盾构掘进施工对上部建筑结构沉降影响--中国期刊网

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盾构掘进施工对上部建筑结构沉降影响

发表时间：2021/5/13 来源：《城市建设》2021年4月作者：何得雨

[导读] 建筑结构出现基础不均匀沉降的现象会影响建筑工程的质量，而造成其沉降不均匀的原因主要与地基土质有关。研究结果表明：盾构隧道掘进施工引起的地层水平位移、竖向位移的最大值将逐步向前推进；盾构隧道掘进施工引起的邻近建筑结构桩基位移表现为朝向开挖面内的位移，最大水平位移位于最左排桩基，最大竖向位移位于建筑结构桩基底部；建筑物远离盾构隧道开挖一侧位移远小于邻近开挖一侧。

安徽合肥中铁北京工程局集团城市轨道交通工程有限公司何得雨 230000

摘要：建筑结构出现基础不均匀沉降的现象会影响建筑工程的质量，而造成其沉降不均匀的原因主要与地基土质有关。研究结果表明：盾构隧道掘进施工引起的地层水平位移、竖向位移的最大值将逐步向前推进；盾构隧道掘进施工引起的邻近建筑结构桩基位移表现为朝向开挖面内的位移，最大水平位移位于最左排桩基，最大竖向位移位于建筑结构桩基底部；建筑物远离盾构隧道开挖一侧位移远小于邻近开挖一侧。
关键词：盾构掘进；临近建筑结构；有限元分析；位移规律
        引言
        随着城市的不断发展，地下隧道逐渐得到广泛的发展。盾构施工过程，特别是在软土地区，会不可避免地导致建筑物沉降、破坏乃至倒塌等一系列问题，国内外针对此类问题开展了一系列的研究：彭畅等人基于Abaqus软件对盾构施工影响下的建筑物沉降进行了分析对比；刘文黎等人利用FLAC3D研究了某事故多发地段的扰动沉降问题；丁祖德等人基于深圳地铁实例，利用Midas/GTS考虑了四种隧道与建筑物夹角的工况，分析了隧道与建筑物不同夹角条件下隧道开挖对地表建筑物基础沉降和结构受力变形的影响。然而，现有的研究方法多为静态扰动，且多未考虑建筑物的存在对土体沉降的影响。综上所述，为了保证隧道顺利施工及上部建筑结构安全，本文依据工程地质条件及盾构掘进施工方案等背景，分析盾构掘进施工对上部建筑结构的影响大小，并提出相应的意见和建议，研究对于其他类似地铁建设具有积极意义。
        1建筑结构基础不均匀沉降的原因
        1.1勘察阶段
        调查显示，如今建筑企业员工工作意识中的责任感较为缺失，在实际工作的过程中并没有严格按照建筑企业提出的要求进行实际操作，这样就导致建筑施工频繁出现问题。尤其是在勘察阶段，勘察人员的工作能力有限，对于勘察方法的掌握甚少，这样处理问题的效率就随之降低。勘察是整个建筑结构设计的重要环节，对于勘察企业而言，做好勘察环节的工作尤其重要。若勘察人员在工作的过程中没有对每个施工区域做好全面的检测，就会使建筑存在较大的安全隐患。其中较为明显的一点体现在勘察人员对暗沟坑洞等不良地质现象的分析和建筑结构承载力的检测这两方面。在实际勘察的过程中，勘察人员没有掌握正确的方法就很难了解地下水位的升降，也就无法有效地对地基持力层的附加应力进行准确计算，这样问题发生时就会出现抗浮不足、地基失稳、沉降突然増大等现象，使建筑结构的稳固性下降。
        1.2设计阶段
        在进行建筑结构设计的过程中，设计人员需要充分考虑影响建筑结构建设的不确定因素，既要从人为因素展开分析，又要从环境因素进行探讨，以避免在设计的过程中因为考虑不全面出现漏洞。但当前，我国设计企业中存在着部分设计人员，其自身没有足够的设计经验，并且设计目标不明确，在实际设计的过程中经常存在设计不合理的问题，这样导致建筑结构的设计缺乏标准性和科学性。一旦设计结构存在问题，其建筑结构承载力也无法预估，势必会影响整个建筑工程的质量。
        3有限元分析模型
        3.1盾构施工模拟方法
        对三维盾构掘进模型进行适当简化，借此实现动态模拟盾构掘进过程。主要分为3个步骤：①土方掘进开挖：在掌子面上施加顶推力的形式模拟盾构与掘进面之间的相互作用，顶推力的数值按掘进过程中的平均值进行考虑，即在掌子面上施加的顶推力为600kPa；②管片拼装；③盾尾注浆：在管片与土体开挖临空面上施加均布荷载300kPa模拟注浆过程中的浆液对周边土体造成的灌浆压力。

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        3.2本构模型及材料参数设置
        根据前述盾构施工模拟方式，模型中土层、建筑结构及盾构隧道管片均采用三维实体单元模拟；盾壳采用二维板单元模拟；建筑桩基采用一维梁单元模拟。在盾构隧道开挖全过程模拟中，岩土体均采用修正摩尔-库伦本构模型；管片及建筑结构均采用弹性本构模型。根据地勘报告提供的岩土体物理力学指标建议值，结合实际情况及与其他工程类比，本数值计算中所用到的岩土体物理力学参数取值。
        3.3模拟施工工况
        盾构施工过程工况，盾构隧道初始掘进面为0m。分析主要在于评价新建盾构隧道开挖对既有建筑结构的影响，考虑的是盾构隧道施工引起的增量位移，故对既有建筑结构施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零。
        4计算结果分析
        计算结果中：水平位移指向坐标正方向为正，反之为负；竖向位移向上为正，向下为负。盾构施工过程中，会引起既有建筑结构及周围地层应力场重分布，使得土层产生位移。水平方向上的位移，X方向较Y方向大，故仅列出X方向位移值。另外，盾构施工引起的主要位移主要影响的是竖向位移，故垂直（Z）方向上的位移也需要考虑。由于在建模过程中，结构单元和周围地层单元相互接触位置按位移协调方式进行考虑，故支护结构的位移和与之相接触的节点位移相同。
        4.1水平位移分析
        （1）当盾构隧道掘进施工时，对应水平位移的最大值也逐步向前推进。其最大水平地层位移为3.63mm，位于隧道拱腰位置处。（2）盾构隧道掘进施工引起邻近建筑结构桩基位移表现为朝向开挖面内的位移，最左排桩基水平位移最大值为0.90mm。引起上部建筑结构的水平位移最大值为2.63mm，位于建筑结构顶部。（3）掘进对土体的影响范围自地表向深层土体发展，隧道周边的土体变形最明显，距离隧道中心越远则位移越小，然而，除隧道周边的土体外，浅层土的位移明显大于深层土，即盾构掘进对地表的影响相较于深层土体更为显著。
        4.2沉降变形分析
        （1）当盾构隧道掘进施工时，对应竖向位移的最大值也逐步向前推进，其最大竖向地层位移为17.56mm，位于隧道拱顶位置处。引起邻近建筑结构竖向位移量最大值为10.11mm，位于建筑结构桩基底部。建筑物远离盾构隧道开挖一侧位移远小于邻近开挖一侧。实际工程的沉降峰值一般控制在20mm以内，即分析结果满足规范限值要求。（2）掘进对土体的影响范围自隧道处向地表发展，垂直隧道方向的地表沉降最明显，距离隧道中心越远则位移越小；此外，盾构距离建筑物越近，则其沉降越大；基于竖向，可知浅层土的位移明显小于深层土，即盾构掘进对土体影响与其深度相关，符合Peck理论，验证了有限元分析的可靠性。（3）结构靠近隧道一侧的桩基沉降最大，随着盾构掘进逐渐接近结构，沉降也逐步增大，沉降值在盾构距离结构最近的时刻达到最大，且最大沉降值小于建筑物沉降规范限值，可以保证结构安全。
        结束语
        针对盾构掘进对整体土体的影响，可知盾构隧道掘进施工引起的地层水平位移和竖向位移的最大值随盾构掘进逐步向前推进。掘进对土体的影响范围自隧道处向地表发展，垂直隧道方向的地表沉降最明显，距离隧道中心越远则位移越小；此外，盾构距离建筑物越近，则其沉降越大；基于竖向，可知浅层土的位移明显小于深层土，即盾构掘进对土体影响与其深度相关，符合Peck理论，证明了有限元分析的可靠性。
参考文献
［1］彭畅，伋雨林，骆汉宾，等.双线盾构施工对邻近建筑物影响的数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2008（S2）：3868-3874.
［2］刘文黎，吴贤国，王彦玉，等.盾构穿越始发段土体加固区时土体沉降扰动分析［J］.城市轨道交通研究，2017，20（08）：5-10，16.
［3］丁祖德，彭立敏，施成华.地铁隧道穿越角度对地表建筑物的影响分析［J］.岩土力学，2011，32（11）：3387-3392.
［4］GB50307－2012.《城市轨道交通岩土工程勘察规范》［S］.北京：中国计划出版社，2012.