基于GTS的双圆盾构穿越框架结构建筑物影响分析

胡佳

摘要： 双圆盾构因具有较强的优势而得到越来越多的应用，但目前双圆盾构施工对邻近建筑物的影响并没有得到重视。随着盾构机穿越，建筑物的沉降量逐渐增大，完全通过以后沉降趋于稳定并略有回弹；随着隧道轴线与建筑物轴线水平距离L从零开始增大，P1和最大剪应变逐渐减小并趋于安全，柱间最大差异沉降先增大后减小。

关键词： 双圆盾构；框架结构；差异沉降

Abstract: double round shield for has strong advantage and get more and more application, but the present double round shield construction on the influence of the adjacent building and not get attention. With shield construction machine through, building settlement increase gradually, after completely through settlement stable and slightly rebound; With the building and the tunnel axis horizontal distance L from scratch increase axis, P1 and maximum shear strain decrease gradually and tend to be safe, the biggest difference between the columns settlement first increases, then decreases.

Keywords: double round shield; Frame structure; Different subsidence of

中图分类号：G267文献标识码：A 文章编号：

一、水平位置改变

（一） L的变化对建筑物沉降和水平位移影响

由于隧道开挖土体会使土体产生扰动，从而出现不同程度的沉降，沉降曲线呈正態分布，隧道在建筑物轴线正下方时沉降值最大，并朝两边逐渐递减。本文取建筑物与隧道水平相对位置的值分别是： L=3m，L=5m， L=9m， L=13m，L=17m，L=23m。模拟时开挖距离均取y=14.4m。

为了能更明显地了解建筑物与隧道之间的水平相对位置改变对建筑物形变的影响，分别读取框架A基础沉降曲线；框架受到的最大主应力；框架的塑性区分布图。通过图表，来分析L值的改变对建筑物受力的影响。

L为隧道轴线与建筑物轴线之间的水平距离。图1.1为y=14.4m、改变L时隧道一层框架A的竖向变形值。如图所示，随着L的增大，建筑物呈现向隧道一侧倾倒的趋势，基础最大沉降值逐渐增大并向L移动方向靠拢。当L偏离一定距离时（L=5m），基础最大沉降值变化较小；当L=13m时，基础最大沉降值增大了10mm；当L=17m时，基础最大沉降值逐渐减小；到L=21m时，基础的最大沉降值和L=0m处时接近。

图1.1框架A基础沉降曲线

（二） L的变化对建筑物塑性区分布的影响

当L=0m时建筑物塑性区的分布与标准工况相差较大，此时横向框架受力明显要大于纵向框架，塑性区主要出现在横向框架的梁柱上。由于中间沉降大，边柱位置容易引起应力集中，塑性区主要集中在A榀框架与3、4框架的交接柱上。当隧道位于建筑物中心线右侧（包括位于基础外边线外侧）时，塑性区主要出现在右侧横、纵框架相交处。

二、框架结构建筑物的安全性判断及对策

（一）隧道开挖对周围建筑物的损害类型

隧道开挖是一个动态的过程，开挖过程中伴随着地层应力状态的改变，并造成地层的损失，而周围土体在弥补地层损失过程中又产生了地层和地表的位移与变形。

隧道开挖引起的地表沉降及变形对周围建筑物的损害表现为：

1) 地表沉降损害

如下沉量较大，地下水位又较浅时，会造成地面积水，不但影响建筑物的使用，而且使地基土长期积水，强度减低。

2) 地表倾斜损害

地表倾斜对高度大而底面积小的高耸建筑物影响较大，它使得高耸建筑物的重心发生偏斜，引起附加应力重新分布，建筑物的均匀荷重将变成非均匀荷重，导致建筑物结构内应力发生变化而引起破坏。

3) 地表曲率损害

建筑物因地表弯曲而导致的损害是一种常见的开挖损害形式，这种损害与地基本身的力学性质有关，更主要的与开挖引起的地表变形有关。由于曲率使得地表形成曲面，严重时会出现屋架或梁的端部从墙体或柱内抽出，造成建筑物倒塌。

4) 地表水平变形损害

地表水平变形有拉伸与压缩两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响，建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，压缩变形使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶皱，屋顶鼓起。

（二）框架结构的安全性判断

根据对框架第一主应力的分析表明，盾构施工过程中建筑物会产生大于构件轴心抗拉强度的拉应力，从而可能出现裂缝。

根据《建筑地基基础设计规范》[1]。

表1.1框架结构沉降差允许值

压缩值 中低压缩土 高压缩土

沉降差允许值 /mm 0.002L0 0.003L0

当土的弹性模量为19MPa时，为中低压缩土，框架结构的沉降差允许值为0.002 L0，L0为两柱基中心之间的距离。文中L0=6.6 m，故沉降差允许值 13.2 mm。

如图1.2，当y=14.4m时，柱间最大差异沉降随着L的增大逐渐增大，到达峰值后逐渐减小。当L=17m时，柱间最大差异沉降为7.8mm，小于规范允许值，表明建筑物安全。原因在于框架结构整体性较好，文中盾构隧道埋深较大、土体损失率较低以及土质中等等原因，减小了隧道开挖对建筑物的影响。

图1.2 柱间最大差异沉降

（三）相应的治理措施

对建筑物的安全保护措施分为主动保护措施和被动保护措施。主动保护措施主要是事先采用先进的施工方法，尽量减少地表沉降；被动保护措施主要是对基础周围的土体，或是对建筑物本身进行加固。保护措施以“控制隧道变形为主、地基和房屋加固为铺”为原则。

1) 隔断法

在建筑物附近进行地下工程施工时，通过在盾构隧道和建筑物间设置隔断墙等措施，阻断盾构机掘进造成的地基变位，以减少对建筑物的影响，避免建筑物产生破坏的工程保护法。隔断墙墙体可由钢板桩、地下连续墙、树根桩、深层搅拌桩和挖孔桩等构成，主要用于承受由地下工程施工引起的侧向土压力和由地基差异沉降产生的负摩阻力，使之减小建筑物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向位移，还可在墙顶部构筑联系梁并以地锚支承。

2) 土体加固

土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固。前者通过增大盾构隧道周围土体的强度和刚度，以减少或防止周围土体产生扰动和松弛，从而减少对近邻建筑物的影响，保证建筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基，提高其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施一般采用化学注浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。当地面具有施工条件时，可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式来进行施工；当地面不具备施工条件或不便从地面施工时，可以采用洞内处理的方式，主要是洞内注浆。

3) 建筑物加固

该法实际上是对建筑物本身进行加固，使其结构刚度加强，以适应地基土变形而引起建筑物变形的一种工程保护方法。对建筑物进行加固的措施有多种，如可以通过加筋、加固墙、设置支撑等来直接对建筑物上部结构进行加固，或通过加固桩、锚杆等对建筑基础进行加固。实际工程中需要根据建筑物的结构和基础特点选用相适应的方法。

4) 改善建筑物设计方法

在地下工程建造活跃的地区，建筑物的设计中宜考虑后期地基变形等因素，将建筑物的抗变形设计融入到现有的结构设计中，以提高构筑物抗变形的能力。对于框架结构，在设计时可兼顾刚性设计和柔性设计的原则。刚性设计可提高建筑物的整体性和刚度，提高建筑物的抗变形能力；柔性设计是人为地在建筑物上部结构或地基基础上形成软弱面，用以吸收大部分开挖引起的地表变形，或者阻断地表变形的传递和扩散。

三、小结

1) 随着L从0开始增大，基础沉降曲线形状发生变化，由中间大、两端小，逐渐产生朝向隧道侧的倾斜，基础最大沉降量先增大后减小。

2）框架最大第一主应力和最大剪应变总体上呈减小趋势，在L=5m的时候主应力达到最大值；柱间差异沉降有增大趋势，但增加幅度不大，均在安全范围内。

3) 当L=0时，横向框架受力要明显大于纵向框架，拉应力集中区域主要出现在横向边梁柱节点及边柱处，且底部应力大于上部，对中梁影响较小。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院. GB50007－2002 建筑地基基础设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社，2002.