某砂卵石地層中隧道開挖對建筑群變形影響分析
2023-12-29 00:00:00任躍勤楊鋒馬凝宇
四川建筑 2023年4期
摘要 在城市繁華地區地鐵線路下穿建筑群時，如何確保上部建筑物結構安全是施工中的難題。以成都地鐵區間隧道下穿某城市建筑群為例，采用ANSYS軟件對盾構隧道施工引起的上部建筑物沉降和傾斜進行了數值分析，并與實際監測結果對比分析，變化規律基本相符，驗證了模擬結果的準確性。結果表明，建筑物最大不均勻沉降一般發生在盾構穿越建筑物正下方，而最大沉降一般發生在盾構機通過建筑物一段距離后；當建筑物分布和線路前進方向存在夾角時，建筑物傾斜率變化趨勢更顯著，各階段的傾斜率更大；當隧道埋深較淺，上部建筑物的荷載小時，地層隆起趨勢會隨之增加，且由此導致的建筑物傾斜十分明顯，不容忽視。
關鍵詞 隧道開挖;數值分析;建筑物;沉降;傾斜率
中圖分類號 U452.2+6 文獻標志碼 A
0引言
隨著城市的快速發展，地下鐵路逐漸成為城市軌道交通網建設中不可替代的一環，而軌道交通線路往往會途徑人流量大，交通繁忙、建筑物密集的區域。為不影響地面交通與設施，城市興建地下鐵路時常采用盾構法。但在開挖過程中，不可避免地會對周圍地層及建筑物產生擾動，如果不加以控制，可能會對周圍道路和建筑物產生不可修復的破壞。
國內外研究學者對地鐵隧道施工擾動范圍作了大量的研究。孫杰等［1］建立三維力學計算模型，綜合研究TBM隧道單洞掘進對單一建筑物變形的空間屬性效應。劉波等［2］基于沉降預測理論及FLAC3D進行了地鐵施工誘發地層環境損傷評估，同時考慮多種工況探究地層沉降對建筑物的影響。黎春林等［3］對某盾構區間的風險點進行數值模擬分析，揭示了盾構施工擾動對地層位移場以及建筑物隆沉的影響規律。黎春林等［4］在定義盾構隧道施工土體擾動評價標準基礎上，提出應用有限元計算盾構施工塑性區和擾動范圍的一種簡捷實用的數值方法。但目前針對盾構隧道下穿與線路存在夾角的復雜建筑群研究較少，本研究以成都某地鐵線路為對象，重點研究隧道開挖地層的擾動對上部建筑群的沉降和傾斜變化規律。
1工程概況
1.1區間隧道和地質條件
該線路盾構區間采用土壓力平衡盾構法開挖。盾構右線起點里程YDK76+170.000，終點里程YDK81+074.276，長度為4771.756，盾構左線起點里程ZDK76+170.000，終點里程ZDK81+074.276，長度為4787.765m，線路最大縱坡28‰。區間全長24.9km，位于復合地層中，上部為砂卵石，下部為淤泥及泥巖，隧道頂距離小區基礎最小豎向凈距約23m。劃分為四大層18個亞層，又由上至下分別為雜填土、粉質黏土、卵石、黏土、粉細砂、中砂、卵石、泥巖。盾構區間地質斷面如圖1所示。
1.2穿越建筑物
盾構區間在里程YDK78+767～YDK78+948，ZDK78+715～ZDK78+926處穿越建筑物，建筑物為3層磚混結構，基礎為柱下獨立基礎，埋深2m。盾構隧道頂距離基礎底最小豎向凈距約23m。盾構隧道左右線共計穿越7棟建筑物，從左至右分別為1棟至7棟，建筑物信息如表1所示，區間隧道與建筑物位置關系如圖2所示。
2數值計算模型與分析方法
2.1數值模型建立
砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，顆粒之間無粘聚力。因此在盾構掘進過程中，極易破壞地層原有狀態，造成圍巖及地層的擾動狀態［5-7］。為研究在砂卵石地層中隧道掘進產生的擾動范圍和對應影響，本文利用ANSYS有限元軟件進行建模和分析。
為探究隧道開挖過程的橫向影響范圍，確保分析的準確性，模型寬度選取為5倍隧道直徑［8］，整體尺寸為246m（長）×80m（寬）×90m（高）。隧道區域從地下20～40m，水平方向從-17.25～17.25m。因為區間隧道長距離且下穿建筑物較多，為保證計算速度將建筑模型進行簡化，使7棟地表建筑物沿隧道前進方向鋪排，如圖3所示。同時本模型假設土體是均質層狀，并采用摩爾-庫倫模型模擬巖土材料，從上至下分別為雜填土、強風化卵石、中砂、中等風化卵石、中砂、強風化泥巖。建筑物、基礎、襯砌材料采用線彈性模型，建筑物及基礎采用C30混凝土，隧道管片、注漿材料采用C50混凝土，各材料力學參數如表2所示。
2.2模擬過程
利用ANSYS軟件完成分層土體模型后，建立7棟建筑物的底部獨立基礎，拓展至建筑物實際高度，之后分步進行模擬分析：
（1）邊界進行約束，土體前后，左右分別施加Y方向和X方向的水平約束，土體底部施加Z方向的豎向約束。
（2）假設建筑物、隧道以及土體的質量為均勻分布，其自重均為均布荷載，其值為10kN/m2。
（3）在隧道始端破洞，開挖6m，殺死此部分土體單元后進行注漿加固，并釋放全部節點力［9］。
（4）循環第3個開挖步驟，共計開挖41步，直至隧道開挖結束，通過循環開挖過程，得出隧道施工過程中上部建筑物和地表的變形沉降情況，模型沉降如圖4所示。
2.3監測點布置
由于地表建筑物位置離散，為得到隧道開挖過程中建筑物分布對沉降、傾斜等參數的影響規律［10］，所以選取7棟建筑物的角部基礎作為監測點進行分析。為便于描述，沿線路前進方向，選取建筑物左上方基礎為Ax號點，順時針將其余基礎分別命名為Bx、Cx、Dx，如圖5所示。
3數值模擬結果分析
3.1隧道開挖對建筑物沉降影響分析
由于地表建筑物數量較多，為簡化分析過程，根據建筑物與隧道位置分布關系和建筑物尺寸模型選取具有代表性的建筑物進行影響分析。2#、3#、4#、5#4棟建筑物尺寸相近且垂直于隧道開挖方向依次分布，均跨左右2條開挖線路，故選取中間3#建筑物進行分析；1#、26#號建筑物位于區間隧道末端分布方向大體一致，均斜跨右線，但由于26#為所有建筑物中尺寸最大的，受力特征不同故選取分析；6#建筑物僅小部分斜跨左線，選取分析。
為探究隧道施工對沉降的影響，分別得到隧道開挖過程中3棟建筑物監測點的沉降曲線，如圖6所示。
由圖6（a）可以看出，6#建筑物離隧道近的B6、C6基礎點，沉降量較大，且變化明顯，最大沉降為0.6mm。隨著隧道破洞后向前推進施工，垂直方向依次經過C6、B6、D6、A6，4個基礎點先后發生明顯沉降，隨與隧道中心線距離的增加，沉降速率遞減，從大到小依次為0.0091mm/m，0.0086mm/m，0.0071mm/m，0.0065mm/m，與距隧道中心線距離基本線性相關。結合圖6（b），在盾構工作面通過監測斷面66～70m處，沉降量變化減緩趨于穩定。因此由變化規律可以得到建筑物最大不均勻沉降發生在盾構穿越建筑物正下方，而最大沉降一般發生在盾構機通過建筑物一段距離后。
觀察圖6（b）、圖6（c），由于隧道埋深較淺，且建筑物均為3層磚混結構，荷載較輕，隧道開挖至建筑前均出現了較大的隆起變形。將3#、26#對比分析，盾構工作面在3#樓測量斷面前約60m迅速產生向上隆起的趨勢，平均隆起高度0.43mm，而盾構工作面在26#樓測量斷面前約40m處產生此趨勢，且平均隆起高度僅為0.36mm。同時當隧道掌子面逐漸接近直至通過監測點過程中，沉降先迅速增加而后趨于緩和，其中3#樓平均沉降0.61mm，26#樓平均沉降約0.75mm。隨地表荷載減小，盾構開挖產生的向上凸起現象減緩，隧道沉降量增加。
3.2隧道開挖對建筑物傾斜影響分析
建筑物的傾斜通常可分為沿隧道開挖的水平方向傾斜率和垂直隧道開挖的橫斷面方向傾斜率［9］，但由于本文中分析的建筑物均與線路開挖方向存在一定夾角，為了便于測量結果的對比分析，計算每一施工子步中3#、6#、26#建筑物的最大傾斜率。
建筑物的最大傾斜率的計算公式：
Qmax=ABS（Hmax-Hmin）/D12
式中：Qmax為建筑物的最大傾斜率，Hmax為建筑物最大角部基礎沉降，Hmin為建筑物最小角部基礎沉降，D12為最大和最小沉降角點的直線距離。
圖7為3棟特征建筑物的傾斜率曲線，傾斜率存在先增大后減小，再增大后減小并趨于穩定2個階段的變換，第一階段主要是在盾構開挖到監測點前，土體相互作用產生隆起變形而造成的沉降不均。第二階段是隨著盾構通過建筑物4個角部基礎正下方，產生沉降，標高分別到達±0.00以下，之后盾構遠離監測點，沉降趨于穩定，從而產生增大后減小并逐漸趨于穩定。
6#建筑物的最大傾斜率為0.035%，3#建筑物的最大傾斜率為0.028%，26#建筑物最大傾斜率為0.032%，3棟建筑物出現最大傾斜率均發生在盾構通過建筑物正下方附近。傾斜規律為沿線路方向的建筑物與存在夾角的建筑物相比，傾斜率變化趨勢更緩慢，各階段的傾斜率更小。且建筑物荷載減小，會導致傾斜率增大。
將圖7中3#和26#建筑物由地面隆起和沉降造成的最大傾斜率相比，分別為60.73%和70.96%，因此在盾構施工通過區間隧道過程中，對上部建筑物基礎角點造成的隆起和沉降現象，都會使建筑物產生一定程度的傾斜率變化，可能會導致安全隱患。
3.3實測結果對比分析
為確保數值分析結果的準確性，結合現場實際情況，在3#、6#、26#建筑物的屋面中點框架柱內布置沉降儀，觀測屋面沉降。沿隧道中線，每5m布設一個沉降點，每30m布設一個監測橫斷面，進行地表沉降監測，測點布置如圖8所示。
實測建筑物沉降曲線如圖9所示，隧道施工穿過各建筑物過程中，各監測點沉降隨隧道施工不斷變化，當隧道接近建筑物，先隆起而后逐漸沉降且增加趨勢明顯，當隧道施工穿越建筑物后，建筑物沉降趨勢減小并逐漸趨于穩定。實測數值約為數值模擬結果的2.5倍左右，可能是由于各土層實際分布不均導致初始應力場差異及上部地面荷載與實際情況不符造成的，但均在可控范圍內。通過2種方法得到的變化規律基本相符，沉降和變形的數值分析模擬結果可以為隧道施工提供參考。
4總結
本文采用三維有限元數值模擬的方法，結合現場實測數據分析了當地面存在建筑物群時，在砂卵石地層中盾構施工引起建筑物的位移和傾斜變化規律，同時根據建筑物位置分布和尺寸模型特點選取了一系列特征建筑物，進行深入分析，得到主要結論：
（1）隨隧道施工，建筑物最大不均勻沉降一般發生在盾構穿越建筑物正下方，而最大沉降一般發生在盾構機通過建筑物一段距離后。
（2）當建筑物分布和線路前進方向存在夾角時，距離隧道中心線越近的角部基礎，最終沉降越大，且變化顯著。因而存在夾角的建筑物相較沿線路方向分布的建筑物，傾斜率變化趨勢更顯著，各階段的傾斜率也更大。
（3）在隧道施工通過上部建筑物的過程中，地表位移會先后產生隆起和沉降現象。若隧道埋深較淺，上部建筑物的荷載小，隆起和沉降趨勢均會增大，由此導致建筑物的傾斜率產生顯著變化，特別地，由地表隆起產生的建筑物傾斜同樣不容忽視。
參考文獻
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