盾构施工导致框架结构的变形规律研究论文_蒙吉

摘要：近年来，随着社会的发展，我国的现代化建设的发展也越来越迅速。我国盾构法施工已经得到了广泛的应用，由于城际轨道交通城市线路逐渐向市区靠拢，隧道采用盾构法施工时，周围建筑物比较多，这不仅给盾构隧道施工带来困难，同时盾构施工也会对下穿建筑物的安全和正常使用带来影响。

关键词：盾构施工；框架结构；变形规律研究

引言

近50年来，在世界各大城市地下铁道施工时，盾构法施工凭借机械化程度高、施工速度快、对周边环境影响较小等诸多优势应用最为广泛，但该工法也不可避免对土体产生扰动，当对地层产生较大变形时，会对既有建筑物产生沉降、开裂等严重后果。因此，有必要在隧道施工前较为全面地预测盾构施工对建筑物变形的影响，采取相应措施确保建筑物安全。

1数值模拟结果及与实测数据的对比

为准确模拟隧道盾构施工的过程，在模拟中将盾构施工对周边环境的主要影响因素考虑进来，具体做法为：1）在开挖面施加顶进压力来模拟开挖面上土体的移动；2）在盾构机尾部施加注浆压力来模拟盾尾的注浆过程；3）对注浆层材料的参数进行更换，这样来模拟盾尾注浆层的硬化。由于当前计算机软件技术还难以对盾构机推进过程中对土体的扰动进行模拟，这里做简化处理：即假定在盾构机进行隧道开挖后，就立即进行注浆。从而在计算时，只需要将开挖面不断地向前推进，推进的同时在后面立即进行注浆和更换材料参数等操作，就可以实现盾构隧道的动态模拟过程。模拟采用如下假设：1）地表和各层土体均呈均质水平层状分布：2）忽略地下水的渗透作用，假设土体自身变形与时间无关；3）不考虑填充墙对框架结构抗侧刚度的影响，把填充墙折算成10kN/m施加在相应的梁上，楼面活载取5kN/m2。为了计算方便，假定每次掘进一个纵向柱距的距离，即7.8m，隧道从距离建筑物60m开始掘进，至远离建筑物50m后停止，共计21个开挖步，每个开挖步包含2个计算步，第1个计算步模拟开挖、施加盾尾注浆压力，第2个计算步模拟管片衬砌和注浆层硬化。采用单元的生死技术来模拟围岩土体的开挖，模拟的过程为：首先计算土体及上部建筑的自重应力场，之后，每施加一个开挖步，则杀死该开挖步处被挖去的土体单元，并在开挖面上施加顶进压力和注浆压力，然后将衬砌层和注浆层单元激活并修改其材料参数，以模拟注浆层硬化和施加管片衬砌的过程。

2系统框架

从结构上可以划分为盾构数据采集子系统和盾构数据远程管理子系统。盾构数据采集子系统用于采集隧道项目的盾构机数据，包括盾构机实时数据和人工填报数据。数据采集服务器安装在盾构施工项目部地面监控室内，数据采集服务器与盾构机的可编程控制器（PLC）采用光纤进行通信，保证信号的传输效率和质量。数据采集客户端通过OPCserver与盾构机PLC进行数据交换。盾构数据采集客户端通过专用网络将数据发送到数据中心的接收客户端，数据接收客户端将收到的数据写入数据库实时存储。数据采集服务器具有缓存功能，能在因特网断开连接时实现对数据的缓存，当通讯回复后，再将数据传回数据中心，保证采集盾构数据的连续性和完整性。人工数据主要包括盾构隧道相关的人工监测数据，如地面沉降、施工时间记录表等。通过盾构数据采集系统得到的数据，可以经由远程数据管理系统进行访问，实现盾构参数数据展示和分析的功能。

3框架结构的变形分析

基于MidasGTSNX软件在岩土领域对分析模型的节点、单元、边界条件分析的强大功能，用此软件数值模拟8.8米盾构隧道正穿长4m，宽0．5m，高3m的单层三跨框架结构，由修正的peck公式预测出地表沉降，将所预测出的沉降值作为建筑物的输入条件，分别在刀盘距隧道中心线5m，0m，－5m位置，通过MidasGTSNX软件模拟框架结构的应力及变形情况，以得到刀盘坐标不同时框架结构的应力及变形图（详见下图）。由图可知，弯矩最大位置即应力的最大位置，单层三跨结构中中间跨的应力最大，因此，当盾构机下穿此框架结构下引起地表不均匀沉降时，中间跨的应力最大，也是最容易破坏的位置。

图1 刀盘坐标为 5 时的框架结构的弯矩分布与变形分析图

图2 刀盘坐标为 0 时的框架结构的弯矩分布与变形分析图

图3 刀盘坐标为-5 时的框架结构的弯矩分布与变形分析图

结语

本文在现有地表不均匀沉降理论的基础上，通过对盾构施工引起地表沉降和建筑物变形的分析，可得出以下结论：1）随着盾构机的掘进，不同阶段对地表产生的沉降不同，对建筑物变形的影响也是一个动态过程。2）盾构掘进接近建筑物时，建筑物会有轻微的沉降。3）盾构穿越建筑物的区间段时，会有较为明显的沉降。4）通过对单层三跨结构的分析得知，中间跨的弯矩最大，即为应力最大部位，因此施工时应特别注意此位置的加固处理。5）预测地表沉降的差值可能会引起结构构件的破坏，在盾构施工前应根据施工经验，优化选取施工参数，以使盾构施工不影响建筑物的安全。目前对由盾构施工引起的地表不均匀沉降采用二维平面应变分析，具有一定的局限性，没有考虑地基与建筑物基础之间的相互作用，以及建筑物刚度对沉降的约束作用等，因此对这方面的研究还应该继续深入与加强。

参考文献：

［1］韩煊，李宁．J．Ｒ．Standing．Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析［J］．岩土力学，2007（1）：33-34．

论文作者:蒙吉

论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期

论文发表时间:2020/1/18

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