不同平行距离下盾构施工对邻近砌体结构的变形影响

张治国,　贾延臣,　王卫东

(1.上海理工大学 环境与建筑学院,上海　200093;2.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地,重庆　400074;3.华东建筑设计研究院有限公司,上海　200002)



不同平行距离下盾构施工对邻近砌体结构的变形影响

张治国1,2,贾延臣1,王卫东3

(1.上海理工大学 环境与建筑学院,上海200093;2.重庆交通大学 山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地,重庆400074;3.华东建筑设计研究院有限公司,上海200002)

摘要：软土盾构施工将导致周边土体位移场改变,从而诱发邻近建筑产生附加变形甚至局部开裂.通过建立三维有限元数值模型,分析了隧道不同施工距离条件下,浅基础砌体建筑受盾构开挖的影响变形,重点研究了建筑物的横向水平位移、基础沉降特点、墙体的相对挠曲变形和主拉应变变化规律.结果表明：基础相对沉降峰值出现在隧道开挖面位于建筑物中部位置,绝对沉降峰值则出现在盾构施工完毕时;随着隧道中轴线与建筑物中轴线之间水平距离的增大,建筑横墙相对挠曲将依次呈现为下凹形态、“∽”形态以及上凸形态,且主拉应变在下凹和上凸形态相对挠曲最大时达到峰值;建筑纵墙主拉应变则因开挖面位置的不同呈现明显差异,主拉应变最大值出现在开挖面位于建筑物中部位置.

关键词：盾构; 砌体结构; 相对挠曲变形; 墙体主拉应变

软土地区盾构施工将导致盾构周边土体自由位移场改变,使得邻近建筑自身内部应力重新分布,有些建筑物可能产生较大的变形甚至局部开裂.对于历史性建筑而言,由于年代久远,其梁、柱结构严重老化、损伤,对其容许变形能力有较大的影响.因此,如何全面有效地评估邻近历史建筑受基坑开挖的影响变形是盾构施工急需解决的主要问题.

目前国内外相关学者[1-15]针对建筑物受隧道和基坑开挖影响进行了研究.其中,Dimmock等[5]以伦敦地铁开挖为例,研究了建筑物刚度对隧道开挖引起的地层位移的影响.Mirhabibi等[6]通过相对弯曲刚度的引入,分析了地铁开挖引起的地面沉降与邻近建筑物的相互影响.周奎等[7]研究了关于隧道施工对邻近人防工事影响的监测方法.魏纲等[8]通过模拟双线盾构开挖,研究了建筑物的沉降特征、水平位移以及第一主拉应力.柳厚祥等[9]研究了不同下穿位置隧道施工引起的建筑物挠曲变形以及墙体拉应变变化趋势.郑刚等[13]建立了基坑开挖中建筑物相对挠曲变形的评估方法.徐长节等[15]进行了基坑开挖对管线附加变形的分析.

针对盾构-建筑物相互作用的既有研究成果较少考虑到有、无建筑物时,盾构开挖对地层变形特征的影响,同时较少针对墙体相对挠曲和主拉应变分布的趋势进行研究,因此,本文采用三维有限元法,建立了盾构以及邻近历史建筑物共同作用的模型,分析了浅基础历史建筑受盾构开挖的影响,重点研究了有、无建筑物时,地层滑移线与沉降槽变形特征,纵墙的相对挠曲变形特点和主拉应变分布特点.

1工程背景

1.1盾构参数

以上海某处盾构施工为例,隧道轴线埋深取13m,外直径取7.4m,内直径取6.8m;掘进机机身长取7.2m,机壳厚取0.06m;衬砌每环宽度和厚度分别为1.2,0.3m,采用C50混凝土.隧道管片选用壳单元,其弹模E=21 000MPa,泊松比为0.3,厚度和重度分别取0.3m,2 500kg/m3.机壳采用板单元模拟,弹性模量取为250 000MPa,泊松比取0.2,重度取7 800kg/m3,灌浆压力为50kg/m3.图1为盾构-建筑物模型.

图1　盾构-建筑物数值分析模型网格图

施工方案中,采用“刚度迁移法”模拟盾构推进过程,盾构机每向前推进一步作相应变化:杀死该开挖步处的土体单元(内圆和外圆),土体释放应力,在开挖面处施加支护力,激活盾壳单元,在盾壳外侧表面施加摩擦力.随着盾构的掘进,逐渐将盾壳单元属性变为管片单元属性,激活管片,去掉盾壳摩擦力,改为施加注浆压力.实际工程中每环衬砌宽1.2m,数值模拟时,每步开挖2环.盾壳与土体之间的摩擦力和开挖面支护力均假定为均布力.

1.2土体参数

1.3建筑物参数

盾构施工场地近邻一历史砌体建筑,条形浅基础宽0.75m,厚0.9m.建筑物三维尺寸为22.5m×13.5m×9m,其中楼层共为3层且层高保持一致.门、窗洞口的尺寸分别为2.0m×1.5m,1.8m×

表1　土层物理力学参数

1.5m.墙体和楼板采用板单元模拟,墙体为砖砌结构,楼板为混凝土结构,二者材料特性通过弹性模量E和泊松比ν表示,并加以区分.弹性模量E分别取为230MPa和20GPa;泊松比ν分别取0.1和0.2;厚度分别取0.24,0.1m.因为建筑年代久远,故对其梁、柱刚度折减60%(通过对梁、柱所对应的弹性模量E进行折减),折减后梁、柱弹性模量E=10 000MPa,梁、柱尺寸分别为250mm×600mm,500mm×500mm.凡沿建筑物短轴方向布置的墙称横墙,而沿建筑物长轴方向布置的墙称纵墙.图2为建筑物具体尺寸示意图,图3为条形基础布置示意图.

1.4数值模拟方案

建筑物与隧道走向平行,取二者纵向中轴线之间的水平距离S分别为0,6.75,10.75,15m,共4种位置.D为隧道直径.地层土层参数如表1所示.图4为地层-隧道-建筑位置示意图,其中靠近隧道掘进侧纵墙称为背立面纵墙.

图2　建筑物尺寸示意图(单位：mm)

图3　条形基础布置示意图(单位：mm)

图4　建筑物尺寸示意图(单位：mm)

2建筑沉降变形特征

2.1建筑物基础沉降变形规律

盾构施工使得建筑物产生较大的沉降变形,为此研究了不同S距离下建筑基础节点随盾构掘进的沉降变形规律.本文涉及的建筑物基础节点如图5所示(见下页).

图6和图7(见下页)分别为不同水平距离S条件下盾构掘进所引起建筑整体沉降的云图和基础节点沉降曲线图.图7中,盾构开挖步骤具体指隧道开挖每环衬砌宽1.2m,每一步代表开挖2环.

由图7可知,由于盾构盾顶推力对土体的扰动作用,上方建筑物基础节点43率先产生1mm的微

图5　建筑物基础节点示意图

图6　盾构开挖后土体沉降图

图7　盾构开挖后建筑物基础沉降曲线

小隆起,主要是由于盾构机挤压和盾壳摩擦力对土体的扰动作用,随后开始沉降.建筑物基础节点的沉降随着盾构的掘进逐渐增大,不同S工况下,基础所对应沉降峰值分别为5,8.7,5.8,1.4mm.此外,沿盾构掘进方向,建筑物基础节点的沉降依次减小,开挖过程中节点43与节点48的差异沉降峰值分别为6,7.5,5,2mm.由此可知,建筑物纵墙下浅基础的沉降随着隧道与建筑物二者中轴线之间的水平距离S的增大而先增大后减小.当纵墙下浅基础与隧道二者的中轴线重合时(S=6.75m),建筑绝对和差异沉降达到最大.当S=15m时,纵墙下浅基础绝对沉降和差异沉降最小.不同S距离条件下,土体最大沉降则发生在隧道管片顶部位置,其值差异较小,大致为15mm.

2.2建筑物横墙相对挠曲变形规律

如图8所示,O′A′为建筑物横墙所在位置,O′B′为纵墙所在位置,O′C′为建筑物垂直高度方向.A,B为横、纵墙的变形截止点.曲线OFA为建筑物横墙实际沉降曲线,虚线OGA为建筑物横墙名义沉降曲线(即横墙两端点连接形成的直线).将建筑横墙相对挠曲变形值以建筑物横墙实际沉降曲线与建筑物横墙名义沉降曲线所对应的值的差值为基准.

图8　横墙挠度曲线计算示意图

由图9建筑物横墙相对挠曲变形曲线可知,当S=0m时,建筑物横墙相对挠曲变形呈现为下凹形态,最大相对挠曲变形为2.3mm,发生在隧道中轴线正上方.当S=6.75m时,此时横墙相对挠曲呈现为“∽”形态,其变形特点为：横墙近隧道侧的相对挠曲依然呈现为下凹形态,相对挠曲最大值为0.4mm,横墙远隧道侧将跨越地层沉降槽变形的上凸区域,这使得建筑物横墙远隧道侧呈现为微弱的上凸形态相对挠曲,其值为0.3mm.当S≥10.75m时,横墙整体相对挠曲将呈现为单纯的上凸形态,最大相对挠曲值发生在S=10.75m时,位于横墙中部位置,其值为0.85mm.

图9　建筑物横墙相对挠曲变形曲线

2.3建筑物水平位移变化规律

图10为建筑物顶部横向水平位移监测点示意图.随着S的增大,建筑逐渐远离隧道,受隧道开挖地层沉降槽的影响,建筑物将发生沿垂直隧道开挖方向(横向)上的水平位移.最大水平位移主要出现在建筑物结构顶部位置.横向水平位移随着盾构开挖步骤的增加逐渐增大.图11(见下页)为不同水平距离S条件下建筑物横向水平位移曲线.当S=0m时,建筑物基础几何尺寸小于地表沉降槽宽度时,隧道开挖对建筑沉降产生较大影响,但建筑物产生的横向水平位移很小.当S=6.75m时,纵墙浅基础与隧道二者的中轴线重合,此时其横向水平位移最大,其值为7.8mm.当S=10.75m时,建筑物局部将跨越地层沉降槽右半部分,横向水平位移亦较大,其值为6.1mm,此时建筑物发生局部倾斜较S=6.75m时有所减小.当S≥15m时,建筑物绝大部分将不再位于沉降槽范围内,此时,建筑物主要受自重影响,受地层沉降槽影响较小,横向水平位移仅为1mm.

图10　建筑顶部横向水平位移监测点(单位:mm)

图11　盾构开挖后建筑横向水平位移图

随着隧道掘进距离的增加,建筑物最大纵向水平位移逐渐增大,且最大值发生在建筑条基与地层的接触处.以条基48节点为例,图12为建筑物条基节点48的纵向水平位移图.由图可知,当S=0m时,基础节点48的纵向水平位移峰值为2.84mm.当S=6.75m时,此时基础节点48的纵向水平位移达到最大,峰值为3.21mm,原因在于建筑物纵墙浅基础中轴线与隧道中轴线重合,隧道中轴线正上方土体受隧道扰动影响最大.沿隧道中轴线向两边扩展,地层沉降槽的影响区域逐渐减小,当S=10.75m和S=15m时,基础节点48的纵向水平位移随着S的增大逐步减小,其值分别为2.86mm,2.16mm.

图12　盾构开挖后建筑纵向水平位移图

2.4建筑物横墙主拉应变分布规律

以近隧道开挖侧最外侧的横向外墙(如图13所示)为例,当距离S不同时,建筑横墙受地层沉降槽的影响,将产生不同形态的相对挠曲,因此对应每一种挠曲形态,横墙主拉应变ε分布特点呈现明显差异,如图14所示.

图14　建筑物横墙主拉应变云图

当S=0m时,建筑物横墙发生下凹形态的相对挠曲,故墙体产生集中于其中部位置的正“八”字形态的主拉应变,有如下规律：a.应变较为集中区域发生在门、窗与墙交接处;b.首层墙体所对应应变值要大于其他楼层墙体的应变值;c.横、纵墙体连接位置的应变较为明显;e.横墙与基础连接处应变集中现象明显,横墙最大主拉应变为0.08‰.

当S=6.75m时,横墙相对挠曲变形呈现为“∽”形态,其特点为：近隧道端为下凹形态相对挠曲,远离隧道一侧将发生微弱上凸形态相对挠曲,因此横墙主拉应变主要分布于建筑物横墙的中部位置,且每层窗间墙主拉应变集中现象明显.主拉应变最大值出现在建筑物横墙远离隧道端基础与墙体相交处,其值为0.1‰.

当S≥10.75m时,建筑物横墙相对挠曲呈现上凸形态.横墙上凸形态的相对挠曲在S=10.75m时达到最大,此时每层窗间墙主拉应变集中现象明显,主拉应变最大值依旧出现在建筑物横墙远离隧道端基础与墙体相交处,但应变值有所增大,为0.14‰.当S=15m时,建筑物横墙受盾构开挖土体扰动影响很小,因此主拉应变值亦较小,主拉应变最大值出现在建筑物横墙远离隧道端基础与墙体相交处,其值仅为0.08‰.

2.5建筑物纵墙主拉应变分布规律

建筑物纵墙主拉应变的分布规律因盾构的开挖掘进存在明显的差异,故以S=6.75m时建筑物背立面纵墙为例,提取了背立面纵墙主拉应变矢量图,如图15所示.

由图15可知,盾构机掘进时,由于地层损失,开挖面前方一定区域内将产生土体沉降槽.当盾构机开挖至距离建筑11.55m(图15(a))时,建筑物受土体沉降槽的影响较小,建筑物纵墙只在近隧道端与基础交接部位产生较小的拉应变,其值为0.025‰.

当盾构机开挖至距离建筑4.35m(图15(b))时,建筑物受土体沉降槽的影响明显,此时建筑物纵墙主拉应变亦随之增大,各层应变较为集中区域均发生在门、窗与墙交接处,其应变方向大致呈45°,其值为0.05‰.

当盾构机开挖至建筑纵前端正下方时(图15(c)),建筑物纵墙主拉应变值进一步增大,拉应变分布区域明显扩大,应变方向大致呈45°,最大值出现在建筑物纵墙紧邻盾构机一侧的门、窗与墙交接处,其值为0.12‰.

当盾构机开挖至纵墙中部正下方时(图15(d)),其基础绝对沉降最大,建筑物纵墙主拉应变值亦达到最大,拉应变分布区域主要集中于纵墙中部及其两侧位置,应变方向大致呈45°,集中区域为门、窗与墙交接处,其值为0.17‰.

图15　开挖面不同位置时纵墙主拉应变矢量图

当盾构机即将穿越建筑时(图15(e)),建筑物纵墙主拉应变值有所减小,拉应变主要集中区域则由纵墙中部转移到纵墙后端各层门、窗与墙交接处,应变方向大致呈45°,其值为0.13‰.

当盾构机即将穿越建筑至开挖完毕时(图15(f),(g)),建筑物纵墙主拉应变值逐渐减小,拉应变主要集中区域从纵墙后端各层门、窗与墙交接处转移至纵墙与基础交接部位,最大值仅为0.05‰.

3结论

为了研究不同施工距离条件下盾构施工对邻近历史建筑变形影响,本文进行了三维有限元数值模拟分析,得出以下主要结论:

a. 建筑物横向水平位移和纵墙浅基础的沉降值随着隧道与建筑物相对水平距离S的增大先增大随后减小.当纵墙下浅基础与隧道二者中轴线重合时,建筑物横向水平位移和沉降最大.当隧道开挖面位于建筑物中部位置时,建筑物相对沉降量最大,但绝对沉降量并没有达到最大值.当隧道开挖完成之后,建筑物绝对沉降量最大,此时相对沉降量较小.

b. 随着隧道与建筑物二者纵向中轴线之间的水平距离S的增大,建筑物横墙相对挠曲均逐步由下凹形态转变为“∽”形态,最终表现为上凸形态.当S=0m时,横墙下凹形态的相对挠曲最大,当S=10.75m时,横墙上凸形态的相对挠曲最大.

c. 随着隧道与建筑物二者纵向中轴线之间的水平距离S的增大,建筑物横墙主拉应变最大值出现在其下凹和上凸形态相对挠曲最大时.建筑物纵墙主拉应变则因开挖面位置的不同呈现明显差异,其最大主拉应变随盾构的掘进先增大后减小,峰值出现在盾构开挖至建筑物中部正下方位置.

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(编辑:丁红艺)

Influences of Shield Excavation on Masonry Structures Considering Different Parallel Distances

ZHANG Zhiguo1,2,JIA Yanchen1,WANG Weidong3

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.StateKeyLaboratoryBreedingBaseofMountainBridgeandTunnelEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 3.EastChinaArchitectureDesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200002,China)

Abstract：Shield tunneling in soft soils will inevitably disturb strata deformation,which causes additional deformation and even local cracking for adjacent buildings.Considering the different horizontal distance between the longitudinal axes of tunnels and buildings,the deformation behavior of masonry structures with shallow foundation induced by tunnel excavation was analyzed by establishing a 3D finite element model.Some deflection characteristics were emphasized in the analysis,including the horizontal displacement of foundation,the relative deflection characteristics and the distribution of tensile strain in walls.The results show that when the excavation face moves to the central line of a building,the relative settlement of the building foundation reaches the peak value,while the absolute settlement of the building foundation reaches the maximum value after the excavation is completed.With the increasing of relative distance between tunnel and building center line,the relative flexure of the cross wall will appear successively in the form of sagging deformation,“∽” deformation and hogging deformation.When the sagging deformation and hogging deformation arrive at their maximum values,the tensile strain in the cross walls reaches its peak value.The distribution of principle tensile strain in the longitudinal wall varies with the location of excavation face.When the excavation face is located at the central line of the building,the tensile strain in longitudinal walls reaches its peak value.

Keywords：shield tunneling; masonry structure; relative deflection; principle tensile strain in wall

文章编号：1007-6735(2016)03-0293-08

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.03.014

收稿日期：2015-05-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008188);上海自然科学基金资助项目(15ZR1429400);山区桥梁与隧道工程国家重点实验室培育基地(CQSLBF-Y15-1)

中图分类号：TU 452

文献标志码：A

第一作者： 张治国(1978-),男,副教授.研究方向:地下工程施工影响与控制.E-mail:zgzhang@usst.edu.cn