房 明，劉 鎮(zhèn)，周翠英，史海歐

(1. 中山大學(xué)工學(xué)院∥巖土工程與信息技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275；2. 廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010)

由于隧道開挖施工引起地層的位移可能會(huì)引起附近建筑物或其他各類結(jié)構(gòu)的變形，甚至造成災(zāi)害。長(zhǎng)期以來地層位移與結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)損壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等問題引起了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究成果大量涌現(xiàn)[1]。而隨著城市交叉隧道的修建，交叉隧道鄰近建筑物施工的現(xiàn)象明顯增多，如何確保上部建筑與隧道結(jié)構(gòu)安全是施工中的難題。因此，交叉隧道盾構(gòu)施工與周圍環(huán)境特別是相鄰建筑物的相互影響是一個(gè)值得深入研究的重要課題。

隧道開挖引起的建筑物沉降預(yù)測(cè)是一個(gè)極為復(fù)雜的隧道-土-結(jié)構(gòu)相互作用問題[1]。目前這一課題的主要研究方法有有限元方法[2-9]、隨機(jī)介質(zhì)理論和解析方法[1, 10-13]。其中，三維有限元法由于能夠模擬隧道掘進(jìn)過程及掘進(jìn)過程產(chǎn)生的三維效應(yīng)，如盾尾注漿、隧道開挖面土體的擾動(dòng)等，而被廣泛運(yùn)用于盾構(gòu)隧道施工環(huán)境影響模擬中。其中，大部分研究成果都是關(guān)注于隧道對(duì)地表及建筑物的影響而對(duì)于建筑物的存在對(duì)隧道開挖的影響問題很少有論述。事實(shí)上，當(dāng)?shù)罔F隧道開挖引起周圍建筑物沉降的同時(shí)，建筑物的存在對(duì)隧道的影響問題已經(jīng)變得同等重要。此外，研究對(duì)象多為單個(gè)隧道開挖影響問題，而針對(duì)交叉隧道的施工影響問題論述較少。

本文結(jié)合廣州市交叉隧道工程實(shí)例，采用三維有限元方法，對(duì)鄰近建筑物工況的交叉隧道盾構(gòu)施工進(jìn)行模擬，對(duì)交叉隧道盾構(gòu)施工引起的地面沉降、建筑物的變形及新、舊隧道襯砌的內(nèi)力與變形進(jìn)行了研究，從而分析交叉隧道施工與鄰近不同位置處建筑物之間的相互影響。

1 盾構(gòu)施工三維有限元模擬方法

對(duì)于新建隧道盾構(gòu)施工過程的動(dòng)態(tài)模擬，用改變單元材料的方法來反映盾構(gòu)的向前推進(jìn)，被開挖的單元用剛度極小的單元代替，而對(duì)應(yīng)于盾殼、管片及注漿材料的位置分別將單元?jiǎng)偠扔娩摗⒐芷蜐{液的剛度替換。為計(jì)算簡(jiǎn)便，可假定盾構(gòu)機(jī)每步推進(jìn)3 m(2倍管片寬度)。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程數(shù)值模擬的關(guān)鍵是刀盤、盾殼和盾尾這三部分與土體間的相互作用關(guān)系的模擬。目前，對(duì)于盾尾注漿的模擬方法主要有兩種，一種是不考慮盾尾注漿的影響，另一種將注漿層概化為一均質(zhì)、等厚的等代層。而在實(shí)際施工過程中，盾構(gòu)施工一般采用同步的壁后注漿，這種注漿是帶有壓力的，可以迅速地充填土體的孔隙，使土體不致在盾尾脫離時(shí)產(chǎn)生較大的變形。因而，注漿及其壓力的影響不可忽略且注漿體隨著施工的進(jìn)行逐漸硬化。為此，本文采用注漿材料的變剛度等效法來模擬注漿材料的硬化同時(shí)采用等效的均布注漿壓力來模擬盾尾同步注漿。

同時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)三維模型的建立還應(yīng)模擬：①采用在盾構(gòu)作業(yè)開挖面上施加大小不等的表面壓力來模擬刀盤對(duì)土體的壓力；②采用均布力模擬作用于隧道管片上的千斤頂推力；③采用地層應(yīng)力釋放來模擬盾尾脫環(huán)在管片襯砌上產(chǎn)生的變形和內(nèi)力；④采用在盾殼外表面上施加表面壓力來模擬由于刀盤超挖或盾尾建筑空隙等引起的地層損失而在土體中產(chǎn)生的附加力，如圖1所示。

圖1 模擬盾構(gòu)推進(jìn)示意圖

2 鄰近建筑物工況的交叉隧道盾構(gòu)施工三維有限元模擬

結(jié)合廣州市珠江新城集運(yùn)系統(tǒng)盾構(gòu)穿越地鐵一號(hào)線區(qū)間隧道工程，對(duì)鄰近不同位置建筑物工況下的新建隧道盾構(gòu)下穿既有隧道施工進(jìn)行模擬。

2.1 工程概況

該工程位于天河區(qū)珠江新城核心規(guī)劃區(qū)天河南一路附近。新、舊隧道正交。既有隧道在交叉段為礦山法施工的三心圓形斷面隧道。新建隧道埋深為17.7 m，隧道左、右兩線間隔13.0 m。此外，新建隧道與既有隧道之間覆土厚度較小，僅為2.275 m，且主要為<5-2>硬塑性殘積土(見圖2)，其地層性狀為較軟弱地層，遇水極易軟化。考慮到以上因素影響，如何避免對(duì)周圍土體、地面建(構(gòu))筑物及既有隧道產(chǎn)生較大的擾動(dòng)進(jìn)而確保安全穿越，成為施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為此，穿越前對(duì)隧道間地層進(jìn)行了注漿加固并加強(qiáng)了對(duì)地面及既有隧道襯砌的位移監(jiān)測(cè)。

圖2 交叉隧道相對(duì)位置剖面與地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖[14]

2.2 三維有限元模擬

2.2.1 有限元模型 隧道和建筑物相對(duì)位置，如圖3所示，建筑物與新建隧道的走向方向一致?；A(chǔ)埋深2 m，基礎(chǔ)上方建筑物為中低層框架結(jié)構(gòu)，柱基中心之間的距離為7.5 m，參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009-2001)和該建筑物結(jié)構(gòu)形式[15]，該建筑物對(duì)地基附加荷載按矩形均布荷載p=100 kPa進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，建筑荷載按基礎(chǔ)平面尺寸范圍施加。即：垂直于新建隧道軸線方向?qū)挾?5 m，沿新建隧道軸線方向的寬度48 m。圖中L為建筑物軸線到相鄰新建隧道軸線的水平距離(m)；D為新建隧道盾構(gòu)外徑(m)。

采用三維有限元軟件MIDAS/GTS對(duì)新建隧道盾構(gòu)下穿施工進(jìn)行三維有限元模擬。有限元模型如圖4所示。地下隧道開挖后的應(yīng)力應(yīng)變，僅在隧道周圍距離隧道中心點(diǎn)3～5倍隧道開挖直徑的范圍內(nèi)存在實(shí)際影響[16]，最終確定模型沿新建隧道縱向長(zhǎng)130 m，寬120 m，高35 m，共8 323個(gè)節(jié)點(diǎn)，47 933個(gè)單元。邊界條件：模型兩側(cè)邊界限制水平方向位移；底部限制豎直方向位移；地表為水平自由面。

圖3 建筑物和交叉隧道幾何關(guān)系圖

圖4 網(wǎng)格劃分圖

2.2.2 材料參數(shù) 土體采用莫爾-庫(kù)侖模型，土層參數(shù)根據(jù)該工程的地勘資料選取，見表1。采用實(shí)體單元來模擬建筑物基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用C20混凝土。盾殼與管片所對(duì)應(yīng)的單元均采用彈性模型，其中管片力學(xué)參數(shù)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)選取[17]，考慮到管片襯砌結(jié)構(gòu)是通過螺栓將單個(gè)管片連接在一起的整體結(jié)構(gòu)，具有橫觀各向同性性質(zhì)，采用均質(zhì)體等效管片襯砌時(shí)，需乘以剛度折減系數(shù)0.8[18]，折減后的管片材料參數(shù)見表1。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表變形分析

當(dāng)新建隧道襯砌脫離盾尾后，在盾尾襯砌管片外圍形成建筑空隙，使得周圍土體由于填充盾尾空隙而產(chǎn)生趨向新建隧道的位移，從而引起地面沉降，進(jìn)而引起建筑物的沉降。

表1 土層和材料參數(shù)

分別取L/D=0、0.5、1、1.5、2、3、5及建筑物位于兩新建隧道中間的情況進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖5。在建筑物基礎(chǔ)處的地面沉降曲線有明顯變化，由于建筑物基礎(chǔ)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍土體，建筑物表現(xiàn)為明顯的整體傾斜沉降，這是不同于地層沉降槽曲線的一個(gè)顯著特征。當(dāng)建筑物位于兩新建隧道中間時(shí)，從橫坐標(biāo)-8 m到8 m范圍內(nèi)的地面沉降大小幾乎一致，最大沉降量為29.4 mm，比無(wú)建筑物時(shí)沉降要大。表明當(dāng)兩新建隧道中心線正好穿越建筑物軸線時(shí)，會(huì)使建筑物產(chǎn)生整體下沉，但交叉隧道盾構(gòu)施工對(duì)建筑物的破壞相對(duì)較小。

當(dāng)L/D=0時(shí)，交叉隧道盾構(gòu)施工引起的地面沉降最大，最大沉降量達(dá)32.5 mm，建筑物產(chǎn)生朝向隧道一側(cè)的傾斜；當(dāng)L/D=0.5時(shí)，地面沉降略小于L/D=0時(shí)的沉降值，建筑物基礎(chǔ)首尾沉降差為8.7 mm；當(dāng)L/D=1時(shí)，引起的地面沉降減小，最大地面沉降量為28 mm，而建筑物基礎(chǔ)首位的沉降差增大至12.0 mm；當(dāng)L/D=1.5時(shí)，地面沉降與L/D=0相比減少7 mm，但此時(shí)建筑物基礎(chǔ)首尾的沉降差最大，約為16.1mm；當(dāng)L/D=2時(shí)，最大地面沉降量和建筑物基礎(chǔ)首尾沉降繼續(xù)減??；當(dāng)L/D=3時(shí)，最大地面沉降量為16.9 mm，與無(wú)建筑物相比較為接近，建筑物傾斜程度較低；當(dāng)L/D=5時(shí)，此時(shí)的地面沉降與無(wú)建筑物時(shí)的相比幾乎相同，且建筑物首尾的沉降差很小，表明此時(shí)建筑物的存在對(duì)交叉隧道盾構(gòu)施工影響不大。

此外，由圖5可知當(dāng)建筑物位于兩新建隧道中間及L/D=0時(shí)，雖然建筑物沉降較大，但由于首尾沉降差較小，因此建筑物相對(duì)安全；當(dāng)L/D=0.5～2時(shí)，建筑物首尾的沉降差較大，建筑物較危險(xiǎn)；當(dāng)L/D=3～5時(shí)，隧道穿越施工對(duì)建筑物的影響較??；當(dāng)L/D≥5時(shí)，隧道穿越施工對(duì)建筑物的影響可以忽略不計(jì)。

圖5 交叉隧道盾構(gòu)施工引起的地面變形

3.2 建筑物變形分析

由于該模型土層屬于中、低壓縮土，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]，中、低壓縮土沉降差允許值為0.002L0，其中，L0為兩柱基中心之間的距離。計(jì)算得到沉降差允許值[Δ]= 0.002×7.5=0.015 m，則傾斜率允許值為

分別計(jì)算不同位置處建筑物最大沉降差Δ和傾斜率η，如圖6、7所示。隨著L/D增大，Δ和η先增大，在L/D約等于1.5時(shí)達(dá)到峰值，隨后逐漸減小。當(dāng)L/D=1.5時(shí)，建筑物柱基沉降差Δ為16.1 mm>[Δ]，此時(shí)建筑物的傾斜率約為0.123%>[η]，超出規(guī)范要求，建筑物處于危險(xiǎn)狀態(tài)。此時(shí)建筑物上部結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生開裂，尤其是在墻體窗口門洞的角位處，在施工時(shí)需采取一定的加固措施。在L/D≤2區(qū)域內(nèi)，建筑物受隧道下穿施工的影響較大，需加強(qiáng)對(duì)建筑物的監(jiān)測(cè)。

圖6 建筑物相鄰柱基沉降差

圖7 建筑物傾斜率

3.3 新建隧道襯砌受力分析

圖8為有、無(wú)建筑物情況下的新建隧道上行線襯砌的最大軸力、剪力和彎矩變化圖。可知與無(wú)建筑物工況相比，襯砌所受的最大軸力、剪力和彎矩均發(fā)生變化，隨著L/D的增大，最大軸力、剪力和彎矩的增加量均呈減小的趨勢(shì)。在L/D=0～3范圍內(nèi)，襯砌的最大軸力、剪力和彎矩的變化時(shí)較大，特別是當(dāng)L/D=0～1.5范圍內(nèi)，建筑物的存在使襯砌內(nèi)力值明顯增大，計(jì)算得到最大的軸力增加量為15.54%，最大的剪力增加量為22.17%，最大的彎矩增加量為25.12%。當(dāng)L/D≥5時(shí)，襯砌內(nèi)力值增大較小，表明此時(shí)建筑物的存在對(duì)新建隧道襯砌的影響較小。

從而可知建筑物的存在使得新建隧道襯砌要承受更大的內(nèi)力，所以應(yīng)注意襯砌的強(qiáng)度問題。需要對(duì)襯砌強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，以判斷是否能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 新建隧道襯砌最大軸力、剪力和彎矩的變化圖

3.4 既有隧道襯砌變形分析

由于建筑物的存在，新建隧道盾構(gòu)下穿施工引起的既有隧道襯砌沉降比無(wú)建筑物時(shí)的沉降值大，如圖9所示。當(dāng)建筑物位于兩新建隧道中間時(shí)，既有隧道上行線襯砌的沉降最大，為33.7 mm，比無(wú)建筑物時(shí)的沉降值28.8 mm增加了約17%，隨著L/D的增大，既有隧道襯砌沉降的增加呈減小的趨勢(shì)，不斷接近無(wú)建筑物時(shí)的沉降值，下降曲線近似線性分布，如圖8所示，L/D=0～3時(shí)，襯砌的沉降變化較大；L/D=5時(shí)，襯砌沉降值與無(wú)建筑物時(shí)的沉降值非常接近，表明此時(shí)建筑物的存在對(duì)既有隧道影響很小。

以上分析可知，由于鄰近建筑物的存在，使得新建隧道盾構(gòu)下穿施工引起的既有隧道襯砌的變形增大，所以應(yīng)提前進(jìn)行注漿等加固措施，并加強(qiáng)對(duì)既有隧道襯砌的位移監(jiān)測(cè)。

圖9 既有隧道沉降值

4 結(jié) 論

本文采用三維有限元方法，分析了交叉隧道盾構(gòu)施工與鄰近不同位置建筑物之間的相互影響，得到以下結(jié)論：

1)新建隧道下穿既有隧道的施工影響與鄰近建筑物的存在密切相關(guān)，忽略建筑物荷載將低估隧道穿越施工引起的地面變形及新、舊隧道襯砌變形和內(nèi)力值，從而使得安全性降低。

2)建筑物與盾構(gòu)隧道下穿施工的相互影響存在一定范圍，當(dāng)新建隧道軸線與建筑物中心線的水平距離與隧道外徑之比L/D=0～2時(shí)，建筑物受隧道下穿施工的影響較大，需加強(qiáng)對(duì)建筑物的監(jiān)測(cè)。尤其是當(dāng)L/D=1.5附近時(shí)，建筑物處于危險(xiǎn)狀態(tài)，此時(shí)建筑物上部結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生開裂，需采取加固措施。

3)L/D=0～3時(shí)，建筑物的存在會(huì)增大新、舊隧道的內(nèi)力和變形，特別是在L/D=0～1.5時(shí)變化較大。當(dāng)L/D≥5時(shí)，則可以忽略建筑物對(duì)交叉隧道盾構(gòu)施工的影響。

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