摘要：地铁隧道工程的施工将会给周边的建筑物带来一定程度的影响，在分析这类施工影响时，主要考察建筑物沉降和倾斜两种指标。文章以实际地铁工程施工为案例，在研究了施工区域地质条件和建筑物结构参数，通过有限元分析软件搭建了施工模型，进行了结构单元选取和工程基本假设，完成了数值计算分析过程，分析了施工过程中建筑物的基础沉降和倾斜指标，结果表明，该段地铁施工对周边建筑物的影响能够满足安全标准规范的要求。
关键词：地铁施工；扰动；建筑物；影响
ABSTRACT: The construction of the subway tunnel project will bring a certain degree of influence to the surrounding buildings. When analyzing the impact of this type of construction, two indicators of building settlement and tilt are mainly examined. The article takes the actual subway project construction as a case, studies the geological conditions and structural parameters of the building in the construction area, builds a construction model by using finite element analysis software, performs structural unit selection and engineering basic assumptions, completes the numerical calculation analysis process, and analyzes The foundation settlement and inclination indicators of the building during the construction process are shown. The results show that the impact of the subway construction on the surrounding buildings can meet the requirements of the safety standards.
KEY WORDS: subway construction; disturbance; building; influence
1.引言
我国的城镇化进程在加速，城市人口在迅速扩张，面对越来越稀缺的城市土地资源，开发并利用地下空间已成为城镇化进程的大势所趋。地铁工程为城市地下空间的合理利用起到了巨大作用，是解决道路交通拥堵的有效措施。地铁沿线通常在市内繁华区域，附近高楼林立、建筑物密集，地铁施工将引起附近区域地层的移动以及地表下沉，甚至可能造成建筑物的变形或破裂，因此，详细研究地铁施工对周边高层建筑的影响具有重要意义[1]。
2.工程概况
2.1土质结构参数
以重庆地铁某线路的工程施工为例，该地铁隧道的轴线埋深为12m，盾构机身的长度为8.0m，外径尺寸为6.5m，衬砌各环宽度为1m，厚度为0.36m，使用线弹性模量作为混凝土的衬砌结构，施工过程中，衬砌接头可能对衬砌刚度造成一定的影响，为此，对衬砌刚度进行适当的折减，在有限元分析过程中，弹性模量取值25.0GPa，泊松比取值为0.2，施工现场的地下水位取值1.5m。经施工现场实地勘测，该区域附近的土质多为黏土，各层土质参数如表1所示。
表1各层土质参数
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2.2周边建筑物概况
附近某高层建筑为钢混架构，与隧道施工方向平行，其中地下1层（层高为3.0m），地上8层（层高为3.5m），交叉梁基础埋深4.0m，隧道轴线与建筑物基础最近距离为6m，地下部分墙体的厚度为0.25m，框架梁截面的尺寸、板厚度和混凝土参数等信息如表2所示。
表2框架梁截面尺寸、板厚度和混凝土等级
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3.ANSYA模型搭建
由于地铁周边的建筑物已建成，即建筑物以及土体的沉降已完成，因此假定建筑物及土体新的沉降是由于地铁施工过程中土体扰动所致。本文使用ANSYA11.0软件来搭建施工计算模型，该线路地铁隧道三维数值模型如图1所示。
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（a）网格模型 （b）几何模型
图1隧道三维数值模型
3.1结构单元选取
为方便初始应力数据的写入，有效模拟自重情况下的固结沉降，对高阶梁单元以及壳单元加以限定，例如土体、交叉梁的基础限定为实体单元SOLID45，楼板、墙体和初衬限定为壳单元SHELL181，而框架梁、柱限定为梁单元BEAM188。通过接触理论模拟土体、盾构机和衬砌管片间的相互作用，在彼此间可搭设接触单元，通过接触单元TARG170设置常数来区分，使用罚函数进行收敛并控制接触面的刚度，由于实际施工过程中的盾构壳刚度很大，因此本文研究中忽略其产生的形变，将其视作刚性目标面[2-4]。隧道围岩初始结构单元等值线图如图2所示。
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图2隧道围岩初始结构单元等值线图
3.2工程基本假设
假设该段地铁隧道在施工过程中，地下部分结构的墙体和交叉梁基础与周边建筑物基础的土体没有发生相对滑动（接触面），即接触面中的各个节点位移同步，通过这种方式来分析它们之间的作用情况。如果建模初期尚未考虑到填充墙引起的框架结构刚度变化，则依据同类工程的施工经验，可将填充墙和楼面板的实际载荷进行折算，填充墙可折算为10kN/m2，楼面板移动载荷可折算为5kN/m2。鉴于工程实际施工中柱子和基础是固定连接在一起的，且基础使用的是实体单元，而柱子使用的是梁单元，因此需要在基础和柱子的连接位置建立耦合约束方程，以实现弯矩传递并调整位移的目的[5]。
3.3边界条件约定
由沉降槽理论可知，其沉降槽的半宽如下：
A=3.0t，t=h/2πtan(45°-/2) （1）
其中，h代表隧道的埋深，代表土体的内摩擦角，由施工现场地质勘测报告得出，将各层土体进行加权平均后得出估算值，地表沉降槽的半宽B的估算值为18.0m，在隧道的轴线左侧取35m，右侧取55m。通过基础分层的总和法得出基础的沉降如下：
B=HKL/E （2）
其中，H代表土层的厚度，KL代表土层附加应力，E代表土层压缩模量，L代表基底的附加应力，在基础以下约35m土体位置，其附加应力的系数K已变得很小，这种情况下由于土体形变而引起的基础沉降不是很明显，为此，土体的总深度取值40m，这符合工程验算的精度要求[6]。
4.数值计算分析
在本文的研究中地层损失取值为3.0%，且开挖面的支护力取值为0.25MPa，盾构与土体作用产生的摩擦力以及注浆的压力共同平均分布在周边的土体上，通过刚度迁移方法来模拟隧道盾构施工，因此，盾构的掘进过程等效于刚度以及载荷迁移过程，具体模拟过程如下：
首先向土体及建筑物加重，计算出初始的应力数据，然后在初始模型单元中的高斯分点写入初始应力数据，将此应力场作为地铁施工前的原始状态（S0）。随后除去开挖处的土体结构，向开挖面施加重量，同时向盾构壳及外围土体结构施加纵向位移，增加切向的注浆压力，使该区域的接触单元激活，上述过程在盾构机向前推进时进行。施工过程中各载荷步向前推进的距离与建筑物纵向上的柱间距相同，当推进25个载荷步165m时，建筑物沉降形变逐渐变得稳定，达到了本文的试验分析要求。由于在求解过程中模型单元以及节点的数量很多，工程计算量较大，因此，可以适当约束各土体结构的自由度并进行优化，以减少工程计算量[7]。
4.1基础沉降分析
选取建筑物基础边角作为沉降的分析点，且沉降值随盾构掘进而变化，如图1所示。其中第I区域代表隧道未触及的建筑物区域；第II区域代表隧道穿越建筑物的区域；第III区域代表隧道已穿越建筑物区域。A1代表基础与建筑物地下1层轴线的交点，A2代表基础与建筑物首层轴线的交点，同样A3-A9以此类推，建筑物基础沉降数据分析如图3所示。隧道开挖面与建筑物接近时，A1、D1两处基础发生沉降，而A9、D9两处的基础发生轻微的向上移动，由II区数据可知，当盾构不断向前掘进时，A1、D1两处的基础沉降发生明显增加，A9、D9两处在轻微上浮后逐渐下沉，建筑物基础明显的沉降发生在II区，此过程相比于A1、A9则更加明显，当隧道开挖面距建筑物约20m位置时，沉降达到稳定状态[8]。
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图3基础沉降数据分析
4.2建筑物倾斜分析
在分析建筑物倾斜程度时通常用柱子的倾斜位移进行衡量，以柱子的纵向倾斜为例，其最大值发生在开挖面位于中线附近时，而在此后随地铁开挖纵向位移随之减小，通过分析可知，纵向倾斜位移最大值为10.25mm，所对应的倾斜度为2.6‰，低于施工规范标准中3‰的要求。当隧道施工穿过地层时，由于施工区域附近土体受到一定程度的扰动，使得建筑物位于隧道截面方向出现短暂的位移峰值，当沉降逐渐趋于稳定后，绘制出建筑物纵向倾斜位移与掘进长度的关系曲线，如图4所示。
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图4纵向倾斜位移与掘进长度关系
由图4可知，该段地铁在掘进施工过程中，对周边建筑物的扰动影响在安全范围之内，建筑物纵向倾斜位移发生较为显著的变化出现在掘进30-90m长度时，这一过程良好地反映了阶段性的地铁施工中周边建筑的倾斜位移变化关系，为当前安全施工的数据分析提供了良好支撑，并能在一定程度上对下一阶段的地铁施工提供理论指导[9]。
5.结论
重庆地区人口密集，地铁工程的兴建能够在一定程度上缓解当地的交通压力，考虑到地铁施工多位于市区的主干道，且附近建筑物林立，因此，应在施工前结合附近区域的地质结构和建筑物具体情况，对施工方案的可行性进行严格论证，从而降低施工中对周边建筑的各类影响，达到安全施工的目的。本文以重庆某线路的地铁工程为例，通过搭建施工模型深入讨论了地铁施工对周边建筑的沉降和倾斜影响，研究内容具有一定的工程应用价值。
参考文献
[1]重庆市轨道交通总公司，中铁隧道集团二处，重庆交通科研设计院等.重庆轻轨较新线一期工程临江门暗挖车站隧道修建技术[Z]，2004.
[2]重庆交通科研设计院，公路隧道设计规范(JTGD70-2004)[S]，北京：人民交通出版社，2004.
[3]朱汉华，孙红月，杨建辉，公路隧道围岩稳定与支护技术[M]，北京，科学出版社，1998，1.
[4]周倩，暗挖大断面地铁车站侧洞法和洞柱法施工力学转换机理对比研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2008，6.
[5]张晋毅，中洞法开挖的地铁车站二衬结构施工受力分析[D].北京交通大学硕士学位论文，2006，9.
[6]郑北海，地铁车站中洞法施工力学行为的研究[D].北京交通大学硕士学位论文，2008，7.
[7]董惠定，李兆平，北京地铁车站暗挖施工方法比较及评述[J].现代隧道技术，2004，增刊：101-105.
[8]刘彬，北京地铁施工开挖方法总结与分析[J].铁道建筑技术，2010，增刊：8-11.
[9]张建强，特大断面超浅埋立体换乘车站交叉段暗挖施工技术研究[D].北京交通大学硕士论文，2010，7.
论文作者:邹羽
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：建筑物论文; 隧道论文; 地铁论文; 基础论文; 盾构论文; 位移论文; 单元论文; 《基层建设》2019年第30期论文;