盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究

第29卷第3期岩石力学与工程学报Vol.29No.32010年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，2010收稿日期：2009–08–21；修回日期：2009–11–23基金项目：国家“十一五”科技支撑计划课题(2008BAJ06B01–3)；北京市科技计划课题(D08050603130804)作者简介：贺美德(1980–)，男，2003年毕业于长沙理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事地下工程与隧道方面的研究工作。E-mail：[e-mail]盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究贺美德1，2，刘军3，乐贵平4，王梦恕1，张顶立1(1.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京100044；2.北京市市政工程研究院，北京100037；3.北京市政建设集团有限责任公司，北京100045；4.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京100037)摘要：以北京地铁盾构区间隧道近距离侧穿高层建筑为背景，采用有限元计算和现场监测相结合的方法，对新建隧道施工所引起的邻近高层建筑物的结构沉降、基础倾斜进行深入研究，分析盾构到达建筑物之前、侧穿过程及离开后3个阶段建筑物的沉降、倾斜变化规律。计算结果表明，模型的竖向位移等值线在建筑物附近有一定的突变现象，而在距离建筑物一定的距离范围外，位移等值线又逐渐过渡为平滑曲线。现场实测结果表明，在盾构到达建筑物之前的临近影响区域内，建筑物向远离隧道方向一侧倾斜；盾构侧穿过程中，建筑物向邻近隧道方向一侧发生一定程度的倾斜，直至后期稳定。盾构到达监测断面前10m，测点的上浮量达到了昀大；盾构离开监测断面约60m后，各测点的沉降速率明显减小，并开始趋于稳定。从数值模拟计算结果与现场监测情况来看，两者所反映的规律是相一致的，为今后类似工程提供借鉴。关键词：隧道工程；盾构隧道；高层建筑；侧穿；有限元法；现场监测中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2010)03–0603–06STUDYOFIMPACTOFSHIELDTUNNELINGSIDE-CROSSINGONADJACENTHIGHBUILDINGSHEMeide1，2，LIUJun3，LEGuiping4，WANGMengshu1，ZHANGDingli1(1.TunnelandUndergroundEngineeringResearchCenterofMinistryofEducation，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China；2.BeijingMunicipalEngineeringResearchInstitute，Beijing100037，China；3.BeijingMunicipalEngineeringGroupCo.，Ltd.，Beijing100045，China；4.BeijingMTRConstructionAdministrationCo.，Beijing100037，China)Abstract：BasedonacertainconstructingrunningshieldtunnelofBeijingmetroside-crossingclosetoahigh-risebuilding，usingthefiniteelementmethodcalculationmodelandsitemonitoringmethod，thefoundationcharacteristicsofthehigh-risebuildingaffectedbytheconstructingshieldtunnelarestudied.Indifferentconstructionstages，thevariationsofthefoundationsettlementandinclinationofthehighbuildingareanalyzed.Thesimulationresultsshowthatstratumverticaldisplacementhasasuddenchangenearthehigh-risebuilding.Awayfromthebuildinginanenoughdistance，thedisplacementcurvebecomesflat.Fromsitemonitoringresults，thehigh-risebuildinginclinedtothedirectionawayfromthetunnelpriortotheshieldclosingtothebuilding，whilethebuildinginclinedtowardsthetunnelduringshieldcrossing.Thesettlementsofthemonitoringpointsreachthemaximumvaluewhentheshieldis10.0mawayfromthemonitoringsurface.However，thesettlementsdeclinedsignificantlywhentheshieldismorethan60.0mfromthemonitoringsurface，andfinallybecomesstable.Thesimulationandthesitemonitoringresultsagreewell.Theconclusionwouldbehelpfulforthefuturesimilarshieldtunnelingprojects.Keywords：tunnellingengineering；shieldtunnel；high-risebuilding；side-crossing；finiteelementmethod；sitemonitoring•604•岩石力学与工程学报2010年1引言随着我国城市化进程的不断加快，城市地下工程开发的规模、速度也日益加快，尤其是城市轨道交通的建设对于缓解城市交通压力的作用明显。由于城市轨道交通多处于市区繁华地段，周围建筑物较多，地下管线分布复杂，给施工带来了一定的难度。盾构法以其高效、地层适应性强及对周围地层影响小的优点，在城市地铁工程中得到了广泛应用。盾构法施工过程中，不仅要考虑盾构隧道施工本身的安全，还应考虑到盾构推进过程中对周围环境的影响。盾构推进过程中引起周围地层变形是不可避免的，当地层变形超过一定限度时，将严重危及邻近建筑物、构筑物的安全和正常使用。目前盾构施工对周围环境影响的研究主要集中在盾构掘进对周围土层新建隧道与高层建筑间距变化对其基础沉降的影响研究的扰动分析以及盾构施工引起的地表沉降分析[1～9]，而在盾构法施工对邻近建筑物的影响方面研究较少，且多采用数值计算的方法[10～14]。本文结合盾构隧道侧穿高层建筑的工程实例，采用数值计算分析和现场实测的方法，就盾构推进过程中对邻近高层建筑的影响问题进行了深入分析。2工程概况北京地铁某盾构区间隧道近距离侧穿一高层建筑(见图1)。盾构施工采取先后掘进的方法，左线先行推进，贯通后开始右线掘进。侧穿建筑物高37.40m，长87.61m，宽13.12m。壁板式主体结构，片筏式钢筋混凝土基础，地上12层，地下2层。隧道与建筑物关系剖面如图2所示。图1隧道与建筑物平面示意图Fig.1Planesketchoflocationbetweentunnelsandbuilding图2隧道与建筑物关系剖面图(单位：m)Fig.2Profilesectionoflocationbetweentunnelsandbuilding(unit：m)3数值计算3.1计算参数及假设采用有限元专业软件进行分析，为了尽可能减小边界效应带来的影响，选取的模型范围为：上部至地面，下部取至隧道底部以下30m，水平方向左侧取左线隧道外侧24m，右侧考虑到建筑物的存在取右线隧道外侧42m。模型的地面为自由面，左右两个侧面施加水平约束，底部施加竖向约束。土体采用基于Mohr-Coulomb外接圆的Drucker-Prager弹塑性模型，混凝土结构按弹性材料考虑。土层采用二维实体4节点单元来模拟，管片采用弹性梁单元来模拟；高层建筑采用等效荷载替代的方法，利用4节点实体单元来模拟[15]。根据工程所处的地质条件，土体物理力学参数见表1。隧道管片采用C50，弹性模量取34.50GPa，重度25.0kN/m3，泊松比0.20。表1土体物理力学参数Table1Physico-mechanicalparametersofsoils层号土层名称层厚/m天然重度γ/(kN·m－3)压缩模量ES/MPa泊松比µ黏聚力c/kPa内摩擦角/(°)①杂填土2.416.6––10.08.0③1–③粉土、粉质黏土5.419.39.650.3030.815.7④粉质黏土4.020.17.750.3135.09.0⑥粉质黏土4.419.810.100.2946.015.0⑥2粉土6.020.213.200.3033.028.0⑦1–⑦2粉砂、中砂3.619.935.000.280.032.8⑦圆砾1.421.160.000.250.040.0⑧粉质黏土5.019.711.400.3054.09.0⑨粉细砂1.620.635.000.270.030.0⑩粉质黏土6.219.710.900.2920.020.0N第29卷第3期贺美德，等.盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究•605•3.2计算结果分析针对本工程中隧道走向与建筑物走向基本一致且纵向长度都较长的特点，将三维问题简化为平面应变问题，假设地层为均匀分布，选取隧道与建筑物间距昀小的昀不利断面作为计算剖面，二维有限元模型如图3所示。图3二维有限元模型Fig.3Modeloftwo-dimensionalfiniteelementmethod在隧道开挖前的地层初始竖向位移(见图4)中，包含了土体自重及建筑物荷载共同作用下产生的沉降，可见在隧道施工前由于高层建筑产生的附加荷载使得其所在区域出现了明显的沉降槽。在左线隧道开挖后地层内部的荷载再次释放重新分布，使得在建筑物附近原来的沉降槽向隧道上方地表方向发展，如图5所示。单洞通过后引起的地层昀大竖向位移为－9.82mm，A′侧基础昀大沉降量－1.91mm，A侧基础昀大沉降量－6.21mm。图4隧道开挖前的地层初始竖向位移(单位：m)Fig.4Initialverticaldisplacementsofstratumbeforetunnelsbeingexcavated(unit：m)双洞通过后，地表原有沉降槽继续发生变化，如图6所示。引起的地层昀大竖向位移为－16.19mm，近邻隧道一侧A的基础昀大沉降量－10.75mm，远离隧道一侧A′的基础昀大沉降量－3.27mm。由于两隧道间距非常小，双洞施工引起的地图5单洞开挖后地层竖向位移等值线图(单位：m)Fig.5Contoursofstratumverticaldisplacementaftersingletunnelbeingexcavated(unit：m)图6双洞开挖后地层竖向位移等值线图(单位：m)Fig.6Contoursofstratumverticaldisplacementsaftertunnelsbeingexcavated(unit：m)表移动及变形分布的形态与单洞隧道施工引起的地层位移情况相似，在隧道上方地表的沉降呈现“单峰”形态。此外由于邻近右线隧道一侧高程建筑物的存在，使得这种情况下的小间距隧道施工引起的地表沉降不同于邻近区域无附加荷载存在的情况。从图6的等值线看，隧道上方沉降等值线在建筑物下方也存在，使得该条等值线呈现W型。竖向位移等值线在建筑物附近有一定的突变现象，而在建筑物一定的范围外，位移等值线又逐渐过渡为平滑变化的曲线关系，可见该建筑物在隧道施工的主要影响区域内。4实测分析对建筑物的