（岩土工程专业论文）盾构近距离穿越危房的微扰动控制技术研究.pdf

摘要 摘要 盾构在软土地层中穿越对变形极为敏感的建筑物，如严重倾斜的危旧房屋， 施工不当很可能会对建筑物造成破坏性的影响，施工风险较大。本文结合上海 地铁建设的工程实例，采用理论计算、实测分析两种方法，对盾构近距离穿越 危房的地层位移场和房屋沉降的特性及其影响因素、房屋安全分析方法进行了 分析研究，并对盾构在高灵敏度软土地层中近距离穿越危房的微扰动控制方法 进行了总结。 ( 1 ) 采用三维有限元数值模拟方法，分析了在正面压力和地层损失作用 下地层位移场和房屋沉降的特性，以及盾构掘进过程中动态位移场的变化规律， 并对影响位移场的相关因素进行了分析研究。通过修正p e c k 公式来近似地描述 了存在房屋时的地表沉降分布。 ( 2 ) 根据房屋基础沉降的分析结果，对砌体结构房屋的安全性进行了分 析，包括整体倾斜与不均匀沉降对纵横墙的影响。针对差异沉降对砌体结构墙 体的影响，本文把墙体不均匀沉降简化为四种模式，分析了四种沉降模式下墙 体裂缝随差异沉降增长的变化过程。最后，根据地层位移场与房屋安全分析结 果提出了地层损失的控制目标。 ( 3 ) 结合理论计算结果，对盾构穿越危房的微扰动控制方法进行了分析 总结。 ( 4 ) 对工程实例的实测数据进行了分析。综合地表沉降、地层扰动、房 屋沉降和施工参数的实测数据分析结果，着重总结了地层位移场和房屋沉降的 变化规律以及施工参数控制方法，验证了理论计算与微扰动控制的正确性。 本文的研究结果表明，盾构穿越危房的地层位移场、房屋沉降以及施工参 数控制具有较强的特殊性，地层和房屋的变形对施工参数的反应均较为敏感。 因此，在高灵敏度软土地层中穿越危房时，盾构各施工参数的设定及其匹配必 须进行精细化的控制，实现微扰动施工。 关键词：盾构，近距离穿越，危房，地层位移场，安全分析，微扰动控制，数 值模拟，实测分析 摘要 a b s t r a c t t h e r ei sh i g l lr i s ko fs h i e l dt u n n e l i n gi ns o f ts o i lw h e nc r o s s i n gb u i l d i n g st h a ta le s e n s i t i v et od e f o r m a t i o n , s u c ha sb a d l yi n c l i n e dd i l a p i d a t e db u i l d i n g s b a s e do nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fr a i lt r a n s m i tc o n s t r u c t i o ni ns h a n g h a i ，i nt h i sp a p e r ，i tw a s s t u d i e dt h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dd i s p l a c e m e n ta n db u i l d i n gs e t t l e m e n ta n di t s i n f l u e n c ef a c t o r s ，a sw e l la st h em e t h o do fb u i l d i n gs e c u r i t ya n a l y s i sw h e ns h i e l d c r o s s i n gd i l a p i d a t e db u i l d i n g s f i n a l l y , s m a l ld i s t u r b a n c ec o n t r o lm e t h o df o rs h i e l d c r o s s i n gd i l a p i d a t e db u i l d i n g sw a ss u m m a r i z e d ( 1 ) b yt h r e e - d i m e n s i o n a l n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , i tw a sa n a l y z e d t h a tt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dd i s p l a c e m e n tf i e l da n db u i l d i n gs e t t l e m e n tc a u s e db yl 臣o n t p r e s s u r ea n ds t r a t u ml o s s ，a sw e l la st h er e g u l a r i t yo ft h ea l t e r a t i o no fd y n a m i c g r o u n dd i s p l a c e m e n tf i e l d i na d d i t i o n ，t h ef a c t o r si nd i s p l a c e m e n tf i e l dw e r es t u d i e d i na d d i t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h eg r o u n dd i s p l a c e m e n tc a u s e db ys h i e l dt u n n e l i n g w i t hg r o u n db u i l d i n g sw a sd e s c r i b e dw i t ht h em o d i f i e dp e e kf o r m u l a ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l to ft h eb u i l d i n gf o u n d a t i o ns e t t l e m e n t , t h e b u i l d i n gs e c u r i t ya n a l y s i sf o rm a s o r t r ys t r u c t u r ew a sd o n e ，i n c l u d i n gt h ee f f e c to f i n c l i n a t i o na n dn o n u n i f o r ms e t t l e m e n to nl o n g i t u d i n a lw a l la n dc r o s sw a l l ( b e a r i n g w a l l ) f o rt h ee f f e c to fn o n - u n i f o r ms e t t l e m e n to nm a s o n r yw a l l ，f o u rk i n d so f s e t t l e m e n tm o d e l sw e r ep r e s e n t e d ，a n db a s e do nt h a t ，t h ed e v e l o p m e n to fw a l lc r a c k w a sa n a l y z e d f i n a l l y , c o n t r o lt a r g e to fs t r a t u ml o s sw a ss e t a c c o r d i n gt ot h e p r e d i c t i o no ft h eg r o u n dd i s p l a c e m e n tf i e l da n db u i l d i n gs e c u r i t ys i t u a t i o n ( 3 ) w i t ht h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s m a l ld i s t u r b a n c ec o n t r o lm e t h o d f o rs h i e l dc r o s s i n gd i l a p i d a t e db u i l d i n g sw a sp r e s e n t e d ( 4 ) t h em e a s u r e dd a t af r o me n g i n e e r i n gp r a c t i c ew a sa n a l y z e d i n t e g r a t i n gt h e m e a s u r e dd a t ao fg r o u n ds e t t l e m e n t ，d i s t u r b a n c eo ns t r a t u m ，b u i l d i n gs e t t l e m e n ta n d c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s ，t h er e g u l a r i t yo fg r o u n dd i s p l a c e m e n tf i l e da n db u i l d i n g s e t t l e m e n tw a se m p h a t i c a l l ya n a l y z e d ，w h i c hv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l ta n ds m a l ld i s t u r b a n c ec o n t r 0 1 摘要 t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ri n d i c a t et h a t ，t h e r ea rep a r t i c u l a r i t i e so ft h e d i s p l a c e m e n tf i e l da n dt h ec o n s t r u c t i o nc o n t r o lw h e ns h i e l dt u n n e l i n gc r o s s i n g d i l a p i d a t e db u i l d i n g s a n dt h ed e f o r m a t i o no fg r o u n da n db u i l d i n gi ss e n s i t i v et ot h e c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s a sar e s u l t ，f o rs h i e l d t u n n e l i n gi n s o f ts o i la c r o s s d i l a p i d a t e db u i l d i n g s ，i t sn e c e s s a r yt oe l a b o r a t e l yc o n t r o lt h es h i e l dc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r si no r d e rt or e a c ht h es m a l ld i s t u r b a n c ec o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s h i e l d ，s h o r t - d i s t a n c ec o n s t r u c t i o n , d i l a p i d a t e db u i l d i n g ，g r o u n d d i s p l a c e m e n t ，s e c u r i t ya n a l y s i s ，s m a l ld i s t u r b a n c ec o n t r o l ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，d a t aa n a l y s i s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 仫，沁踢 陷，沁约 卅年3 月7 莎e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 坳鸺 秒钐年弓月“日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 在轨道交通建设过程中，出现了越来越多的盾构穿越地面建筑的工程，地 铁盾构穿越城市密集区的机会和范围越来越大，且沿线一般存在大量地下城市 生命线工程和地上敏感建( 构) 筑物，盾构就不可避免地需要从其下部和旁侧 近距离穿越。 目前，盾构法施工已经积累了相当丰富的经验，在通常情况下已经能够较 好地预测并控制盾构推进对周围环境所造成的影响。但是，在高灵敏度软土地 层中的盾构施工对土体产生的扰动，会造成较大的地层移动，引起建筑物基础 的不均匀沉降及上部结构的附加变形，可能导致建筑物开裂甚至破坏、倒塌。 尤其是穿越对变形极为敏感的建筑物，如严重倾斜的危旧房屋，施工不当很可 能会对建筑物造成破坏性的影响，施工风险较大。因此，为保护工程周边临近 房屋的安全，在盾构穿越过程中，施工参数的控制必须精益求精，严格管理， 实现真正意义上的微扰动控制；在盾构穿过后，则须通过有效的注浆措施，控 制房屋的工后沉降。 众多的盾构近距离穿越地面建筑工程不仅对施工技术提出了非常严格的要 求，也带来了相当高的相关保护措施费用，增加了地铁建设的成本。目前，针 对在软土中盾构近距离穿越地面建筑物，尤其是对变形极为敏感的危房等情况， 所做的研究还很少。因此，对该特殊情况进行深入而细致的研究，显得非常必 要和紧迫，对于我国的地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的现 实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 盾构穿越房屋的影响分析和施工控制 大琢将夫等( 1 9 8 9 ) n 3 对“竹冢雨水干线二号工程”地层和房屋建筑随盾 第1 章绪论 构推进的动态变化情况进行了实地监测，对盾构开挖所引起的地层沉降和随之 而来的地表建筑物的损坏等情况的试验研究和调查分析进行了较详细的阐述， 其结果表明地层下沉量与地层状况、覆盖层厚度、盾构结构、施工条件、盾尾 空隙、回填注浆等密切相关。 王占生等( 2 0 0 2 ) 心1 讨论了盾构施工对周围建筑物的安全影响，分析了盾构 通过建筑物时的组织方法，论述了盾构施工影响区域的划分和对建筑物影响进 行预测的手段，提出了盾构通过建筑物时的施工控制参数和常见的工程处理措 施，就盾构施工引起的建筑物安全问题及其应对措施进行了论述和总结。 李永靖等( 2 0 0 6 ) 口1 结合某地铁开发建设项目，采用a d l n a 有限元结构分析 程序，分析了地铁开挖引起地表变形的特征和规律，得到了地铁及建筑物基础 围岩的应力与位移变化规律，探讨了地表变形对建筑物的影响。 衡朝阳等( 2 0 0 6 ) h 1 结合北京地铁十号线工程实例，阐述了对相邻建筑物的工 程评价方法，提出了该段地铁隧道周边建筑物地基基础变形控制标准。 胡新朋等( 2 0 0 6 ) 啼1 针对盾构施工穿越城市内河、下穿既有隧道以及湖底施 工、下穿古城墙等工程实例进行分析，提出了针对类似情况的应对技术措施。 李国成等( 2 0 0 7 ) 阳1 采用数值模拟方法，利用有限元软件，通过简化分析和 假定建立数值分析模型，分析武汉长江隧道施工对周围建筑的影响。得到的结 论认为差异沉降是建筑应力分布及应力最大值的主要影响因素，差异沉降值的 大小对应力分布及应力最大值的大小影响显著。 骆建军等( 2 0 0 7 ) 口3 针对地铁施工对邻近建筑物的安全影响，提出安全管理 的程序、方法和内容以及建筑物的一般保护措施。 张晓春等( 2 0 0 7 ) 阳1 引入等代层的概念，并将扰动区土体处理为粘弹性介质， 采用数值模拟的方法分析了盾构隧道施工后对邻近建筑物桩基的时间相关性影 响。建立了隧道和邻近建筑及其桩基的力学计算模型，通过对特征时刻的桩基 水平位移值的研究，分析了既有隧道和邻近建筑各计算参数对桩基的影响。研 究表明，盾构隧道对邻近建筑物及桩基的影响是时间相关的，隧道在开挖后一 段时间内对周边建筑及桩基产生影响，其影响时间的长短与周边土体的粘弹性 性质以及隧道和邻近建筑的参数有关。 2 第1 章绪论 1 2 2 建筑物破坏风险评估 针对地下工程施工引起的建筑物破坏风险评估，国内外学者做了大量的工 作。 杨国伟( 2 0 0 1 ) 阳1 对承重墙和框架在基坑开挖引起的差异沉降下的附加内力 分布进行了研究，给出了在已知地表沉降形态时分析建筑物破坏的一般方法及 安全性判定方法，对不同的墙体沉降模式，分析了基坑沉降影响区内墙体的长 高比i h ，弯曲与剪切模量等的影响，分析了框架沉降的位置、层数、相邻跨、 次梁、楼板刚度等的影响，给出了各种类型建筑物的容许差异沉降控制标准。 国家煤炭工业局制定的建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程n 们给出了矿山开采塌陷引起的建筑物损坏判定等级以及依据地表的移动 变形值给出的砖混结构建筑物( 单体长度小于2 0 m ) 的损坏等级划分依据。 j b b u r l a n d ( 2 0 0 2 ) n 在评估伦敦地铁j u b i l e e 线延伸段隧道开挖引起的建 筑物破坏时，把建筑物破坏的风险评估分初步评估、二次评估和详细评估三阶 段进行。该方法采用“绿地”假设，不考虑建筑物的刚度影响，把建筑物假设为简 支梁，并假定基础随地基移动，通过计算最大拉应变来确定潜在的破坏种类和 风险级别，并通过详细评估，对风险级别较高的建筑物考虑采取保护措施。 r j f i n n o ( 2 0 0 5 ) n 2 1 提出了分层梁模型，假设楼板限制弯曲变形，承重墙 限制剪切变形，通过计算等效剪切刚度，进而计算最大弯曲应变和剪切应变， 并同规范临界应变值进行比较，判断是否产生裂缝并评定破坏风险等级。 m o o r a ks o n ( 2 0 0 5 ) n 3 1 提出了四阶段方法来评估开挖造成的建造物破坏，该 方法假设结构移动同地表自由移动保持一致，并考虑建筑物开口以及土和结构 的相对刚度的影响，通过计算角变位和水平应变来确定结构的破坏风险等级。 边亦海( 2 0 0 6 ) n 钔等采用直观并且物理意义明确的裂缝宽度来评价深基坑 开挖引起的建筑物潜在破坏风险，并以砖混结构为例，给出了整个风险评估过 程，最后结合实例进行了分析。 目前，国内外在地铁施工对建筑物的影响评估方面已有不少文献资料，但 大多数文献对地铁施工对建筑物的影响以及对建筑物采取的保护措施进行的描 述，都是以个案的形式出现，较少系统地介绍建筑物的安全分析方法。并且， 对于建筑物在地铁施工过程中到底还能承受多大的剩余变形，基本上都没有涉 及。特别是针对不同结构形式，在隧道开挖过程中及开挖完成后结构具体会产 第1 章绪论 生多大的裂缝、变形；建筑物在水平方向的不同位置、在垂直方向的不同高度 上，结构的内力为多大、其分布规律如何等的研究还很少。 基于工程实践，相关标准和文献提出了地层位移对砌体房屋的破坏准则和 控制标准。文献 1 9 提出了关于砌体结构的控制标准：对于砌体承重结构应有 局部倾斜控制，对于框架结构和单层排架结构应有相邻柱基的沉降差控制，对 于多层或高层建筑或高耸结构应有倾斜值控制( 见表1 1 ) ；必要时还应控制平 均沉降量，对于体型简单的高层建筑基础的平均沉降量的限制为2 0 0 r a m 。 表1 1 多层和高层建筑物的整体倾斜允许值n 9 1 i 建筑物高h 。( m )h 9 4 2 42 4 一 4 1 1 5 0 安全极限 文献 2 1 提出了地表倾斜、曲率和水平变形引起的砖石建筑物的破坏等级， 如表1 3 所示。 表1 3 砖石结构建筑物破坏等级心u 地表变形值 破坏等级建筑物可能达到的破坏等级 倾斜 曲率水平变形 ( m m m )( 1 0 - 3 m )( r a m m ) 墙体不出现或仅出现少量小于4 m m 的细 i 3 o0 22 o 微裂缝 墙体出现4 m m 1 5 m m 的裂缝，门窗略有 6 00 44 0 歪斜，墙皮局部脱落，梁支撑处稍有异样 4 第1 章绪论 墙壁出现1 6 m m 3 0 m m 的裂缝，门窗严 l o o0 66 0 重变形，墙体倾斜，梁头有抽动迹象 墙身严重倾斜、错动，外鼓或内凹，粱头 1 0 0 o 6 6 6 o 抽动较大，屋顶、墙身挤坏，有倒塌危险 文献 2 2 以差异沉降和最大沉降量作为指标，提出了盾构施工产生的地表 沉降对地面建筑物影响程度取值，见表1 4 。 表1 4 地面建筑物影响程度取值幢2 1 最人沉降 建筑结构类型沉降差极值建筑物状态评价 ( m m ) 破坏程度极其轻微，只有很细的裂 小于1 1 0 0 0小于2 0缝，估计裂缝宽度为l m m ，无建筑 破坏 破坏程度轻微，有易填充的裂缝， 一般砖墙承重结l 1 0 0 0 1 3 0 0 2 0 6 7 有建筑破损，出现明显集中裂缝， 构，包括内有框裂隙为3 6 m m 架的结构破坏程度中等，有功能破损，不便 1 3 0 0 1 1 5 06 7 1 3 3 居住，门窗压碎，设施破坏，裂隙 达1 3 2 5 m m 分割墙及承重墙发生相当多裂缝， 小于1 1 5 0大于1 3 3 可能发生结构破坏 小于1 5 0 0小于5 0无裂缝 1 5 0 0 1 3 0 05 0 8 3 开始出现裂缝 充填式框架结构 1 3 0 0 1 1 5 08 3 1 6 7 有结构破坏可能 小于1 1 5 0大于1 6 7发生严重变形，有结构破坏危险 小于l 2 5 0小于1 0 0无裂缝产生 开间式框架结构1 2 5 0 1 15 0 1 0 0 2 0 0 有结构破损可能 小于1 1 5 0 有结构破损危险 高层刚性建筑大于1 2 5 0可观察到建筑物倾斜 有桥式行车的单 桥架式行车运行困难，不调整轨面 层排架结构的厂 大于1 3 0 0 水平难运行，隔墙有裂缝 房 有斜撑的框架结 大于1 6 0 0处于安全极限状态 构 一般对沉降差反 大于1 8 5 0 机械使用可能困难，处于可运行的 应敏感的基础极限状态 对于差异沉降作用下砌体的应力状态，以往是将墙体视为地基上的深梁，用 经典力学方法分析。这一模型的缺陷是显而易见的：它无法有效模拟基底土的 5 第1 章绪论 边界条件，难以考虑门窗洞口的影响，不能将基础和墙体作为一体考虑二者的 相互作用，因而不能对其做出符合实际的量化分析。 随着计算机技术的发展，数值分析方法为我们提供了解决这类复杂问题的 有效手段。但由于砌体结构非线性有限元模拟的复杂性，目前在模型选取、材 料本构、参数确定、迭代算法、收敛准则等有限元分析的关键问题方面尚未总 结出一般性的规律和结论可供参考。 1 2 3 微扰动施工控制 刘建航院士于上世纪9 0 年代初根据基坑工程的长期施工实践，提出了著名 的控制基坑变形的时空效应法，又根据盾构近距离穿越施工实践，于2 0 0 5 年提 出了“慢速均匀 的控制原则，起到了显著的控制效果。在此基础上，同济大 学廖少明等( 2 0 0 5 ) 根据上海大量近距离施工控制案例及室内外实验、理论分 析，进一步提出了软土地层微扰动施工力学与工法，对小变形区间微扰动条件 下的土的特殊性进行了深入研究，该成果尽管建立在盾构工法基础上，但对于 现行各类工法的研究具有借鉴意义。 1 3 本文研究的工程背景 上海市轨道交通某区间隧道上行线盾构从工作井出洞推进3 0 米后，穿越一 幢倾斜民房，且在倾斜方向一侧穿越，穿越距离约为8 0 米。在穿越范围内，隧 道埋深为9 2 - 9 7 m 。上下行线隧道与倾斜房屋的相对位置关系如图1 1 、图1 2 所示。采用的盾构为土压平衡盾构。 图1 1 隧道与危房相对位置平面图 6 第1 章绪论 下行线上行线 图1 2 隧道与危房相对位置剖面图 房屋建于1 9 6 0 年，砖混结构，楼板为预制混凝土空心板，基础为钢筋混凝 土条形基础。根据房屋检测评估报告，该房屋已经整体向北侧倾斜，平均倾斜 率为1 5 ，最大倾斜率为1 7 ，如图1 3 所示。该房屋总体上已进入明显老化期， 结构较为薄弱、整体性有所欠缺，存在安全隐患。 1 7 1 4 1 7 1 4 7 5 图l - 3 房屋顶部角点倾斜翠 盾构在房屋下穿越的土层为淤泥质粘土层、卜1 粘土层，见图1 4 。该 土层为高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的 灵敏度和触变特性，极易在动力作用下发生土体结构破坏，土体强度骤然降低。 各土层的力学参数见表1 5 。另据岩土勘查报告显示，此房屋恰好位于古河道分 布区与正常地层分布区的分界区域，南北两侧土质不均( 见图1 1 ) 。 7 第1 章绪论 国rf “ y t0 r q 咖2 i 1 ， ，1r f 。一 ， 熊够 。 、 夕 心、 ， 。 ： 7 髯毕二 z = ，_ 产一 ? o f - _ 1 _ i 2 粕l l o i 钐 艺! ：j 7 了二一 7 7 一 7 。 p 彳9 l i；“ 凯? z 乒鱼苎7 户一 oc 2 ，i 。” ，7 r 并主 画 ， ，。公 0 1 q 0 0 5 0 厂 。k 、o 7 7 。7 0 4 08 01 2 01 6 0 图2 1 8 附加地层损失比随自重的变化 由上图可见，当房屋荷载较小( 小于6 0 k p a ) 时，房屋引起的a v 很小；随 着房屋荷载的增加，a v 开始显著增长；当房屋荷载达到一定程度时，a v 趋于 第2 章盾构穿越房屋的位移场分析 稳定。 2 4 4 隧道埋深的影响 其他条件不变，仅改变隧道顶部埋深h ，不同隧道埋深的地表沉降曲线如图 2 1 9 所示。由图可见，随着隧道埋深的增加，房屋沉降量越来越小。 到隧道中心的水平距离( 卫) 图2 1 9 隧道顶部埋深对地表沉降分布的影响 附加地层损失与无房屋时地层损失的比值a v v 随隧道埋深h 的变化曲线 如图2 2 0 所示。可见总体趋势上，附加地层损失随着隧道埋深增加而减少。但 在一定埋深处，附加地层损失v 会出现一个峰值。 o 2 o 1 5 岁 0 1 司 0 0 5 0 ，卢、 、 51 01 5 h ( m ) 图2 2 0 附加地层损失比随隧道顶部埋深的变化 第2 章盾构穿越房屋的位移场分析 2 4 5 房屋与隧道水平距离的影响 其他条件不变，仅改变房屋与隧道的水平距离x ，不同水平距离下的地表沉 降曲线如图2 2 l 所示。由图可见，由于基础较短( l = 1 l m ) ，相对刚度较大，基 础沉降呈现出刚性特征。相对于地表无房屋的情况，房屋位于不同位置都引起 了一定的附加地层损失a v 。 到隧道中心的水平距离( m ) 图2 2 1 房屋与隧道水平距离对地表沉降分布的影响 附加地层损失与无房屋时地层损失的比值v 随水平距离x 的变化曲线 如图2 2 2 所示。房屋位于隧道斜上方( x o ) 时，引起的附加地层损失达到最 大，这说明在相同条件下穿越地面房屋，当房屋位于隧道斜上方时是最不利的。 0 2 0 1 5 ；0 1 司 0 0 5 0 尹 、 卜、 畸 x ( m ) 图2 2 2附加地层损失比随隧道与房屋水平距离的变化 第2 章盾构穿越房屋的位移场分析 由图2 2 1 可见，随着房屋位置的不同，房屋角点位置的沉降大小也随之变 化。不同位置的房屋角点附加沉降( 房屋角点沉降与无房屋时该位置的地表沉 降差) ，与角点到隧道中心的距离的关系如图2 2 3 所示。采用p e c k 公式对其进 行拟合，可以发现房屋角点的附加沉降近似符合正态分布曲线。 到隧道中心的水平距离( ) v 1 j南 _ - 一 04 0 j j ji y i 1 脊。i o i s 一- 、j7 7 一 、 一i i 久 房屋角点附加沉降 。o 一 一p e e k 公式拟合曲线 鹕一算。；- ii 。、2 丌x l 图2 2 3 房屋角点附加沉降分布及其拟合 2 5 地表沉降模式 前文地层位移场分析的结果表明，盾构穿越房屋时的地表沉降分布与无房 屋时的情况存在着明显的区别。区别主要在于：房屋存在增加了地层损失；房 屋产生的附加地层损失主要分布在房屋下方。若用工程界常用的p e c k 公式来预 测该工况下的地表沉降分布，将会与实际情况不符。因此，有必要通过修正p e c k 来描述盾构穿越房屋时的地表沉降分布。 对p e c k 公式的修正有以下3 点： ( 1 ) 房屋的存在增加了地层损失，地表任意点的沉降为p e c k 公式计算值 与附加地层损失引起的沉降值的叠加( 见图2 2 4 ) 。 用公式表达为： v = v o + a v ( 2 1 ) 式中：z o 为无房屋时的地层损失量，a v 为房屋引起的附加地层损失，v 为 第2 章盾构穿越房屋的位移场分析 有房屋时的地层损失量。 相应的地表沉降量为： s = s o + a s ( 2 2 ) 式中：瓯为无房屋时的地表沉降量，p e c k 公式计算，& = 击p 丢， i = r x ( 三) n 8 ：丛为房屋引起的附加地表沉降量，s 有房屋时的地层地表沉降 、2 r 量。 ( a ) 地层损失 0 o ( b ) 地层损失z o 0 图2 2 4 存在房屋时的地表沉降模式 第2 章盾构穿越房屋的位移场分析 ( 2 ) 房屋正f 万地表的附加沉降服从正态分布( 见图2 2 3 ) 。该止态分布 关于隧道中心对称，如图2 2 5 所示。用p e c k 表达为： 心，：1 坚p 丢 ( 2 3 ) 坶2 荔暑矿产 q ” 其中：0 取决于地层条件、施工条件、房屋荷载等因素。 由上式可得房屋基础角点a 、b 的附加沉降为： a s ：型l e 善a2 蒜矿r as：尘土e蔷b 2 赢暑矿r o 图2 2 5 房屋引起的附加地表沉降( 丛) ( 3 ) 房屋两边地表的附加沉降也分别服从正态分布规律， 布分别关于房屋两角点a 、b 对称，如图2 2 5 所示。表达式为： 一! ! ：当 蝇= 丛p 2 2 ( x x b ) 2 怂r = 岱8 x e 2 i ? 这两个正态分 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中：、为房屋引起的附加沉降对左右侧地表的影响宽度系数，与土层 第2 章盾构穿越房屋的位移场分析 状态、施工扰动程度有关。当房屋角点下的土体达到塑性状态破坏时，此时的 影响宽度将会很小。 综上，盾构穿越房屋的横向地表沉降分布可用分段函数来表示： s = 瓯+ 丛= 志孑砉+ 瓦a v i - 丘- e 一2 i 1 2 ，石 _ 2 万i “ 老p 耶嘲 汜6 ， 告i 事等彬x 2 万i 。 式中：、需要根据工程实际确定。 2 6 本章小结 本章采用三维有限元数值模拟的方法，分析了存在地面建筑物时，不同的 盾尾地层损失引起的地层位移场的分布特征，以及盾构掘进过程中动态位移场 的变化规律。 ( 1 ) 房屋基础相对于自然地表发生了较大的沉降，同时引起基础侧边一定 范围内的地表发生微小隆起，对于其他的自然地表影响较小。在同样的施工条 件作用下，房屋的存在增大了地层损失，可用附加地层损失a v 来表示房屋对地 层损失的影响程度。这种情况下的地表沉降分布可用p e c k 修正公式来表示( 见 式( 2 6 ) ) 。 ( 2 ) 盾构穿越过程中，随着盾构的前进，地层位移场也将随之改变，是一 个动态发展的过程。当盾尾地层损失保持一定时，总沉降最大值发生在盾尾经 过房屋以后，对房屋安全最不利的沉降参数可能发生盾构经过房屋中部的时候。 ( 3 ) 房屋的自重、长度、房屋与隧道的相对位置对房屋沉降曲线的形态和 附加地层损失均有着显著的影响。房屋基础刚度对附加地层损失影响较小，但 影响基础的不均匀沉降程度。 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 通过房屋安全分析，主要达到以下几个目标：评价房屋的安全现状和房屋 的安全余量，预估盾构穿越引起的动态地层位移对房屋结构安全的影响，从而 提出房屋沉降和变形控制标准，为盾构穿越过程中的施工控制提供参考。 盾构穿越房屋的安全分析可采取两种方法：一是将建筑物和地层分开考虑 的隔离法；二是将建筑物和土层作为一个整体考虑的整体分析法。隔离法首先 进行地基变形预测分析，然后将盾构掘进引起的地基变化作为建筑物的输入条 件进行结构分析。分析中又可根据建筑物结构情况分为两种方法：( 1 ) 将地层 的变形作为建筑物的变形，该方法主要适用于刚度相对较小的柔性建筑物；( 2 ) 给结构物施加相当于地层变形而产生的土压力，该方法适用于刚度大，变形受 自身刚度影响大的结构物，可用弹性地基梁模型来进行分析。整体法将土层和 结构物作为一个整体来进行分析，一般需用有限元等数值方法进行计算分析。 本文的房屋安全分析方法采取了隔离法的思路，但考虑了房屋与地基的共 同作用。首先把房屋简化为上部作用有一定荷载的具有一定抗弯刚度的板，通 过三维有限元分析计算出板的变形，作为基础的变形；根据基础变形特征，对 基础变形做一定的简化；将简化的基础变形施加于房屋结构，通过房屋关键部 位( 外纵墙和承重横墙) 的安全分析，判断房屋的安全状况。 由第2 章的分析结果可知，地层损失引起房屋沉降的平面分布是不均匀的， 可将房屋沉降分解为横向和纵向两个方向，对房屋影响较大的关键沉降参数有： 横向整体倾斜率；纵向沉降曲率；纵向最大沉降坡度。 3 1 墙体差异沉降模式 差异沉降引起的墙体沉降曲线往往是不规则的，为便于分析，把墙体沉降 曲线简化为圆弧形或半径相等的圆弧组合。根据房屋实际的沉降规律，可把墙 体沉降分为四种模式( 如下图所示) 。 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 ( a ) 沉降模式1 ( c ) 沉降模式3 图3 1 墙体差异沉降模式 ( b ) 沉降模式2 ( d ) 沉降模式4 四种沉降模式中的沉降参数有：墙体长度l 、差异沉降量s 、挠度、曲率 k = 1 r 。四种沉降模式中，沉降参数之间的关系有： ( 1 ) 沉降模式1 ：k = 2 可8 a ，s = ； ( 2 ) 沉降模式2 ：k = 4 可8 a ，s a = 舍； 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 ( 3 ) 沉降模式3 ：k = 筹，s = ； l ( 4 ) 沉降模式4 ：k ：可8 a ，s a ：会 由第2 章的分析结果可知，房屋沉降所遵循的模式与以下因素有关：房屋与 隧道的相对位置，房屋长度，基础刚度以及施工扰动程度等。如图3 2 、图3 3 所示，在同样的地层损失的作用下，由于房屋与隧道相对位置以及房屋长度的 不同，房屋的沉降模式往往也不一致。如图3 4 所示，对于同一幢房屋，沉降模 式也会随着盾构推进而发生变化，这是一个动态的过程。 弋乓三 丁 o 一e ； o ( a ) 沉降模式2( b ) 沉降模式3( c ) 沉降模式4 图3 2 房屋与隧道相对位置对沉降模式的影响 c a ) 沉降模式l( c ) 沉降模式3 图3 3 房屋长度对沉降模式的影响 卫 ( a ) 沉降模式4( b ) 沉降模式2( c ) 沉降模式3 图3 4 盾构掘进过程中墙体沉降模式变化 3 2 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 3 2 纵墙安全分析 盾构穿越引起的地层位移场对外纵墙的两个主要损害是：引起外纵墙的横 向倾斜和纵向的差异沉降。横向倾斜可能使外纵墙产生局部破坏而倒塌或发生 整体倾覆，而纵向不均匀沉降则可能产生各种裂缝。 3 2 1 横向倾斜影响 取一层两横墙之间宽度b = l m 的外纵墙为计算单元，墙高h = 3 m ，墙厚h = 0 2 2 m 。假设外纵墙只受自重的作用，计算简图如下图所示。 图3 5 外纵墙横向倾斜影响计算简图 参照相关规范，砌体材料计算参数如下表所示。 表3 1 砌体材料计算参数取值 重度沿通缝截面的弯曲抗拉强度抗压强度沿通缝截面的抗剪强度 y ( i n m 3 )凡( k p a )f ( k p a ) l 。( k p a ) 1 81 8 01 8 0 02 0 0 随着倾角的增大，外纵墙可能发生以下破坏：受拉开裂缝；受压破坏；受 剪破坏；整体倾覆；失稳破坏。以下分别进行分析。 ( 1 ) 墙体受拉开裂 外纵墙墙体任意截面可能的最大拉应力为： mn o i 2 w a ，u川出岛丌州一小，i共 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 其中：m = 丢7 1 1 1 s i np x 2 ；= 厂矗c 。s 口工；= 了b h 2 ；a = h b o 代入得： 盯i ：3 ) _ s i n 0 石2 一y c o s p 工盯1 5 i 一石一y 。工 最大拉应力o 1 , , m - 3 ) ，s i n 0h 2 7 c 。s p h ，发生在墙底处。 由q 一= 0 得：8 = 1 4 0 ，此时墙底开始产生拉应力。因此，当不考虑砌体的 抗拉强度时，发生受拉开裂的极限倾角为1 4 。 ( 2 ) 墙体受压破坏 任意截面处的最大压应力为： mn 仃= 一+ 一 形彳 ：3 ) - s i n t 9 石24 - 4 - ，c 0 s 乡工 = 一石一，s 工 h 可见墙体最大压应力发生在墙底处。墙体出现拉应力后，假设横截面压应 力按三角形分布。 h 2蝓 l 砂y 少 1 图3 6 墙体受拉时的横截面压应力分布 设压应力分布宽度为f 。则： 得： 互lo 一、h i j i ) = m ! 盯，f ： j 盯2 一q 2 川 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 4 n 4 y h c o s 0 h 盯2 r o a x2 3 ( h - h t a n 0 ) 2 赢i 鬲i 丽 出现拉应力后，最大压应力仃：一与倾角的关系如下图所示。 名 生 v 篁 目 i s i 、 - o 的制 ul2，4 ， 0 ( 。) 图3 7 墙体最大压应力随倾角的变化 由上图可见，当外纵墙的横向倾斜大到一定程度后，压应力会急剧增长。 由盯：一= 厂，可得墙体发生受压破坏的极限倾角为4 。 ( 3 ) 墙体受剪破坏 最大剪力发生在墙底处： q 豫= 厂h s i n o h 抗剪强度e = 工h = 4 4 k n 由q 眦= 7 h s i n 0 h q ) 的计算单元 图3 9 主拉应力分布随差异沉降的发展过程( 沉降模式2 ) 3 9 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 ( d ) s 2 6 0 m m 注：图中有颜色部分为主拉应力大于砌体抗拉强度( a - l q ) 的计算单元 图3 1 0 主拉应力分布随差异沉降的发展过程( 沉降模式3 ) 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 ( a ) s = l o m m ( b ) s = 2 0 m m ( c ) s a - - 4 0 m m ( d ) s 2 6 0 r n r n 注：图中有颜色部分为主拉应力大于砌体抗拉强度( q q ) 的计算单元 图3 1 1 主拉应力分布随差异沉降的发展过程( 沉降模式4 ) 4 1 第3 章盾构穿越房屋的安全性分析 假设当最大主拉应力大于抗拉强度时墙体发生受拉破坏，则根据大于抗拉 强度的主拉应力分布范围可以判断墙体产生裂缝的可能性及裂缝分布情况。由 图3 8 图3 1 1 可见，对于同样的差异沉降量，不同的沉降模式下墙体的主拉应 力的分布