隧道施工对建筑物影响的控制标准研究

王惟玮，肖盛燮，刘　强

(重庆交通大学，重庆　400074)

隧道施工对建筑物影响的控制标准研究

王惟玮，肖盛燮，刘强

(重庆交通大学，重庆400074)

肖盛燮(1937—)，男，教授，博士研究生导师，重庆市首批学术技术带头人，重庆大学博士后流动站合作导师，政府特殊津贴获得者，主要从事桥梁结构分析及桥梁检测加固研究工作。主持国家级、省部级与地方科研项目30余项。

国家自然科学基金项目“基于灾变链式理论的多种灾害深化规律研究”(50879097)

摘要：文章在参考国内外相关文献与研究成果的基础上，总结了目前工程实践中使用的三种控制标准，即经验法、借鉴法和计算法，分析了它们存在的主要问题，并提出了制定控制标准的动态法及其应用流程，以期为隧道施工对建筑物影响的控制标准制定，提供具有可参考性和可操作性的方法与步骤。

关键词：隧道施工；建筑物；影响；控制标准；工作方法；研究

0引言

隧道施工改变了原有的地层形态，从而导致架构在原有地层形态基础上的地基发生了形变，最终造成地表建筑物损害。隧道施工造成地表建筑物损害程度的链式机理错综复杂，但主要由两个方面的因素构成：(1)隧道施工因素，包括隧道开挖方式、断面大小、结构类型等诸多因素；(2)地表建筑物因素，包括建筑物的不同基础形式、倾斜值、沉降值等等。因此，确定隧道施工对建筑物影响的控制标准是隧道施工的先决条件。笔者在梳理大量文献研究的基础上，提出了合理确定控制标准的动态方法。

1控制标准现状分析

国内外许多学者在隧道施工对建筑物影响的控制标准方面，做了大量研究工作。例如，国外Burland等人基于模型试验，提出了现在使用最多的“深梁模型”(将建筑物模拟为一个简支的深梁)。国内王占生、王梦恕提出了盾构施工过程中影响区域的详细划分和对结构产生影响进行预测的详细方法。目前，在工程实践中广泛使用的控制标准，概括起来主要有经验法、借鉴法和计算法。

1.1　经验法

建筑物形态的多种多样，决定了不同的建筑物具有不同的自身结构特点，同样的变形对建筑物的影响也必将不一样。因此，在隧道施工之前，要调查摸清它们的特点，并具有针对性的制定措施和控制标准。与建筑物变形能力密切相关的因素有很多，如建筑物的建设使用情况、尺寸、荷载、基础类型、功能、重要性等等。理论上，应根据建筑物的不同特点，确定其抗变形能力，进而制定相对应的变形控制标准。

但是，在实际过程中，使用最多的制定控制标准的方法是经验法。所谓经验法就是根据部分专家的工程实践经验，确定一个相应的控制标准值。例如，根据一些专家的工程实践经验，一般情况下规定隧道盾构施工中的地面隆起值和地面沉降值，分别为10 mm和30 mm；地面附加倾斜≤1/300等等。显然，这些一般性的规定值，具有临时性和个体性，不具备普遍性，更缺乏严肃的科学性和规范性。

1.2　借鉴法

所谓借鉴法就是参考相邻规范的标准值，作为控制标准的一种工程实践方法。例如，盾构法施工波及邻近建筑物所造成的破坏性影响，目前还缺乏经验数值和相应的标准规范。因此，在隧道盾构施工中引起地层形变，造成周围建筑物的破坏程度，只有借鉴其他规范(如《建筑地基基础设计规范》)。但是，这种借鉴规范的方法也有很多不足。比如，上述规范中虽然对各种各样的建筑的允许沉降值有较清晰的规定，但由于不同建筑物的特点、结构类型、保护等级等千差万别，规范中所列的值不可能完全覆盖。因此，不同的工程使用相同的一个基准值，就会造成一些工程显得太过保守，而另一些工程却又过于激进，这必然存在安全隐患。

1.3　计算法

计算法就是通过对相关极限条件参数的控制，得出相应控制标准的一种方法。当前，主要运用控制极限参数的方法来进行地表沉降对建筑物影响的评价。控制极限条件的计算方法主要两种：(1)容许沉降作为地层极限状态控制的标准；(2)以建筑物容许应变控制的容许沉降作为控制标准。

1.3.1地层极限状态控制下的容许沉降

如图1(a)所示，当建筑物的基础尺寸较小时，由Peck沉降槽曲线可知，拐点处曲线斜率为最大值，这时地表沉降曲线的最大斜率，约等于建筑结构有可能产生的最大倾斜值。由于差异沉降，当地层在极限状态时，剪应变在x=i这点达到极限值，这时地表沉降曲线的最大斜率为[1]：

(1)

参考《建筑地基基础设计规范》的规定，建筑物基础整体的不均匀沉降不能超出所规定的数值，并且还应该满足局部不均匀沉降产生的差值。此时Kmax≤[f]，其中建筑结构的容许倾斜值为[f]，则地表最大容许沉降量如式(2)所示：

(2)

(a)

(b)

1.3.2建筑物容许应变控制下的容许沉降

如图1(b)所示，在分析建筑基础对地层表面控制要求时，如果建筑基础的尺寸较大，不仅要考虑倾斜，还要考虑地表沉降对建筑物基础的绕曲变形，这些有可能使建筑物的基础发生断裂，还有可能使上部结构产生受压裂缝，这时在受到基础容许应变控制下的基准沉降值为：

(3)

式中，[ε]=[σ]/E；

[σ]——基础的极限抗拉强度；

E——基础弹性模量；

x——隧道中心线到建筑物外边缘距离。

根据Peck曲线可知：由式(1)可以得到在基础受弯的最不利情况为x=i时：

(4)

目前判断结构变形是否超过极限值，都是以建筑基础的变形来代替建筑物的变形，这样计算比较简单而且概念明确。但是，这种计算简化了建筑物的一些使用现状参数，如建筑物的建造时期、使用荷载情况、结构类型等，在工程实践中存在着明显的不足。

最近几年，在施工实践中，大多使用英国Jubilee延长线控制标准确定地表沉降对建筑物的影响[2]。这种方法认为，拉应变导致了建筑物破坏，并将建筑结构简化为一个均质弹性地基梁。

结构内部产生的弯曲拉应变和剪切拉应变，在地表水平应变和垂直沉降的作用下，可以由式(5)和式(6)进行计算：

εbr=εh+εbmax

(5)

(6)

上式中，εbr——弯曲拉应变；

εdr——剪切拉应变和；

εbmax——仅仅考虑地表建筑物垂直位移和强度参数与几何尺寸的弯曲拉应变；

εdmax——剪切拉应变，可以按式(7)、(8)计算：

(7)

(8)

式中，I——建筑物剪切模量(kPa)；

L——建筑物等效梁沿垂直隧道纵向的长度(m)；

t——等效梁中性轴距梁底边的最大距离(m)；

μ——建筑物泊松比；

Δ——建筑物等效梁变形量(m)；

H——建筑物等效梁高度(m)；

I——建筑物等效的惯性矩(m4)；

E——建筑物弹性模量(kPa)，如下页图2所示。

εh为地表水平应变，按式(9)和式(10)计算：

(9)

(10)

上述公式中，x——沿隧道纵向；

y——垂直走向；

z——垂直向下坐标方向；

z0——隧道中线距离地表的深度；

w——地表在y方向的水平位移函数；

xi——隧道起点；

xf——工作面位置坐标；

i——沉降槽反弯点在y轴上的坐标值；

z0——隧道中线距离地表的深度；

G(a)——概率分布函数；

Vs——在隧道纵向方向单位长度内的沉降槽体积。

根据建筑结构产生的拉应变计算结果，以及上述方法得到的计算结果，将εbr和εdr中的较大值代入表1，可以对隧道开挖对建筑物的影响进行评判。图2为隧道开挖对建筑物产生的变形图。

表1　损坏等级和极限拉应变间的关系表

图2　开挖引起的建筑物变形示意图

上述方法虽然有一定的应用价值，但是并不完善，在工程实践中存在一定的问题。通过Jubilee延长线准则可以将建筑结构看成一个均质弹性地基梁，没有考虑建筑物本身情况(如门窗柱位置、结构几何尺寸等)，只考虑了剪切应变与弯曲拉应变，导致实际情况与分析结果之间存在差距，这样，广泛应用于类似工程就非常困难。此外，实际工程中最终使用的控制标准，不一定就是现在估算出的抗变形能力。因为在后续过程控制和施工的过程中，还可能根据实际施工情况进行调整，它不完全等于经过初次评估得到的建筑物容许变形值。

2动态法及其应用

综上所述，由于隧道施工处于不同的城市环境中，对建筑物的影响也各不相同，当前用于制定控制标准的方法都存在明显的局限性。为此，笔者在借鉴国内外相关研究的基础上，给出了关于对建筑物进行评判的一般性原则，并进一步提出了确定控制标准的一般工作流程，即所谓的动态法。希望为隧道施工对建筑物影响的控制标准制定提供具有可参考性和可操作性的方法。

2.1　基本原则

2.1.1分步控制原则

当在多个建筑物下开挖隧道时，应先对建筑结构进行分类，并按不同保护等级和控制要求进行分级，然后实施分步目标控制。在施工过程中的各个阶段，不仅要提出每个阶段的控制标准，而且还要和施工过程密切结合。为了实现分步目标达到总体目标的可控性，应该在时间和空间上，对结构总体的控制值实行分阶段的控制。

2.1.2全局统筹原则

在施工实践中，对于重点保护的建筑结构，制定实际操作步骤和安全控制标准的上限值尤为重要，但是也不能忽视其他影响因素。争取最大程度做到全局统筹，全面兼顾。(1)应充分考虑结构变形的特点，严格控制工程质量与安全；(2)控制标准要依据工程要求、施工水平及预测分析等因素，结合现有施工经验，全面统筹制定施工控制标准。

2.2　工作程序

根据两项基本原则，可以通过获取原始结构稳定系数、预测结构变形极限值、初定控制标准和不断调整完善四个基本步骤，科学地制定相应的施工控制标准。

2.2.1获取原始结构稳定系数

(1)测量施工前建筑物已存在的变形数据。(2)以实际变形数据为依据，修正理论分析结果，即数值计算结果要充分体现建筑物的变形现状。这在数值分析过程中，通过减少建筑材料的数值来实现。从本质上看，这里得到了施工前建筑物结构的原始稳定系数。

2.2.2预测结构变形极限值

考虑到隧道施工因素对建筑物损害程度的影响，对事前制定的某一种或几种拟定工法，进行软件分析，提前预估结构的变形及其分布规律。总体说来，通过软件模拟分析，可以依据结构变形的不同响应情况，形成一组或若干组，相对应不同工法的结构变形分布规律图。随着变形不停地累加，可以找到结构发生破坏的临界状态和与其对应的结构变位值，也就是结构变形的极限值。

2.2.3初定控制标准

隧道施工环境千差万别，所以要全面、合理、科学地选择控制指标。根据计算得出的结构变形极限值，再通过相应的安全系数，就可以获得经过衰减的极限值。上述极限值，就是影响结构变形的控制标准的初始值。

2.2.4不断调整完善

如果施工中遇到围岩等级调整、施工条件变化等状况时，可以按照预测结构变形极限值和初定控制标准的相应步骤，进一步调整完善施工控制标准。

3结语

本文通过对现有研究成果的进一步分析，得出以下两点结论：

(1)梳理了目前国内外主要使用的一些控制标准方法，而且指出了这些控制方法存在的不足之处。

(2)提出了制定控制标准的动态方法。相对隧道工程来说，有很多复杂多变的影响控制标准的因素，如地层条件的变化、隧道施工方法、建筑物的加固效果等。其中任何一种因素的变化，都将影响建筑物的控制标准。因此，在隧道施工进程中，要以满足建筑物的安全为根本标准，根据实际情况科学地、动态地调整控制标准。

参考文献

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Research on Control Standards of Tunnel Construction Influence on Buildings

WANG Wei-wei，XIAO Sheng-xie，LIU Qiang

(Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

Abstract：Based on referring to related domestic and foreign literature and research results，this article summarized three kinds of control standards used in current engineering practice，namely experience method，reference method and calculation method，analyzed their main problems，and proposed the dy-namic method to develop the control standard as well as its application process，so as to provide the methods and procedures with reference value and operability for the control standards figuretion of tunnel construction influence on buildings.

Key Words：Tunnel construction；Buildings；Influence；Control standards；Working methods；Research

收稿日期：2015-02-05

文章编号：1673-4874(2015)02-0013-05

中图分类号：U455

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.02.004

基金项目

作者简介
王惟玮(1986—)，男，硕士，研究方向：结构工程；
刘强(1987—)，男，硕士，研究方向：桥梁与隧道工程。