隧道開挖對建筑物內(nèi)力影響的研究

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

隧道開挖對建筑物內(nèi)力影響的研究

宋琨于廣明周福強謝焦焦

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院山東青島266033)

隨著經(jīng)濟的快速增長，我國的交通運輸也得到快速的發(fā)展，為了更好的緩解交通壓力，很多城市已經(jīng)修建了地鐵，由于地鐵起步較晚，使得很多地鐵的建設(shè)都要下穿建筑物。地鐵開挖使得隧道圍巖產(chǎn)生內(nèi)力重分部，由此將會出現(xiàn)圍巖附加應(yīng)力，在附加應(yīng)力的作用下，隧道周圍土體產(chǎn)生位移和變形，當(dāng)變形傳至地表，便會使地表出現(xiàn)不均勻沉降，進而對隧道鄰近建筑物造成影響。本文針對隧道開挖引起的地標(biāo)沉降，對建筑物內(nèi)力的變化情況進行了研究。

隧道；圍巖；不均勻沉降；建筑物

一、引言

地鐵隧道上方建筑物因隧道開挖受損的根本原因在于地鐵修建期間隧道的開挖會使地表產(chǎn)生沉降變形，建筑物受到地表變形的影響，其受力情況將會發(fā)生變化，并由此產(chǎn)生附加內(nèi)力，附加內(nèi)力作用于建筑物構(gòu)件上會使其產(chǎn)生更大的變形及開裂，當(dāng)構(gòu)件所受內(nèi)力超過其極限內(nèi)力值時，建筑物便會出現(xiàn)開裂甚至破壞情況。因此需要確定在地表不均勻沉降時建筑物內(nèi)部的附加內(nèi)力值，進而判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力是否超過其極限內(nèi)力值，來判斷建筑物是否會出現(xiàn)損壞。

二、地鐵施工引起地表沉降的機理分析

國內(nèi)外專家通過長年研究分析，已基本掌握地表移動機理。隧道施工過程中導(dǎo)致地層移動及地表沉降主要集中在以下幾個方面：隧道施工導(dǎo)致的地層損失、隧道施工導(dǎo)致地層孔隙水的變化、土體受擾動發(fā)生再固結(jié)以及襯砌變形等[1]。

(一)地層損失引起沉降

地層損失的定義為隧道在施工過程中實際開挖體積與竣工后體積之差。文獻[2]中對地層損失因素探討中可知：由于初期支護與地層不緊密貼合，如果注漿不及時土體應(yīng)力釋放發(fā)生塑性變形導(dǎo)致地表產(chǎn)生位移；隧道開挖面漏水，流出水中夾帶著細小的顆粒，地層有孔隙產(chǎn)生導(dǎo)致地表變形；周圍土體為了彌補隧道開挖引起的地層損失向隧道洞室內(nèi)移動，從而導(dǎo)致地表變形。

(二)土體固結(jié)沉降

在荷載或其他因素作用下，土中孔隙水緩慢滲出，體積逐漸減小，土中有效應(yīng)力逐漸增大，超靜孔隙水壓力逐漸減小直至完全消失，整個過程稱為“固結(jié)”。土體固結(jié)快慢與土體排水有關(guān)，為時間函數(shù)。隨著土體的固結(jié)，土體的壓縮變形和強度逐漸增長。土的固結(jié)理論最早由太沙基(Terzaghi)在1924年建立，幾十年過去，雖然已提出許多新的固結(jié)理論，但由于Terzaghi固結(jié)理論簡明、實用，至今仍是工程中應(yīng)用最多的[3]。

(三)地層應(yīng)力改變導(dǎo)致的沉降

隧道開挖以后洞室內(nèi)出現(xiàn)了臨空面，地層有了可以變形的空間，由于應(yīng)力局部釋放，使周圍土體發(fā)生卸載而向洞室內(nèi)變形，原來的初始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞從而導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，這種重新分布的應(yīng)力場稱為二次應(yīng)力場。在應(yīng)力重新分布的作用下，洞室一定范圍內(nèi)的土體發(fā)生移動，形成松弛，與此同時也會使土體物理力學(xué)性質(zhì)變差，從而引起地表變形。

三、隧道施工引起地表沉降規(guī)律

隧道施工時，實際開挖體積與竣工體積(竣工體積還包括隧道周邊包裹的壓入漿體)體積之間有一定誤差而形感地層損失，開挖面土體向隧道斷面移動，隧道斷面收斂，從而形成地面沉降和傾斜。

施工期地表沉降采用Peck公式[4]計算，其橫向沉降曲線公式為

(1)

式中，Sx為橫向地表沉降量；Vl為盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失量，Vl=νlπR2。x為地表距隧道中心線的水平距離；i為沉降槽寬度系數(shù)。

由peck公式可計算出地鐵隧道橫斷面不同位置的沉降值，由此可得出橫斷面的沉降曲線形狀為正態(tài)分布曲線，當(dāng)建筑物基礎(chǔ)位于不同位置時，便可由式(1)計算出基礎(chǔ)的不均勻沉降量Δ。

四、建筑物內(nèi)力計算

地鐵上方建筑物選為多層框架結(jié)構(gòu)，建筑物位于地鐵隧道一側(cè)。由peck公式計算可知，偏離隧道越遠，地表的沉降值會越小，所以在建筑物整個跨度內(nèi)，不同位置將會有不同的沉降量，因此建筑物基礎(chǔ)將會發(fā)生不均勻沉降，進而會是結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。本文以單榀單跨框架為例來分析地表不均勻沉降時建筑物內(nèi)力的變化。

在計算框架因地基不均勻沉降產(chǎn)生附加內(nèi)力時，首先定義框架沉降剛度系數(shù)，即框架發(fā)生相對單位位移時框架所產(chǎn)生的內(nèi)力值，因此沉降剛度系數(shù)又可細分為豎向沉降剛度系數(shù)和柱腳轉(zhuǎn)動剛度系數(shù)，豎向沉降剛度系數(shù)是指當(dāng)柱腳發(fā)生豎向相對單位位移時所對應(yīng)的內(nèi)力，柱腳轉(zhuǎn)動剛度系數(shù)是指柱腳發(fā)生單位轉(zhuǎn)角時框架產(chǎn)生的內(nèi)力，在此只考慮不均勻沉降時的附加內(nèi)力，因此只對豎向沉降剛度系數(shù)做推導(dǎo)。

當(dāng)柱腳產(chǎn)生不均勻沉降Δ時，假設(shè)其轉(zhuǎn)角為θ，用Mij表示梁端彎矩，Mizt表示頂層柱的彎矩，Mizm表示中間層柱的彎矩，Mizb表示底層柱的彎矩，彎矩以順時針為正。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法[5],其計算結(jié)果如下：

梁端彎矩

(2)

梁端剪力

(3)

剪力以順時針為正。

每層梁附加剪力在柱中產(chǎn)生的軸力值為

(4)

(5)

式中δNij表示柱腳j下沉位移為Δ時梁端剪力對i柱產(chǎn)生的附加軸力，軸力以壓為正，拉為負。

五、結(jié)論

通過上述推導(dǎo)研究，本文結(jié)合隧道開挖引起地表沉降的機理及沉降規(guī)律的理論分析，推導(dǎo)了地鐵上方框架建筑物在不均勻沉降下的內(nèi)力變化，為研究實際工程中建筑物的受損情況提供了寶貴的參考價值。

[1]王夢恕.地下工程淺理暗挖技術(shù)通論[M],安徽教育出版社,2004.

[2]譚烈飛.新中國成立以來的首都地鐵建設(shè)：當(dāng)代中國史研究，2006,13(4)：95-103.

[3]盧延浩，劉祖德.高等土力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版,2005,8.

宋琨(1990.01-)，男，漢族，河北省晉州市，碩士研究生，青島理工大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程。