(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033)

隧道開(kāi)挖對(duì)建筑物內(nèi)力影響的研究

宋琨于廣明周福強(qiáng)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(jì)的快速增長(zhǎng)，我國(guó)的交通運(yùn)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(kāi)挖使得隧道圍巖產(chǎn)生內(nèi)力重分部，由此將會(huì)出現(xiàn)圍巖附加應(yīng)力，在附加應(yīng)力的作用下，隧道周?chē)馏w產(chǎn)生位移和變形，當(dāng)變形傳至地表，便會(huì)使地表出現(xiàn)不均勻沉降，進(jìn)而對(duì)隧道鄰近建筑物造成影響。本文針對(duì)隧道開(kāi)挖引起的地標(biāo)沉降，對(duì)建筑物內(nèi)力的變化情況進(jìn)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(kāi)挖受損的根本原因在于地鐵修建期間隧道的開(kāi)挖會(huì)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(huì)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(huì)使其產(chǎn)生更大的變形及開(kāi)裂，當(dāng)構(gòu)件所受內(nèi)力超過(guò)其極限內(nèi)力值時(shí)，建筑物便會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂甚至破壞情況。因此需要確定在地表不均勻沉降時(shí)建筑物內(nèi)部的附加內(nèi)力值，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力是否超過(guò)其極限內(nèi)力值，來(lái)判斷建筑物是否會(huì)出現(xiàn)損壞。

二、地鐵施工引起地表沉降的機(jī)理分析

國(guó)內(nèi)外專家通過(guò)長(zhǎng)年研究分析，已基本掌握地表移動(dòng)機(jī)理。隧道施工過(guò)程中導(dǎo)致地層移動(dòng)及地表沉降主要集中在以下幾個(gè)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(dòng)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(guò)程中實(shí)際開(kāi)挖體積與竣工后體積之差。文獻(xiàn)[2]中對(duì)地層損失因素探討中可知：由于初期支護(hù)與地層不緊密貼合，如果注漿不及時(shí)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(kāi)挖面漏水，流出水中夾帶著細(xì)小的顆粒，地層有孔隙產(chǎn)生導(dǎo)致地表變形；周?chē)馏w為了彌補(bǔ)隧道開(kāi)挖引起的地層損失向隧道洞室內(nèi)移動(dòng)，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(gè)過(guò)程稱為“固結(jié)”。土體固結(jié)快慢與土體排水有關(guān)，為時(shí)間函數(shù)。隨著土體的固結(jié)，土體的壓縮變形和強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。土的固結(jié)理論最早由太沙基(Terzaghi)在1924年建立，幾十年過(guò)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(jiǎn)明、實(shí)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(kāi)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?chē)馏w發(fā)生卸載而向洞室內(nèi)變形，原來(lái)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(chǎng)稱為二次應(yīng)力場(chǎng)。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(dòng)，形成松弛，與此同時(shí)也會(huì)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(shí)，實(shí)際開(kāi)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(kāi)挖面土體向隧道斷面移動(dòng)，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(jì)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(zhǎng)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(jì)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(shí)，便可由式(1)計(jì)算出基礎(chǔ)的不均勻沉降量Δ。

四、建筑物內(nèi)力計(jì)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(jì)算可知，偏離隧道越遠(yuǎn)，地表的沉降值會(huì)越小，所以在建筑物整個(gè)跨度內(nèi)，不同位置將會(huì)有不同的沉降量，因此建筑物基礎(chǔ)將會(huì)發(fā)生不均勻沉降，進(jìn)而會(huì)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(lái)分析地表不均勻沉降時(shí)建筑物內(nèi)力的變化。

在計(jì)算框架因地基不均勻沉降產(chǎn)生附加內(nèi)力時(shí)，首先定義框架沉降剛度系數(shù)，即框架發(fā)生相對(duì)單位位移時(shí)框架所產(chǎn)生的內(nèi)力值，因此沉降剛度系數(shù)又可細(xì)分為豎向沉降剛度系數(shù)和柱腳轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)單位位移時(shí)所對(duì)應(yīng)的內(nèi)力，柱腳轉(zhuǎn)動(dòng)剛度系數(shù)是指柱腳發(fā)生單位轉(zhuǎn)角時(shí)框架產(chǎn)生的內(nèi)力，在此只考慮不均勻沉降時(shí)的附加內(nèi)力，因此只對(duì)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(shí)，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(shí)針為正。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法[5],其計(jì)算結(jié)果如下：

梁端彎矩

(2)

梁端剪力

(3)

剪力以順時(shí)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(shí)梁端剪力對(duì)i柱產(chǎn)生的附加軸力，軸力以壓為正，拉為負(fù)。

五、結(jié)論

通過(guò)上述推導(dǎo)研究，本文結(jié)合隧道開(kāi)挖引起地表沉降的機(jī)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(shí)際工程中建筑物的受損情況提供了寶貴的參考價(jià)值。

[1]王夢(mèng)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(guó)成立以來(lái)的首都地鐵建設(shè)：當(dāng)代中國(guó)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(jī)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。