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隧道近距离穿越对上部框架结构的影响

摘 要: 利用有限元软件 ABAQUS 建立三维有限元模型,通过变化上部框架结构的层数,柱距,独立基础的埋深,隧道的位置等因素研究隧道开挖对上部框架结构的影响.当隧道中心线与框架结构的纵向柱列平行时,本文研究的所有工况的纵向柱列的相邻柱沉降差及整体倾斜比较接近,即上述因素对纵向柱列的影响很小,但对横向柱列的影响不能忽略; 当上部框架结构为一层时,自重引起的沉降不满足规范要求; 纵向柱列各柱底沿坐标轴 2 方向的最大位移均超过了层间侧移限值; 柱底水平位移会改变柱的受力状态,使一层柱底产生向着隧道中心线方向的弯曲变形,角柱呈双向弯曲变形; 沿坐标轴 1、2 方向相邻柱的最大位移差通常使基础梁被拉长或压短,在基础梁内产生轴向拉力或压力,从而改变基础梁的受力状态; 隧道开挖使柱底沿坐标轴 2 方向往复运动,柱底发生剪切破坏; 增加结构空间刚度对横向柱列的影响明显,而对纵向柱列的影响很小; 隧道开挖使一层柱顶外侧的拉应力进一步增加,角柱拉应力增加量最大.
关键词: 盾构法; 隧道开挖; 上部结构刚度; 框架结构; 柱下独立基础
 
0 引言
  在地铁隧道施工中,经常出现地铁隧道近距离穿越既有建筑物基础的情况. 隧道开挖导致土中应力变化,从而使上部结构产生新的沉降及位移,结构内力增加.
  国内外学者对隧道开挖对上部结构产生哪些不利影响进行了研究.韩煊[1]给出平面扭曲变形的数学定义,对建筑物在地铁隧道施工过程中产生扭曲变形的规律进行了探讨. 王春凯[2]应用有限元软件 Plaxis 研究成都地铁 1 号线穿越条形基础框架结构,分析盾构隧道穿越建筑物引起的地表沉降、建筑物变形、差异沉降及建筑结构内力.贺美德[3]将三维问题简化为平面应变问题,并采用等效荷载替代高层建筑对北京地铁隧道近距离侧穿高层建筑引起的结构沉降、基础倾斜进行研究.许江[4]将三维问题简化为平面应变问题,对地表构筑物作用于地基上的荷载做近似处理,分析了地下隧道围岩与地表构筑物地基中的应力演变规律.李浩[5]利用三维有限元软件 M IDAS/GTS 分析隧道施工对地表位移及邻近框架结构的作用.
  目前研究存在的问题是: 忽略上部结构的刚度,以等效荷载代替上部建筑物的自重,施加在基础表面.Mroueh H.[6]、韩煊[7]指出忽略上部结构刚度的方法得到的结构沉降偏大,是偏于保守的方法. 此外,上部结构空间刚度比较大,将空间问题简化为平面应变问题与实际情况不符.
  本文在文献[8-9]的基础上,考虑了结构的自重,通过变化框架的层数,柱距,独立基础的埋深,隧道的位置及上部结构类型等研究隧道开挖对框架结构的影响. 有限元模拟盾构法隧道施工过程及有限元模型验证详见文献[8-9].
 
1 有限元模型
1. 1 土体及衬砌
      土体、衬砌的材料参数、土层分布同文献[8-9]. 土体的有限元模型见图 1. 土体模型尺寸及边界条件同文献[8-9].


1. 2 上部结构
      上部框架结构横向三跨,柱距 6 m,纵向五跨,柱距4.2 m. 框架结构的层高均为4.2 m. 隧道分别位于框架横向柱列中间跨的正下方及纵向柱列 D1 ~D6 的正下方,见图 2( a) 、( b) . 图 2( c) 上部结构为框架-剪力墙结构. 所有上部结构层高均为4.2 m.


  框架柱截面为 0. 4 m ×0. 4 m,框架梁截面宽0. 3 m,高 0. 55 m. 楼板及屋面板厚均为 0. 12 m.框架及独立基础均采用 C30 混凝土,弹性模量为3 × 104MPa,泊松比为 0. 2. 柱下独立基础面积为2. 4 m × 2. 4 m,厚 0. 9 m.
  隧道中心线位于地面下 - 11. 848 m. 隧道开挖端头井与柱列 A1 ~ D1 的距离为9. 5 m,隧道开挖长度 40 m,见图 2. 土体体积损失率为 6. 15%.
  考虑到柱下独立基础与土体之间的摩擦力提供的承载力很小,本文的模型中柱下独立基础与土体之间采用 tie 的连接方式. 柱底部与柱下独立基础顶面也采用 tie 的连接方式.
 
2 有限元模拟结果
  本文通过变化上部结构类型、独立基础的埋深、框架层数、隧道埋深、隧道位置及横向柱距等研究隧道开挖对上部结构的影响,模拟工况见表1.


2. 1 沉降计算结果
  图 3( a) 为开挖过程中,工况1 纵向柱列 C1 ~C6 的柱底沉降图,柱 C1 ~ C6 的位置见图 2( a) .第十个开挖步引起的柱底沉降变化很小,在此不再给出. 图中的柱底沉降是由隧道开挖引起的,结构自重引起的沉降已被扣除.
  开挖面依次通过柱列 C1 ~ C6,各柱的柱底沉降依次增加; 当开挖面远离柱列C1 ~ C6后,各柱的最终沉降比较接近,在 - 22.8 ~ - 25.6 mm之间. 对于柱 C1,前 4 个开挖步引起的柱底沉降占总沉降的 92%. 对于柱 C6,前 2 个开挖步引起的柱底沉降为零,第 6、7 步柱底沉降增加量较大.
  《建筑地基基础设计规范》GB 50007—2011[10]规定: 对于框架结构的地基变形应由相邻柱基的沉降差控制.相邻柱基的沉降差在中、低压缩性土中为 0.002l,在高压缩性土中为 0.003l,l 为相邻柱基的中心距离; 当建筑高度小于 24 m时,多层及高层建筑的整体倾斜( 倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值) 不超过0.004.
  完成第4 步开挖时,C1 柱底沉降为 -22.82 mm,C6 柱底沉降为 - 3. 29 mm,两者的沉降差最大,为19. 53 mm. 柱 C1 与 C6 之间距离为 21 m,则整体倾斜为 0. 000 93. 柱 C3 与 C4 之间的沉降差最大值为 4. 23 mm.
  图 3( b) 为开挖过程中,工况1 横向柱列 A4 ~D4 的柱底沉降图,柱列 A4 ~ D4 的位置见图 2( a) . 随着开挖面的推进,柱列 A4 ~ D4 的柱底沉降逐渐增加. 在整个开挖过程中横向柱列各柱之间的沉降差较小,第十步开挖后,C4 与 D4 的沉降差最大,为 2. 97 mm.
图 3( c) 为完成第十步开挖后工况 1 框架沉降等值线图,图中将框架变形放大 50 倍. 框架中心部分沉降最大.

      表 1 中所有工况的柱底沉降规律与工况 1 的相似,只是柱底沉降量、相邻柱的沉降差等与工况1 不同,隧道开挖引起的各工况的柱底沉降见表2. 表 2 中沉降量单位是 mm,括号内容代表沉降发生的柱或柱列的编号及开挖步. 距离隧道中心越近,受到隧道开挖的影响越大. 因此,表 2 给出距离隧道较近的纵向柱列 C1 ~ C6 的计算结果,工况 6 给出柱列 D1 ~ D6 的计算结果.


      由表 2 的计算结果可以发现:
      ( 1) 对于表1 中的所有工况,由于隧道开挖引起的纵向柱列 C1 ~ C6 各柱底沉降在22 ~38.17 mm之间. 不同工况结构自重引起的沉降占总沉降的百分比差别较大.
      规范[10]指出: 在必要情况下需要分别预估建筑物在施工期间和使用期间的地基变形值,以便预留建筑物有关部分之间的净空,选择连接方法和施工顺序. 一般多层建筑物在施工期间完成的沉降量,对于中压缩性土可认为已完成 20% ~50% .
      依据各土层的压缩模量 Es及初始孔隙比e0[8-9]得到各 1 ~ 3 层土体的压缩系数 α 分别为0. 64、0. 239、0. 156 MPa-1. 独立基础下受到竖向压应力的影响范围取Zn= b( 2. 5 - 0. 4lnb)[10]≈5. 0 m,其中 b 为独立基础宽度,为 2. 4 m. 按照土层厚度加权平均得到 5 m 范围内土体的压缩系数α 为0. 245 MPa-1,为中压缩性土. 按照文献[10],除工况 2 外,其余工况自重引起的沉降与总沉降比值均满足要求.
      ( 2) 对于表 1 中的所有工况,相邻柱基最大沉降差多发生在第四开挖步,柱 C3 与 C4 之间,最大沉降差一般在 3. 78 ~4. 92 mm 之间. 依据规范[10],相邻柱基的沉降差在中、低压缩性土中为0. 002l,所有工况中最大的沉降差为 4. 92 mm,均小于0.002 ×4.2 m =8.4 mm,满足沉降差的要求.
      ( 3) 按照文献[10]计算,柱列 C1 ~ C6 最大整体倾斜多发生在第四开挖步. 对于表 1 中的所有工况,整体倾斜一般在 0. 000 81 ~ 0. 001 10 范围内,均小于规范的限值 0. 004.
      ( 4) 当上部结构为刚度较大的框架-剪力墙结构时横向柱列的相邻柱的沉降差最小,为 0. 21 mm;工况 2( 上部为 1 层框架) 结构刚度较小,横向柱列相邻柱的沉降差较大,为 7. 02 mm. 工况 6 完成第九步开挖时横向柱列 C4 与D4 之间的沉降差为10. 98 mm,接近于文献[10]限值: 0. 002 × 6 m =12 mm. 隧道开挖在土体形成沉降槽[11],工况 6 柱D4 位于隧道正上方,即沉降槽中心处,柱 C4 距离沉降槽中心 6 m,导致土体沉降对这两根柱底沉降的影响差别较大.
2. 2 位移计算结果
      图4( a) 为开挖过程中,工况 1 纵向柱列 C1 ~C6 柱底沿坐标轴 2 方向的位移. 隧道开挖面未经过柱所在位置时,土体开挖,土中应力卸荷会引起柱产生与坐标轴 2 方向( 见图 2) 相反的位移; 当开挖面通过柱所在的位置后,随后盾构刀盘的推进力会带动柱产生沿坐标轴 2 方向的位移. 因此,盾构推进过程中,各柱在原有位置沿坐标轴 2方向摆动. 对于工况 1,完成第一开挖步时 C1 柱底沿坐标轴 2 方向的位移为 - 5. 68 mm,完成第二个开挖步后柱底沿坐标轴 2 方向的位移逐渐减小,最终位移为 2. 34 mm,10 个开挖步中往复总位移为 19. 84 mm.


      对于工况 1,完成第四开挖步时柱 C1 与 C2沿坐标轴 2 方向的位移差最大,为 3. 9 mm; 第七步开挖后柱 C6 沿坐标轴 2 方向的位移最大,为11. 12 mm.
      图 4( b) 为工况 1 中 C4、D4 柱底沿坐标轴 1方向( 见图 2) 的位移,由于柱列 A4 ~ D4 沿坐标轴1 方向的位移关于隧道中心对称,不再给出A4、B4 的位移. 开挖使隧道上方土体侧向压力减小,柱向隧道方向的移动. 随着开挖面推进,C4、D4 柱底沿坐标轴 1 方向的位移增加,完成十步开挖后C4 与 D4 之间的位移差为 2. 81 mm,柱 D4 沿坐标轴 1 方向的位移最大,为 7. 73 mm.
      表 1 中所有工况的柱底位移变化规律与工况1 的相似,表 3 给出各种工况柱底沿坐标轴 1、2的相邻柱的最大位移差、最大位移及沿坐标轴 2方向的往复总位移.
目      前关于框架结构柱底的水平位移的限值还没有具体规定,柱底的水平位移会改变柱的受力状态,使一层柱底产生向着隧道中心线方向的弯曲变形,角柱呈双向弯曲变形,见图 3( c) . 因此,隧道开挖引起的柱底的水平位移不能忽略.
      《高层建筑混凝土技术规程》JGJ 3—2010[12]规定: 当高度不大于 150 m 的高层建筑,对于框架结构,其楼层层间最大位移与层高之比 Δu/h 不宜大于 1/550. 本文模型中,框架结构层高 4. 2 m,依据文献[12]对层间最大位移的限制得到: Δu/h ≤1 /550,则 Δu 为 7. 64 mm. 表 3 表明: 表 1 的所有工况柱底沿坐标轴 2 方向的最大位移均超过了文献[12]限值; 工况 1、3、5、6 沿坐标轴 1 方向的最大位移也超过了文献[12]限值.
      沿坐标轴 1、2 方向相邻柱的最大位移差通常会使基础梁被拉长或压短,在基础梁内产生轴向拉力或压力,从而改变基础梁的受力状态. 隧道开挖使柱底沿坐标轴 2 方向往复运动,使柱发生剪切破坏. 工况 3 沿坐标轴 2 方向的往复总位移最大,为 22. 88 mm.


2. 3 应力计算结果
       图 5 为完成第十步开挖后,工况 1 框架拉应力等值线图,图中黑色部分为拉应力大于混凝土抗拉强度 1. 43 MPa 的区域. 框架应力由自重及隧道开挖共同引起,其中隧道开挖主要引起一层柱柱顶外侧( 远离隧道中心) 混凝土的拉应力进一步增加. 对于工况 1,柱中最大拉应力位于底层四个角柱 A1、D1、A6、D6 的柱顶外侧,为12. 55 MPa,隧道开挖引起框架柱拉应力增量为 5. 4 MPa. 其余工况框架最大拉应力、增量及发生的位置见表 4. 隧道开挖使一层柱顶外侧的拉应力进一步增加,角柱拉应力增加量最大.
 


      《既有建筑地基基础加固技术规范》[13]规定当地下工程施工对既有建筑造成的影响比较轻微时,可采用加强既有建筑刚度和强度的方法. 本文工况 7 是框架 - 剪力墙结构,与工况 1 中,结构的刚度明显增加,但从本文的有限元分析结果表明,增加结构空间刚度对减小横向柱列相邻柱的沉降差及沿坐标轴 1 方向的相邻柱的位移差的效果明显,而对纵向柱列的影响很小.
 
3 结论
      本文研究8 种工况下隧道开挖引起的框架结构的沉降、位移及内力. 当隧道中心线与框架结构的纵向柱列平行时,对于本文研究的工况得到如下结论:
      ( 1) 隧道开挖引起的纵向柱列的相邻柱的沉降差及整体倾斜比较接近,且均满足《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011 要求,即上部结构刚度、基础的埋深、框架的层数、隧道埋深、隧道位置及横向柱距等因素对纵向柱列的影响很小; 隧道开挖引起的横向柱列的相邻柱的沉降差均满足规范要求,但不同工况差别较大;
      ( 2) 当上部框架结构仅为一层,结构自重较小,自重引起的沉降占总沉降百分比不满足《建筑地基基础设计规范》GB 50007—2011 要求;
      ( 3) 纵向柱列各柱沿坐标轴2 方向的最大位移均超过《高层建筑混凝土技术规程》JGJ 3—2010 关于层间侧移的限值; 工况 1、3、5、6 沿坐标轴 1 方向的最大位移也超过了规程的限值. 柱底的水平位移会改变柱的受力状态,使一层柱底产生向着隧道中心线方向的弯曲变形,角柱呈双向弯曲变形;
      ( 4) 沿坐标轴 1、2 方向相邻柱的最大位移差通常会使基础梁被拉长或压短,在基础梁内产生轴向拉力或压力,从而改变基础梁的受力状态. 隧道开挖使柱底沿坐标轴 2 方向往复运动,柱发生剪切破坏;
      ( 5) 增加结构空间刚度对横向柱列相邻柱的沉降及位移的影响明显,而对纵向柱列的沉降及位移差的影响很小;
      ( 6) 隧道开挖使一层柱顶外侧的拉应力进一步增加,角柱拉应力增加量最大.
 
参考文献:
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( 文章来源:互联网 )

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