青島地鐵1號線施工對近接某大廈的影響研究

孫三祥

(北京愛地地質工程技術有限公司,北京 100144)

城市隧道開挖會對近接建筑產生難以避免的擾動,嚴重時影響建筑的安全性。因此,開展隧道開挖對臨近建筑的影響研究具有現實意義。

國內外學者對此開展豐富的研究。黃土地層中暗挖隧道的施工會對近鄰的建筑產生較大影響,王哲[1]采用三維數值模擬的方法,研究了暗挖隧道施工過程中支護結構力學特性演化特征,并分析了暗挖隧道施工對近鄰建筑的影響規律。當前異型結構的連拱隧道對鄰近建筑物的影響研究較少,鄭學貴等[2]通過上部結構荷載估算、隧道建模等方法,建立連拱隧道下穿高層建筑安全性影響分析方法,并對隧道開挖后地基的變形與隧道支護的受力特性作出安全性評價,研究成果對類似工程具有參考與指導意義。為研究隧道施工對近接在建建筑的影響,李科等[3]通過建立三維與二維有限元進行數值模擬,以評估明挖隧道基坑施工對在建門診大樓的影響。城市隧道地下工程近接施工影響是由于新建工程的施工引起圍巖應力狀態再次重分布,從而導致一系列的力學行為變化。章慧健等[4]利用數值模擬手段,對新建隧道近接既有建筑物施工的破壞模式進行了研究。近年來,在城市隧道設計和施工中,盾構通過建筑物和近距離地下結構等環境越來越復雜。Peng等[5]對鄭州地鐵5號線盾構隧道短距離側穿砌體結構工程進行了分析。結果表明,當雙線隧道施工完成時,地表沉降的最大值仍出現在隧道的中心線附近。該研究成果對盾構穿越施工后砌體結構的安全性進行合理的計算和評估,為今后類似工程提供參考。

上述學者的研究具有重要借鑒意義。本文以中國青島市市中區隧道1號線近接某大廈為實例,利用ABAQUS有限元軟件,結合單元刪除算法、D-P塑性準則建立數值模型。分別從地表沉降、框架結構彎矩、軸向力三個參數分析隧道開挖對該大廈的影響,為大廈的安全運營提供指導。

1 工程概況

本文以中國青島市某大廈為例,該大廈位于中國青島市市中區,62 m高,為高層框架結構體系。大廈毗鄰青島火車站,距離青島站—地鐵站約200 m,地鐵隧道與大廈相距20 m。

青島地鐵1號線側穿該大廈,隧道埋深為10 m～20 m。該處巖層主要為花崗巖,處于微—未風化帶。巖體整體性較好,分別屬于第Ⅱ,Ⅲ圍巖。巖石節理裂隙連通率在24%～27%,質地堅硬,結構面緊閉。

為研究地鐵1號線施工對該大廈的影響,本文利用ABAQUS有限元軟件建立數值模型開展研究。

2 模型建立

2.1 計算模型

利用ABAQUS軟件建立數值模型,模型采用三維應力計算模式(見圖1)。模型分為兩部分：上部框架結構,下部土體。對于下部土體,取土體尺寸為120 mm×120 mm×60 m, 底部邊界采用固定約束模式,兩側采用水平約束模式,上部為自由邊界。下部土層采用結構化劃分方式,網格形式為C3D8R,共劃分9 100個單元(見表1)。

上部框架結構模型62 m高,寬20 m。由于其剛度較大,彈性較好,取彈性模量為20 GPa,泊松比為0.17,密度為2 500 kg/m3。在模型建立過程中,梁柱為Beam模型,網格形式為B31,共劃分800個單元。框架結構與下部土體采用通用接觸方式,法向行為取“Hard”接觸模式,切向行為取“Penalty”模式,摩擦系數取0.2(見表2)。

表1 土體力學屬性

表2 框架結構力學屬性

在框架結構體系中,框架梁采用統一的截面尺寸：250 mm×600 mm。框架柱的統一截面尺寸為 500 mm×500 mm,柱、梁混凝土等級均采用C30。

2.2 D-P準則

D-P準則：

(1)

I1=σ1+σ2+σ3

(2)

(3)

(4)

其中,I1為應力第一不變量;J2為應力偏量第二不變量;C,φ分別為土體的黏聚力和內摩擦角。

2.3 模擬步驟

本文數值模擬過程共分三步：1)建立隧道所在巖體的自重應力平衡分析步,以模擬巖體未被開挖擾動影響的應力分布狀態。2)利用ABAQUS軟件中單元刪除法,實現隧道洞口的開挖、襯砌支護效果。3)進行迭代計算,分析隧道開挖對框架結構的影響。本文利用到單元直接刪除技術以模擬隧道洞口區域巖體的消失。在數值模擬過程中,首先采用強度折減法對隧道硐室巖體強度參數進行折減,最后利用單元刪除法實現硐室巖體的挖除[6-8]。

3 結果分析

本節分別從地表沉降值、框架結構的彎矩、軸向力三個角度分析隧道施工對該大廈的影響,為大廈安全運營提供指導。

3.1 地表沉降分析

地表不均勻沉降會導致建筑物傾斜,嚴重時導致建筑物損壞。城市隧道在開挖過程中,會使地表產生沉降,這對隧道臨近的高層建筑的穩定性及安全性不利,因此對地表進行沉降分析具有必要性[9-10]。

從數值模型上表面選取中心點為觀測點(見圖1),中心點為大廈的重心對應地面的點。提取地層表面沉降曲線,x軸表示與距離中心點處的距離,y軸表示地層表面沉降值(見圖2)。從圖2可以看出,中心點處沉降值最大,為18.23 mm。距離中心點越遠,地層表面沉降越小,地表沉降值與距離呈反比。根據《建筑地基基礎設計規范》,建筑沉降極限值為20 mm,因此該建筑安全。

3.2 框架結構彎矩分析

彎矩是評價結構受力狀態的重要參數之一,本節從彎矩角度分析隧道施工對近接建筑的影響。從數值模型中提取SM參數(彎矩),同時通過后處理手段顯示彎矩的方向及數值大小,圖中的箭頭表示彎矩的方向(見圖3)。

從圖3可以看出,框架結構發生沉降時,底層柱產生附加彎矩。附加彎矩對稱分布。該框架結構底層柱彎矩最大(7.53 kN·m),隨著樓層升高,附加彎矩逐漸越小。框架結構最高層柱附加彎矩為1.25 kN·m,對結構不利影響很小。因此,框架結構底層柱的穩定性值得關注[11-14]。螺紋鋼樹脂錨桿強度高、質量輕,為避免地表沉降引起框架結構產生較大傾斜,建議采用螺紋鋼樹脂錨桿進行支護以提高隧道穩定性、降到地表沉降值[15-19]。

3.3 框架結構軸力分析

本節從軸向力角度分析隧道施工對大廈的影響。在ABAQUS有限元軟件中,SF表示軸向力,箭頭表示軸向力的方向(見圖4)。從圖4可以看出,框架結構軸向力方向為豎直方向,底層柱軸力最大,為4.06×103kN。框架結構柱軸向力大小與層高呈反比,最高層結構柱軸力僅為1.16 kN。當地表發生沉降時,框架結構底層不穩定。因此在隧道施工前,對建筑物底層進行調查評估、整治,內容包括裂縫治理、對建筑進行糾傾、加固建筑物提高抗傾覆能力。

3.4 隧道一次性開挖里程對上部結構的沉降影響

隧道開挖會導致圍巖應力重分布,從而對地表以及上部結構產生影響。圖5表示隧道一日開挖里程對上部結構的沉降影響,x軸為一日開挖里程,y軸為上部結構最大沉降值。從圖5可以看出,隨著隧道一日開挖里程增加,上部結構沉降值呈遞增趨勢,其對上部結構的影響就越大。當隧道一日開挖里程為10 m,20 m,30 m,40 m,50 m,60 m時,上部結構最大沉降值分別為9.35 mm,11.63 mm,13.52 mm,17.64 mm,18.36 mm,21.45 mm。為保證隧道施工期間對上部建筑的安全,建議隧道每日掘進進度為10 m左右。

4 結論

本文以青島地鐵1號線近接某大廈為工程背景,利用ABAQUS軟件結合單元刪除算法、D-P準則建立隧道開挖擾動近接建筑模型,結論如下：

1)隧道施工引起地表最大沉降值為18.23 mm,滿足《建筑地基基礎設計規范》要求,該建筑安全。

2)框架建筑底層彎矩、軸向力最大,隨著層高增加,彎矩、軸向力的值減小。施工前,應當對建筑底層柱進行加固。隧道施工時,建議采用螺紋鋼樹脂錨桿進行支護以提高隧道穩定性。

3)隧道每日掘進進度越大,上部建筑物沉降值就越大,建議隧道每日掘進10 m左右以保證該大廈的安全。

4)本文未從建筑物與隧道相對位置角度展開研究,該方向有待進一步探索。此外,本文僅分析了框架結構底層柱的彎矩和軸向力規律,沒有分析結構底層梁的彎矩與軸向力規律,該方向有待進一步研究。