筑物最大傾斜率為0.032%，3棟建筑物出現(xiàn)最大傾斜率均發(fā)生在盾構(gòu)通過(guò)建筑物正下方附近。傾斜規(guī)律為沿線路方向的建筑物與存在夾角的建筑物相比，傾斜率變化趨勢(shì)更緩慢，各階段的傾斜率更小。且建筑物荷載減小，會(huì)導(dǎo)致傾斜率增大。

將圖7中3^#和26^#建筑物由地面隆起和沉降造成的最大傾斜率相比，分別為60.73%和70.96%，因此在盾構(gòu)施工通過(guò)區(qū)間隧道過(guò)程中，對(duì)上部建筑物基礎(chǔ)角點(diǎn)造成的隆起和沉降現(xiàn)象，都會(huì)使建筑物產(chǎn)生一定程度的傾斜率變化，可能會(huì)導(dǎo)致安全隱患。

3.3實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

為確保數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在3^#、6^#、26^#建筑物的屋面中點(diǎn)框架柱內(nèi)布置沉降儀，觀測(cè)屋面沉降。沿隧道中線，每5m布設(shè)一個(gè)沉降點(diǎn)，每30m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

實(shí)測(cè)建筑物沉降曲線如圖9所示，隧道施工穿過(guò)各建筑物過(guò)程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨隧道施工不斷變化，當(dāng)隧道接近建筑物，先隆起而后逐漸沉降且增加趨勢(shì)明顯，當(dāng)隧道施工穿越建筑物后，建筑物沉降趨勢(shì)減小并逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)測(cè)數(shù)值約為數(shù)值模擬結(jié)果的2.5倍左右，可能是由于各土層實(shí)際分布不均導(dǎo)致初始應(yīng)力場(chǎng)差異及上部地面荷載與實(shí)際情況不符造成的，但均在可控范圍內(nèi)。通過(guò)2種方法得到的變化規(guī)律基本相符，沉降和變形的數(shù)值分析模擬結(jié)果可以為隧道施工提供參考。

4總結(jié)

本文采用三維有限元數(shù)值模擬的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了當(dāng)?shù)孛娲嬖诮ㄖ锶簳r(shí)，在砂卵石地層中盾構(gòu)施工引起建筑物的位移和傾斜變化規(guī)律，同時(shí)根據(jù)建筑物位置分布和尺寸模型特點(diǎn)選取了一系列特征建筑物，進(jìn)行深入分析，得到主要結(jié)論：

（1）隨隧道施工，建筑物最大不均勻沉降一般發(fā)生在盾構(gòu)穿越建筑物正下方，而最大沉降一般發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)建筑物一段距離后。

（2）當(dāng)建筑物分布和線路前進(jìn)方向存在夾角時(shí)，距離隧道中心線越近的角部基礎(chǔ)，最終沉降越大，且變化顯著。因而存在夾角的建筑物相較沿線路方向分布的建筑物，傾斜率變化趨勢(shì)更顯著，各階段的傾斜率也更大。

（3）在隧道施工通過(guò)上部建筑物的過(guò)程中，地表位移會(huì)先后產(chǎn)生隆起和沉降現(xiàn)象。若隧道埋深較淺，上部建筑物的荷載小，隆起和沉降趨勢(shì)均會(huì)增大，由此導(dǎo)致建筑物的傾斜率產(chǎn)生顯著變化，特別地，由地表隆起產(chǎn)生的建筑物傾斜同樣不容忽視。

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