城市隧道下穿密集建筑區(qū)靜、動(dòng)力響應(yīng)特征分析

李錚，汪波，駱耀文，郭新新

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031)

地下鐵路是21世紀(jì)城市軌道交通發(fā)展的重要方向，對(duì)于城區(qū)而言，下穿隧道線路穿越密布的既有建(構(gòu))筑物是一個(gè)無法避免的問題，采取何種措施來應(yīng)對(duì)也越來越受到工程界的關(guān)注［1］。

關(guān)于隧道下穿既有結(jié)構(gòu)物的研究，前人已做了大量工作，陽軍生等［2］在隧道下穿高壓輸電鐵塔施工中，對(duì)施工工法進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)三臺(tái)階留核心土工法能有效減小地表累積變形及不均勻沉降;崔光耀等［3］針對(duì)隧道下穿高架橋進(jìn)行研究，提出了近接樁基的位移控制技術(shù);呂培林等［4］，霍軍帥等［5］在下穿鐵路方面，張曉麗等［6］在下穿地下管線等方面也已經(jīng)取得了一定的成果。而隧道下穿房屋建筑時(shí)，開挖對(duì)周圍土體產(chǎn)生不同程度的擾動(dòng)［7］，尤其城市隧道，埋深通常較淺，對(duì)既有構(gòu)筑物的影響更加嚴(yán)重。盾構(gòu)隧道由于采用機(jī)械化施工，對(duì)圍巖和地表變形的控制較為有效，而淺埋暗挖隧道在這方面的研究則相對(duì)有限［8］，考慮到城市淺埋隧道的復(fù)雜環(huán)境，淺埋暗挖法更具有經(jīng)濟(jì)性和靈活性，值得進(jìn)一步研究和推廣［9－10］。

由于地層環(huán)境的復(fù)雜性，鉆爆法在城市隧道開挖中仍被廣泛采用，但鑒于復(fù)雜的城市環(huán)境，以鉆爆法為主的隧道施工，對(duì)上部地表建筑物的影響除靜力作用外，爆破振動(dòng)的影響也是其重要方面，基于此，本文以莞惠城際GZH－7標(biāo)下穿密集居民區(qū)暗挖隧道為依托，對(duì)靜、動(dòng)作用下城市隧道穿越不同結(jié)構(gòu)類型、位置和高度的既有房屋影響性開展研究，以期對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性做出合理評(píng)估，并為現(xiàn)場(chǎng)施工及類似工程建設(shè)提供支撐。

1 工程概況

莞惠城際交通項(xiàng)目線路全長(zhǎng)約97 km，其中隧道約占線路總長(zhǎng)的80%左右，且其基本在砂土地層和全、強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖中穿過，覆土厚度約12～20 m不等，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭示的地質(zhì)條件來看，掌子面上部圍巖條件較差，下部圍巖條件較好，具有典型的“上軟下硬”地質(zhì)特征(見圖1)。其中隧道區(qū)間左線DK44+809～DK45+280段穿越大面積居民及工廠建筑群，右線GDK45+175～GDK45+375段下穿霞村2～5層居民房，上述區(qū)段建筑物結(jié)構(gòu)形式以框架結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)為主，基礎(chǔ)多為天然擴(kuò)大基礎(chǔ)。同時(shí)，由于隧道穿越區(qū)段建筑物修建年代較久，目前，已有部分房屋存在承重墻開裂、傾斜等病害(見圖2)現(xiàn)象。

圖1 典型上軟下硬地質(zhì)縱斷面圖Fig.1 Typical softness－ upward longitudinal section

圖2 部分房屋受損情況Fig.2 Damage of some buildings

鑒于本標(biāo)段“上軟下硬”地層中上部巖土體自穩(wěn)能力極差，開挖過程中將可能導(dǎo)致過大的地表沉降，從而誘發(fā)建筑物的風(fēng)險(xiǎn)，故設(shè)計(jì)施工中對(duì)地表沉降提出了嚴(yán)格的控制要求:

1)靜力方面:根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》和《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》中的相關(guān)要求，結(jié)合莞惠城際地勘資料和類似工程經(jīng)驗(yàn)，要求地表框架房屋變形量處于25 mm以內(nèi)，地表框架房屋變形量處于30 mm以內(nèi)，房屋的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)為5 mm以內(nèi)。

2)動(dòng)力方面:根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，考慮到原有部分房屋的病害情況，最終確定振速控制標(biāo)準(zhǔn)為1.5 cm/s。

2 隧道施工對(duì)房屋的靜力影響分析

2.1 模型及工況

通過對(duì)依托工程房屋結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析，選取具有典型代表性的Ⅵ級(jí)圍巖條件下淺埋段DK45+100～DK45+350進(jìn)行研究。主要探討不同類型、高度、位置(距隧道掌子面的相對(duì)位置)時(shí)既有房屋在隧道施工過程中產(chǎn)生的位移、應(yīng)力等規(guī)律，擬定4種工況如下所述(表1、圖3)。

表1 靜力計(jì)算工況分析Table 1 Working condition of the static calculation analysis

圖3 不同工況計(jì)算模型Fig.3 Calculation model for different working conditions

據(jù)莞惠城際實(shí)際施工情況，本次計(jì)算采用CD法開挖，進(jìn)尺為1 m，拱頂180°范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固，注漿層厚2 m。計(jì)算中圍巖的材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮，隧道襯砌、中隔壁以及框架結(jié)構(gòu)房屋樓板均采用空間殼單元(shell63)進(jìn)行模擬，圍巖、注漿層及砌體結(jié)構(gòu)房屋采用三維實(shí)體單元(solid45)模擬，錨桿采用三維桿單元(link8)，拱架和框架結(jié)構(gòu)房屋立柱采用梁?jiǎn)卧?beam4)模擬。

計(jì)算模型中，房屋尺寸按實(shí)際狀態(tài)建模。在模型的下邊界施加豎直法向約束，左、右邊界施加水平法向約束。為消除邊界效應(yīng)，工況1，2和3的模型尺寸為沿隧道軸向(Z向)取28 m，水平向(X向)取80 m，垂直向(Y向)取55 m且上表面為自由面。工況4的模型尺寸為沿隧道軸向(Z向)取56 m，水平向(X向)取80 m，垂直向(Y向)取55 m。

2.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖－支護(hù)體系計(jì)算參數(shù)參考莞惠城際地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)材料測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取值，具體見表2。

表2 模型物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 2 Physical and mechanical calculation parameters of model

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)房屋受力分析

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)房屋，柱體承擔(dān)主要荷載［12］，隨著隧道開挖，房屋結(jié)構(gòu)所受最大拉應(yīng)力集中于柱頂外側(cè)，最大壓應(yīng)力集中于柱頂內(nèi)側(cè)。而對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)房屋，拉應(yīng)力集中在樓板上，最大值位于近隧道側(cè)墻體和樓板的結(jié)合處，達(dá)0.1 MPa。其壓應(yīng)力集中在墻體上，最大值位于近隧道側(cè)墻體底部。各工況房屋最大應(yīng)力值如表3所示，部分拉應(yīng)力超限，施工中應(yīng)重視加固及監(jiān)測(cè)。

表3 各工況房屋應(yīng)力最大值Table 3 Maximum stress in house for different working conditions MPa

2)房屋位移分析

位于隧道正上方的建筑，隧道開挖后最大沉降出現(xiàn)在柱體底端，分析每層樓板位移發(fā)現(xiàn)，2層樓板沉降最大，而底層樓板沉降最小;房屋的水平位移對(duì)稱且有向內(nèi)變形趨勢(shì)，最大值集中在柱體底端，底層樓板以上水平位移很小。

位于隧道兩側(cè)的建筑，隧道開挖后最大沉降出現(xiàn)在靠近隧道側(cè)的柱體(墻體)底端，向遠(yuǎn)離隧道一側(cè)呈現(xiàn)出規(guī)律的衰減趨勢(shì);而最大水平位移出現(xiàn)在靠近隧道側(cè)柱體(墻體)頂端。

各工況房屋位移最大值如表4所示。

表4 各工況房屋位移最大值Table 4 Maximum displacement in house for different working conditions mm

3)隧道開挖對(duì)建筑物各工況下的靜力影響分析

從表1中各工況可以看出，房屋與隧道間的位置、房屋的結(jié)構(gòu)型式、高度等均發(fā)生變化，隧道開挖對(duì)上述各工況房屋的應(yīng)力及位移影響特征通過數(shù)值分析總結(jié)如下:

①偏離隧道的房屋結(jié)構(gòu)在受力方面(受壓和受拉)要大于隧道正上方的房屋，但沉降量值卻明顯較小;而在水平位移方面，偏離隧道的房屋結(jié)構(gòu)大于隧道正上方結(jié)構(gòu)。

②不同高度的建筑相比，低層(2層)結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力量值大于高層(4層)結(jié)構(gòu)，表明低層結(jié)構(gòu)更易發(fā)生受拉破壞;而高層結(jié)構(gòu)位移值總體上要大于底層結(jié)構(gòu)，且隨著樓層高度的增加，水平位移的影響明顯大于豎向位移。

③不同結(jié)構(gòu)的建筑在隧道施工中產(chǎn)生的附加應(yīng)力相差很大但均小于各自材料性能，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài);砌體結(jié)構(gòu)的房屋變形比框架結(jié)構(gòu)大，但不超過20%，其原因在于框架結(jié)構(gòu)整體性更好。

④不同位置的建筑相比，位于掌子面前方的結(jié)構(gòu)受力和位移均明顯大于后方的房屋結(jié)構(gòu);綜合4種工況可知在莞惠城際項(xiàng)目上軟下硬復(fù)合地層中，隧道開挖影響范圍距掌子面約20 m。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

鑒于文章篇幅，此處僅對(duì)工況1的現(xiàn)場(chǎng)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)數(shù)值分析成果進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)研究目的，現(xiàn)場(chǎng)房屋及測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，隧道正上方房屋柱端監(jiān)測(cè)點(diǎn)F137，F(xiàn)138，右側(cè)房屋柱端監(jiān)測(cè)點(diǎn) F143，F(xiàn)144，測(cè)點(diǎn) F137，F(xiàn)138，F(xiàn)143 和 F144 到隧道開挖中線的距離分別為 －4.2，4.7，25.1 和31.9 m。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)及示意圖Fig.4 Monitoring points in site and the schematic diagram

圖5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及模擬計(jì)算位移對(duì)比Fig.5 Contrast of field monitoring displacement and the simulation calculation displacement

由圖5可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析獲取的測(cè)點(diǎn)沉降變化規(guī)律基本一致，即離隧道開挖中心線距離越大，沉降越小;當(dāng)偏離隧道中心線超過20 m時(shí)，量值呈明顯減小的趨勢(shì)，隧道開挖對(duì)其造成的影響已可忽略。從量值來看，數(shù)值分析要小于實(shí)測(cè)值，造成上述現(xiàn)象的原因可能是由于由于現(xiàn)場(chǎng)施工各環(huán)節(jié)間未能很好控制，而數(shù)值分析中各環(huán)節(jié)按理想狀態(tài)進(jìn)行銜接所致。

2.5 室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)以1∶20的相似比進(jìn)行材料研制，以莞惠城際Ⅵ級(jí)圍巖段為試驗(yàn)原型進(jìn)行，加固區(qū)采用提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的土體，初期支護(hù)采用1∶1.12的特種石膏相似材料模擬，試驗(yàn)采用CD法開挖，通過現(xiàn)場(chǎng)澆筑的方法進(jìn)行支護(hù)。試驗(yàn)在臺(tái)架式鋼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)開展，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒鄣某叽鐬?.3 m×3.7 m ×0.8 m，隧道試體尺寸為0.85 m ×0.9 m×0.8 m。為了使圍巖和隧道結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)變狀態(tài)，采用兩組180工字鋼對(duì)模型槽前后進(jìn)行約束，考慮減小模型槽邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的影響，在整個(gè)模型槽的內(nèi)表面粘1層厚1 mm的聚四氟乙烯板?？紤]到本次試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱搜芯緾D法開挖條件下地表及周邊建筑的位移規(guī)律，因此試驗(yàn)中房屋的高度、型式僅簡(jiǎn)單的通過相似比進(jìn)行重量換算后進(jìn)行了模擬。具體實(shí)現(xiàn)方式如下:在模型箱中分別裝入換算后的石英砂來模擬砌體和框架結(jié)構(gòu)不同高度的房屋，如圖6;房屋及地表測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

圖6 室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置Fig.6 Laboratory model test equipment

圖7 模型試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Arrangement of measuring points in model test

限于篇幅，文中僅選取對(duì)稱布置的212點(diǎn)和274點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析(見圖8)，212點(diǎn)為4層框架結(jié)構(gòu)房屋監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，274點(diǎn)為4層砌體結(jié)構(gòu)房屋測(cè)點(diǎn)，可知不同結(jié)構(gòu)房屋隨隧道開挖的位移變化規(guī)律前期基本相同，框架結(jié)構(gòu)沉降值略小于砌體結(jié)構(gòu)，當(dāng)開挖至模型中部時(shí)，274點(diǎn)沉降較212點(diǎn)增長(zhǎng)明顯加快且有速率持續(xù)變大的趨勢(shì)。從最終位移量值分析，砌體結(jié)構(gòu)房屋的沉降值大于框架房屋約26.3%，表明下穿隧道施工期對(duì)砌體結(jié)構(gòu)房屋的影響更為嚴(yán)重，需采用注漿等加固措施進(jìn)行處理。

圖8 不同結(jié)構(gòu)房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線Fig.8 Subsidence curves of monitoring points in different structure buildings

圖9 不同高度及位置房屋監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線Fig.9 Subsidence curves of monitoring points at different height and position

選取215點(diǎn)，217點(diǎn)和218點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可知不同高度(215點(diǎn)和218點(diǎn))房屋在隧道施工過程中表現(xiàn)出的高層效應(yīng)并不明顯，4層框架房屋的沉降值稍大于2層框架房屋，約0.2 mm。而房屋位置對(duì)位移的影響較為明顯，隧道中心附近房屋(217點(diǎn))從隧道開挖起，位移量值持續(xù)增大且未見收斂趨勢(shì)，施工中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)及控制。

3 爆破施工時(shí)對(duì)房屋的動(dòng)力響應(yīng)分析

3.1 模型建立

依據(jù)前述靜力計(jì)算結(jié)果，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類型、位置和高度的建筑物在爆破施工地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析(見圖10)。為避免波的反射對(duì)求解域的影響，除地表(自由面)外其余邊界均采用無反射邊界，模型尺寸選擇80 m×76 m×62 m，單元本構(gòu)和材料參數(shù)同靜力計(jì)算相同，爆破荷載 Pmax取值為 1.2 MPa［13－14］，加載方式為邊界及掌子面均施加垂向荷載。計(jì)算仍采用CD法開挖，每循環(huán)爆破進(jìn)尺設(shè)定為1 m，據(jù)已有研究資料顯示，左上斷面掏槽爆破影響最大，計(jì)算過程中以此作為最不利工況進(jìn)行研究。

圖10 動(dòng)力分析模型Fig.10 Dynamic analysis model

3.2 不同結(jié)構(gòu)類型房屋振動(dòng)特性分析

模型測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示，圖12為部分測(cè)點(diǎn)在X，Y和Z方向的振速圖，從圖中可以看出對(duì)于同一測(cè)點(diǎn)，房屋的垂向振速(Vy)要明顯大于其余方向的振速(開挖橫斷面向Vx，沿隧道軸線方向Vz)。因此，本文對(duì)于房屋的動(dòng)力響應(yīng)分析主要基于垂向振速。

圖11 不同結(jié)構(gòu)類型房屋測(cè)點(diǎn)布置(房屋1，3)Fig.11 Arrangement of monitoring points in different structure types of houses

由圖13可知，最大振速均滿足莞惠城際項(xiàng)目實(shí)際施工控制要求(1.5 cm/s)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)類型的差異，框架結(jié)構(gòu)的振速值明顯小于磚混結(jié)構(gòu)房屋。測(cè)線1－1及測(cè)線3－1基本規(guī)律相同，隨著樓層高度增加，振速呈現(xiàn)放大效應(yīng)，不同結(jié)構(gòu)房屋最大振速值均出現(xiàn)在最高層，砌體結(jié)構(gòu)最大振速為0.845 cm/s，而框架結(jié)構(gòu)最大振速為 0.45 cm/s，因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中頂層應(yīng)作重點(diǎn)監(jiān)測(cè);測(cè)線1－2因爆心距基本一致，振速較為穩(wěn)定，而測(cè)線1－3表現(xiàn)為:隨著爆心距增大，振速逐漸變小，但到達(dá)遠(yuǎn)端墻體時(shí)(12號(hào)測(cè)點(diǎn)，X=14.5 m)振速出現(xiàn)了放大趨勢(shì)，其原因可能是波傳遞到遠(yuǎn)端墻體時(shí)出現(xiàn)了反射或折射現(xiàn)象。

圖12 房屋1 3號(hào)測(cè)點(diǎn)振速圖Fig.12 Velocity diagram of monitoring points 3#in Building 1

根據(jù)不同時(shí)刻房屋的應(yīng)力云圖和單元應(yīng)力曲線(圖14)可知:在爆破施工時(shí)，不同結(jié)構(gòu)房屋的應(yīng)力極值均小于材料性能值，不會(huì)產(chǎn)生破壞;其中，磚混房屋中～低層應(yīng)力極值要大于高層，主要出現(xiàn)在墻體和底板交接處，而框架結(jié)構(gòu)由于其樓板中部受力要小于邊緣，應(yīng)力極值主要出現(xiàn)在柱體和樓板交接處。

3.3 不同高度房屋振動(dòng)特性分析

房屋1和房屋5屬于相同結(jié)構(gòu)，但高度不同，為研究?jī)烧咴诒普駝?dòng)作用下動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律特征，圖16繪出了測(cè)線1－1，測(cè)線5－1振速變化曲線。

從圖16中可以看出，測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)振速均滿足既有控制標(biāo)準(zhǔn)，且隨著高度增加，振速呈逐漸變大的趨勢(shì)，對(duì)比測(cè)線1－1中建筑物的振速演變規(guī)律發(fā)現(xiàn)，相同高度時(shí)其變化規(guī)律并不一致，主要因?yàn)榉课菸逯懈叨葹?～6 m時(shí)已是房屋頂層，存在一定的放大效應(yīng);測(cè)線5－1頂層最大振速值為0.90 cm/s，而測(cè)線1－1頂層最大振速值為0.84 cm/s，即爆心距等條件相同時(shí)，低層結(jié)構(gòu)的頂層振速相對(duì)較大，受施工的影響程度大于高層結(jié)構(gòu)。

圖13 測(cè)線振速曲線Fig.13 Velocity curves of survey line

圖14 房屋單元應(yīng)力曲線Fig.14 Curves of element stress in houses

圖15 不同高度房屋測(cè)點(diǎn)布置(房屋5)Fig.15 Arrangement of monitoring points at different height of building(Building 5)

圖16 振速－高度變化曲線Fig.16 Curves of velocity and height

3.4 不同位置房屋振動(dòng)特性分析

由圖18可知，距離爆源中心越近，振速越大，房屋2最大振速達(dá)1.01 cm/s，房屋3最大振速達(dá)0.45 cm/s，房屋4 最大振速達(dá)0.38 cm/s;測(cè)線2 －1，3－1和4－1均表現(xiàn)出“振速高度效應(yīng)”，具體表現(xiàn)為:測(cè)線2－1中最高點(diǎn)振速相對(duì)于房屋底層增加0.29 cm/s，增幅為39%，測(cè)線3－1中增加的量值相應(yīng)0.107 cm/s，31%，而測(cè)線4－1中增加的量值相應(yīng)為0.088 cm/s，29%;結(jié)合測(cè)線到爆源的爆心距關(guān)系可以看出爆心距離越小，其振速高度效應(yīng)越明顯。

圖17 不同位置房屋測(cè)點(diǎn)布置(房屋2，3和4)Fig.17 Arrangement of monitoring points at different position of building(Building 2～4)

圖18 振速－高度變化曲線Fig.18 Curves of velocity and height

4 結(jié)論

1)砌體結(jié)構(gòu)房屋變形和振速均比框架結(jié)構(gòu)大，其中低層應(yīng)力極值要大于高層，主要出現(xiàn)在墻體和底板交接處，而框架結(jié)構(gòu)由于其樓板中部受力要小于邊緣，應(yīng)力極值主要出現(xiàn)在柱體和樓板交接處;

2)隨著樓層高度增加，房屋水平位移的影響明顯大于豎向位移，且低層結(jié)構(gòu)更易發(fā)生受拉破壞，同時(shí)振速呈現(xiàn)出放大效應(yīng);

3)位于掌子面前方的結(jié)構(gòu)受力和位移均明顯大于后方的房屋結(jié)構(gòu);隨著爆心距增大，振速逐漸變小，但到達(dá)遠(yuǎn)端墻體時(shí)振速出現(xiàn)放大趨勢(shì)，在確定監(jiān)控方案時(shí)，需考慮對(duì)遠(yuǎn)方墻體的振動(dòng)監(jiān)控;爆心距離越小，其振速高度效應(yīng)越明顯，更需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)頂層的振速;

4)在上軟下硬復(fù)合地層中，隧道開挖影響范圍距掌子面約20 m，偏離隧道中心線超過20 m時(shí)，沉降速率增大，量值呈明顯減小的趨勢(shì)。

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