黃德洲，方詩圣，方程誠

(合肥工業(yè)大學 建筑工程系，安徽 宣城 242000)

0 引言

在我國盾構法施工已經得到了廣泛的應用，由于城市地鐵線路集中在市區(qū)，地鐵隧道周圍建筑物比較多，這不僅給地鐵盾構施工帶來困難，同時地鐵盾構也會對穿越建筑物的安全和正常使用帶來影響。

針對上述問題，文獻[1～2]建立了三維有限元數值模型，研究了軟土地區(qū)盾構隧道開挖對鄰近樁基的影響規(guī)律，提出了計算盾構隧道開挖對鄰近樁基影響的理論方法。文獻[3～4]研究計算了盾構法地鐵隧道穿越建筑物時對建筑物自身沉降和內力的影響。文獻[5～12]根據現(xiàn)場監(jiān)測數據總結出盾構施工對鄰近建筑物的影響規(guī)律，分析了地質條件、基礎類型等因素與建筑物變形的關系，進一步將模擬計算值與實測變形值進行對比，吻合度較好。文獻[13]利用Sagaseta縱向地表變形計算公式，推導出雙線平行盾構掘進影響區(qū)內淺基礎建筑物地基、基礎和結構協(xié)同作用的力學模型，總結了淺基礎框架建筑物變形以及彎矩變化規(guī)律。

盾構穿越框架結構時，盾構隧道開挖造成的土體-隧道-建筑物之間相互作用是一個非常復雜的問題，也是現(xiàn)在地鐵盾構施工急需要解決的問題。

目前關于地鐵隧道盾構施工影響的研究主要在土體沉降方面，關于盾構隧道施工對建筑物影響的研究主要集中在對鄰近樁基礎、砌體墻的影響，對框架建筑物地表以上梁、柱影響的研究較少，因此需作進一步研究。

本文采用考慮了框架結構與土體共同節(jié)點位移和相互之間空間位置關系的三維有限元模型，對雙線盾構隧道先后穿越某5層框架結構進行系統(tǒng)性框架受力分析和變形研究，增進對框架結構因為雙線盾構而產生內力、變形甚至破壞的理解，從而更好的指導實際盾構施工和預防建筑物破壞。

1 建立三維有限元模型

1.1 有限元建模情況

土體模型的尺寸長90 000 mm(x方向)、寬48 000 mm(y方向)、高 48 000 mm(z方向)?？蚣芙Y構平面幾何尺寸(14 400×15 000)mm，基礎采用柱下獨立基礎，基礎埋深約為2 500 mm，第一層層高為3 900 mm，其余層高均為3 600 mm?？蚣苤⒘航孛娉叽鐬?50 mm×450 mm、300 mm×600 mm，各層樓板厚度均為120 mm。雙線平行盾構隧道中心軸線在土體內深度為18 000 mm，隧洞直徑D為6 315 mm，雙線平行隧道中心軸線相距為13 800 mm，隧道襯砌厚度為300 mm，盾構殼縱向尺寸為9 000 mm，盾構機殼厚度取為7.5 mm。盾構外殼長9 600 m、盾構每環(huán)距離為12 000 mm。

框架結構平面如圖1，有限元模型剖面如圖2所示，圖中符號DJ、Z分別表示獨立基礎、框架柱。盾構施工期間對該框架結構進行了現(xiàn)場沉降觀測，建筑物測點布置、隧道與建筑物相對位置關系分別如圖3、4所示。

圖1 框架結構平面

圖2 建筑物測點布置

圖3 有限元模型平面

圖4 隧道與建筑物相對位置關系

土體與上部框架結構有限元模型如圖5。

圖5 三維有限元模型

有限元模型物理力學參數如表1所示。

表1 物理力學參數

有限元建模過程如下。

(1)框架結構需同時考慮混凝土和鋼筋的剛度，如果混凝土采用實體單元、鋼筋采用梁單元模擬，則單元數目非常多，不方便建模和計算。因此本文采用等效剛度的方法計算出鋼筋和混凝土等效剛度可以保證計算的精度，又可以加快有限元軟件運算速度。然后體采用梁單元建出整個框架模型，這不僅會給計算帶來很大的方便，同時也可保證計算結果一定的準確性。

等效剛度的計算公式為：

其中，S1為混凝土截面的面積；S2為鋼筋截面的面積；S為混凝土和鋼筋截面的總面積；k1為混凝土截面的剛度；k2為鋼筋截面的剛度。

由此計算出鋼筋混凝土梁、柱、板的彈性模量為30 GPa，樁基的彈性模量為20 GPa。

(2)土體采用摩爾庫倫本構模型，由于土體體積較大，所以為土體劃分單元時將上部隧道周邊土體細分，而將其余土粗略劃分。

(3)隧道盾構施工的有限元模擬采用ABAQUS生死單元功能，先將襯砌、注漿層和盾構機外殼殺死，然后將隧道土體按開挖步分步殺死。

(4)盾構機外殼的厚度遠小于長度，因此盾構機外殼采用殼單元模擬，土體、襯砌以及注漿層均采用實體單元模擬。

(5)假定受力情況為有限元模型整體受重力、樓屋面板受均布荷載壓強為0.25 MPa、盾構掘進面受均布荷載壓強為0.3 MPa。

2 有限元計算分析

五層框架結構框架柱的x、y方向水平位移、傾斜度分別如圖6、7所示。

圖6 框架柱的x方向水平位移

圖7 框架柱的y方向水平位移

由圖6可知，框架柱Z2的x方向水平位移最小，Z1、Z3的x方向水平位移以Z2的x方向水平位移為對稱軸相對稱。由圖7可知，框架柱Z1、Z2、Z3的y方向水平位移絕對值沿著柱高向上逐漸增大，這表明盾構完成時框架柱向盾構掘進反向傾斜，框架柱y方向水平位移大于x方向水平位移。

同上述有限元建模過程，建立了不同層數的有限元模型，不同層數框架結構框架柱的x、y方向如圖 8、9所示。

圖8 框架柱的x方向傾斜度

圖9 框架柱的y方向傾斜度

由圖8可知，層數越高的框架結構，框架中柱Z2的x方向傾斜度越大，且隨著盾構的掘進，Z2的x方向傾斜度先增大后減小。由圖9可知，層數越高的框架結構，框架中柱Z2的y方向傾斜度越大，且隨著盾構的掘進Z2的y方向傾斜度在左右雙線盾構分別通過Z2下方時最大。這表明盾構在通過Z2之前x、y方向傾斜度會增大，通過Z2之后x、y方向傾斜度會減小。柱身x、y方向水平位移近似線性增大，所以盾構完成時不同情況下柱x、y方向傾斜度均小于框架結構最大層間位移角限值1/550符合高層建筑混凝土結構技術規(guī)程的規(guī)定。

3 監(jiān)測數據與有限元模擬結果對比

3.1 柱底沉降監(jiān)測結果與模擬結果對比

柱底沉降實際監(jiān)測結果與有限元模擬結果對比如圖10所示，圖中左、右側隧道分別代表盾構掘進左、右側隧道。由圖10可知：

圖10 隨著盾構掘進柱底沉降值變化曲線

(1)C1、C3、A1和A3柱底沉降量的數值模擬或實測數據均表明隧道盾構施工離柱較近時對柱底沉降變化較大，隧道盾構施工離柱較遠時隨著盾構掘進柱底沉降變化不大(C1表示C軸與1軸的交點位置)。

(2)在同一柱基A1底部處通過有限元模擬和實際監(jiān)測解得的沉降量最大，其柱底實際監(jiān)測結果與有限元模擬結果非常接近，實際監(jiān)測值最大為-17.59 mm，有限元模擬值為-18.09 mm；

(3)有限元模擬與實際監(jiān)測取得的柱底C1、C3、A1和A3的沉降量比較接近；

柱底沉降實際監(jiān)測結果與有限元模擬結果對比表明可以運用有限元模擬的方式預測地鐵隧道盾構下穿對框架結構產生的影響。

3.2 房屋傾斜檢測監(jiān)測結果與模擬結果對比

盾構完成后根據現(xiàn)場條件，選取該建筑物的4角進行傾斜測量，測量、模擬結果見表2。

表2 房屋傾斜測量、模擬結果

主體結構傾斜測量結果表明：該建筑物2016年11月16日各觀測點的傾斜度分布在H/5701～H/4266之間(包括施工誤差和外裝修的影響)，而各觀測點的有限元模擬傾斜率在 H/4986～H/3383之間，各觀測點實測、模擬傾斜量均未超過《民用建筑可靠性鑒定標準》限值H/200。

3.3 房屋相對沉降檢測檢測監(jiān)測結果與模擬結果對比

根據實際情況，盾構開挖前采用全站儀對房屋進行相對沉降觀測。選取一處基準面，在該基準面上布置觀測點量測建筑物的相對沉降，并在有限元模型上選取相應測點的沉降，測點布置圖及房屋相對沉降趨勢示意圖見圖11。整體傾斜的限值為4‰，相鄰柱基沉降差限值為0.002 L，故該房屋主體基礎剩余整體傾斜為3.79‰，剩余相鄰柱基沉降差為0.0017 L。

圖11 基礎相對沉降示意圖(mm)

數值模擬計算過程數值分析結論如下：

1.最大地表沉降值為18.23 mm；

2.建筑物最大豎向位移值為26.83 mm；

3.建筑物最大整體傾斜率為0.4‰；

4.建筑物最大相鄰柱基沉降差為0.0008 L。

根據建筑檢測結果以及數值模擬計算結果：該建筑基礎既有最大整體傾斜為0.21‰，模擬施工引起房屋基礎最大整體傾斜0.4‰，預測基礎總最大整體傾斜為0.61‰；該建筑既有最大相鄰柱基沉降差為0.0003 L，模擬施工引起最大相鄰柱基沉降差為0.0008 L，預測最大相鄰柱基沉降差為0.0011 L。兩指標均未超《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)關于同類建筑基礎變形的限值(4‰及0.002L)，據此可以預測盾構開挖對該建筑物的影響在安全范圍內。

4 結論

根據計算，既有建筑基礎最大整體傾斜為0.21‰，最大相鄰柱基沉降差為0.0003 L，均未超出《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)關于同類建筑基礎變形的限值(4‰及0.002 L)?！督ㄖ鼗A設計規(guī)范》(GB50007-2011)關于同類建筑

運用有限元軟件ABAQUS模擬合肥地區(qū)地鐵隧道盾構的實際工程，結合實測建筑物變形數據研究了雙線地鐵隧道盾構施工對區(qū)間內某五層框架結構產生的影響，得出了下列結論：

(1)隨著框架結構層數的增加，框架中柱Z2的x方向傾斜度逐漸變大，而隨著盾構的掘進Z2的x方向傾斜度先增大后減小。框架中柱Z2的y方向傾斜度逐漸變大，而隨著左右雙線盾構分別通過Z2下方時Z2的x、y方向傾斜度極大。

(2)主體結構傾斜測量表明：建筑物2016年11月16日各觀測點的傾斜度分布在H/5701～H/4266之間(包括施工誤差和外裝修的影響)，而各觀測點的有限元模擬傾斜率在H/4986～H/3383之間，各觀測點實測、模擬傾斜量未超過規(guī)范的允許限值。有限元模擬結果同工程監(jiān)測的結果一致，證明了可以運用有限元軟件ABAQUS模擬盾構過程，從而預測地鐵隧道盾構穿越對框架結構的影響。

(3)根據建筑檢測結果以及數值模擬計算結果：預測基礎總最大整體傾斜為0.61‰、最大相鄰柱基沉降差為0.0011 L。兩指標均未超《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)關于同類建筑基礎變形的限值(4‰及0.002 L)，據此可以預測盾構開挖對該建筑物變形的影響在安全范圍內。