孫三祥

(北京愛地地質(zhì)工程技術(shù)有限公司,北京 100144)

城市隧道開挖會(huì)對(duì)近接建筑產(chǎn)生難以避免的擾動(dòng),嚴(yán)重時(shí)影響建筑的安全性。因此,開展隧道開挖對(duì)臨近建筑的影響研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開展豐富的研究。黃土地層中暗挖隧道的施工會(huì)對(duì)近鄰的建筑產(chǎn)生較大影響,王哲[1]采用三維數(shù)值模擬的方法,研究了暗挖隧道施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性演化特征,并分析了暗挖隧道施工對(duì)近鄰建筑的影響規(guī)律。當(dāng)前異型結(jié)構(gòu)的連拱隧道對(duì)鄰近建筑物的影響研究較少,鄭學(xué)貴等[2]通過(guò)上部結(jié)構(gòu)荷載估算、隧道建模等方法,建立連拱隧道下穿高層建筑安全性影響分析方法,并對(duì)隧道開挖后地基的變形與隧道支護(hù)的受力特性作出安全性評(píng)價(jià),研究成果對(duì)類似工程具有參考與指導(dǎo)意義。為研究隧道施工對(duì)近接在建建筑的影響,李科等[3]通過(guò)建立三維與二維有限元進(jìn)行數(shù)值模擬,以評(píng)估明挖隧道基坑施工對(duì)在建門診大樓的影響。城市隧道地下工程近接施工影響是由于新建工程的施工引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)再次重分布,從而導(dǎo)致一系列的力學(xué)行為變化。章慧健等[4]利用數(shù)值模擬手段,對(duì)新建隧道近接既有建筑物施工的破壞模式進(jìn)行了研究。近年來(lái),在城市隧道設(shè)計(jì)和施工中,盾構(gòu)通過(guò)建筑物和近距離地下結(jié)構(gòu)等環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。Peng等[5]對(duì)鄭州地鐵5號(hào)線盾構(gòu)隧道短距離側(cè)穿砌體結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,當(dāng)雙線隧道施工完成時(shí),地表沉降的最大值仍出現(xiàn)在隧道的中心線附近。該研究成果對(duì)盾構(gòu)穿越施工后砌體結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行合理的計(jì)算和評(píng)估,為今后類似工程提供參考。

上述學(xué)者的研究具有重要借鑒意義。本文以中國(guó)青島市市中區(qū)隧道1號(hào)線近接某大廈為實(shí)例,利用ABAQUS有限元軟件,結(jié)合單元?jiǎng)h除算法、D-P塑性準(zhǔn)則建立數(shù)值模型。分別從地表沉降、框架結(jié)構(gòu)彎矩、軸向力三個(gè)參數(shù)分析隧道開挖對(duì)該大廈的影響,為大廈的安全運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

本文以中國(guó)青島市某大廈為例,該大廈位于中國(guó)青島市市中區(qū),62 m高,為高層框架結(jié)構(gòu)體系。大廈毗鄰青島火車站,距離青島站—地鐵站約200 m,地鐵隧道與大廈相距20 m。

青島地鐵1號(hào)線側(cè)穿該大廈,隧道埋深為10 m～20 m。該處巖層主要為花崗巖,處于微—未風(fēng)化帶。巖體整體性較好,分別屬于第Ⅱ,Ⅲ圍巖。巖石節(jié)理裂隙連通率在24%～27%,質(zhì)地堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)面緊閉。

為研究地鐵1號(hào)線施工對(duì)該大廈的影響,本文利用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值模型開展研究。

2 模型建立

2.1 計(jì)算模型

利用ABAQUS軟件建立數(shù)值模型,模型采用三維應(yīng)力計(jì)算模式(見圖1)。模型分為兩部分：上部框架結(jié)構(gòu),下部土體。對(duì)于下部土體,取土體尺寸為120 mm×120 mm×60 m, 底部邊界采用固定約束模式,兩側(cè)采用水平約束模式,上部為自由邊界。下部土層采用結(jié)構(gòu)化劃分方式,網(wǎng)格形式為C3D8R,共劃分9 100個(gè)單元(見表1)。

上部框架結(jié)構(gòu)模型62 m高,寬20 m。由于其剛度較大,彈性較好,取彈性模量為20 GPa,泊松比為0.17,密度為2 500 kg/m3。在模型建立過(guò)程中,梁柱為Beam模型,網(wǎng)格形式為B31,共劃分800個(gè)單元?？蚣芙Y(jié)構(gòu)與下部土體采用通用接觸方式,法向行為取“Hard”接觸模式,切向行為取“Penalty”模式,摩擦系數(shù)取0.2(見表2)。

表1 土體力學(xué)屬性

表2 框架結(jié)構(gòu)力學(xué)屬性

在框架結(jié)構(gòu)體系中,框架梁采用統(tǒng)一的截面尺寸：250 mm×600 mm?？蚣苤慕y(tǒng)一截面尺寸為 500 mm×500 mm,柱、梁混凝土等級(jí)均采用C30。

2.2 D-P準(zhǔn)則

D-P準(zhǔn)則：

(1)

I1=σ1+σ2+σ3

(2)

(3)

(4)

其中,I1為應(yīng)力第一不變量;J2為應(yīng)力偏量第二不變量;C,φ分別為土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2.3 模擬步驟

本文數(shù)值模擬過(guò)程共分三步：1)建立隧道所在巖體的自重應(yīng)力平衡分析步,以模擬巖體未被開挖擾動(dòng)影響的應(yīng)力分布狀態(tài)。2)利用ABAQUS軟件中單元?jiǎng)h除法,實(shí)現(xiàn)隧道洞口的開挖、襯砌支護(hù)效果。3)進(jìn)行迭代計(jì)算,分析隧道開挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響。本文利用到單元直接刪除技術(shù)以模擬隧道洞口區(qū)域巖體的消失。在數(shù)值模擬過(guò)程中,首先采用強(qiáng)度折減法對(duì)隧道硐室?guī)r體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減,最后利用單元?jiǎng)h除法實(shí)現(xiàn)硐室?guī)r體的挖除[6-8]。

3 結(jié)果分析

本節(jié)分別從地表沉降值、框架結(jié)構(gòu)的彎矩、軸向力三個(gè)角度分析隧道施工對(duì)該大廈的影響,為大廈安全運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)。

3.1 地表沉降分析

地表不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致建筑物傾斜,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致建筑物損壞。城市隧道在開挖過(guò)程中,會(huì)使地表產(chǎn)生沉降,這對(duì)隧道臨近的高層建筑的穩(wěn)定性及安全性不利,因此對(duì)地表進(jìn)行沉降分析具有必要性[9-10]。

從數(shù)值模型上表面選取中心點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)(見圖1),中心點(diǎn)為大廈的重心對(duì)應(yīng)地面的點(diǎn)。提取地層表面沉降曲線,x軸表示與距離中心點(diǎn)處的距離,y軸表示地層表面沉降值(見圖2)。從圖2可以看出,中心點(diǎn)處沉降值最大,為18.23 mm。距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn),地層表面沉降越小,地表沉降值與距離呈反比。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,建筑沉降極限值為20 mm,因此該建筑安全。

3.2 框架結(jié)構(gòu)彎矩分析

彎矩是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的重要參數(shù)之一,本節(jié)從彎矩角度分析隧道施工對(duì)近接建筑的影響。從數(shù)值模型中提取SM參數(shù)(彎矩),同時(shí)通過(guò)后處理手段顯示彎矩的方向及數(shù)值大小,圖中的箭頭表示彎矩的方向(見圖3)。

從圖3可以看出,框架結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降時(shí),底層柱產(chǎn)生附加彎矩。附加彎矩對(duì)稱分布。該框架結(jié)構(gòu)底層柱彎矩最大(7.53 kN·m),隨著樓層升高,附加彎矩逐漸越小。框架結(jié)構(gòu)最高層柱附加彎矩為1.25 kN·m,對(duì)結(jié)構(gòu)不利影響很小。因此,框架結(jié)構(gòu)底層柱的穩(wěn)定性值得關(guān)注[11-14]。螺紋鋼樹脂錨桿強(qiáng)度高、質(zhì)量輕,為避免地表沉降引起框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大傾斜,建議采用螺紋鋼樹脂錨桿進(jìn)行支護(hù)以提高隧道穩(wěn)定性、降到地表沉降值[15-19]。

3.3 框架結(jié)構(gòu)軸力分析

本節(jié)從軸向力角度分析隧道施工對(duì)大廈的影響。在ABAQUS有限元軟件中,SF表示軸向力,箭頭表示軸向力的方向(見圖4)。從圖4可以看出,框架結(jié)構(gòu)軸向力方向?yàn)樨Q直方向,底層柱軸力最大,為4.06×103kN?？蚣芙Y(jié)構(gòu)柱軸向力大小與層高呈反比,最高層結(jié)構(gòu)柱軸力僅為1.16 kN。當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生沉降時(shí),框架結(jié)構(gòu)底層不穩(wěn)定。因此在隧道施工前,對(duì)建筑物底層進(jìn)行調(diào)查評(píng)估、整治,內(nèi)容包括裂縫治理、對(duì)建筑進(jìn)行糾傾、加固建筑物提高抗傾覆能力。

3.4 隧道一次性開挖里程對(duì)上部結(jié)構(gòu)的沉降影響

隧道開挖會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布,從而對(duì)地表以及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。圖5表示隧道一日開挖里程對(duì)上部結(jié)構(gòu)的沉降影響,x軸為一日開挖里程,y軸為上部結(jié)構(gòu)最大沉降值。從圖5可以看出,隨著隧道一日開挖里程增加,上部結(jié)構(gòu)沉降值呈遞增趨勢(shì),其對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響就越大。當(dāng)隧道一日開挖里程為10 m,20 m,30 m,40 m,50 m,60 m時(shí),上部結(jié)構(gòu)最大沉降值分別為9.35 mm,11.63 mm,13.52 mm,17.64 mm,18.36 mm,21.45 mm。為保證隧道施工期間對(duì)上部建筑的安全,建議隧道每日掘進(jìn)進(jìn)度為10 m左右。

4 結(jié)論

本文以青島地鐵1號(hào)線近接某大廈為工程背景,利用ABAQUS軟件結(jié)合單元?jiǎng)h除算法、D-P準(zhǔn)則建立隧道開挖擾動(dòng)近接建筑模型,結(jié)論如下：

1)隧道施工引起地表最大沉降值為18.23 mm,滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,該建筑安全。

2)框架建筑底層彎矩、軸向力最大,隨著層高增加,彎矩、軸向力的值減小。施工前,應(yīng)當(dāng)對(duì)建筑底層柱進(jìn)行加固。隧道施工時(shí),建議采用螺紋鋼樹脂錨桿進(jìn)行支護(hù)以提高隧道穩(wěn)定性。

3)隧道每日掘進(jìn)進(jìn)度越大,上部建筑物沉降值就越大,建議隧道每日掘進(jìn)10 m左右以保證該大廈的安全。

4)本文未從建筑物與隧道相對(duì)位置角度展開研究,該方向有待進(jìn)一步探索。此外,本文僅分析了框架結(jié)構(gòu)底層柱的彎矩和軸向力規(guī)律,沒有分析結(jié)構(gòu)底層梁的彎矩與軸向力規(guī)律,該方向有待進(jìn)一步研究。