（岩土工程专业论文）地铁隧道区间开挖诱发的地表沉降对北京古建筑影响研究.pdf

摘要 摘要 随着城市地铁建设的兴起，相应的环境问题引起了越来越多的关注。地铁 隧道施工阶段及施工后期诱发的地表沉降是造成各种建、构筑物产生外观及功能 上损害的丰要原因，每年由此而造成的经济损失相当可观。北京市是地铁建造发 达的城r 丁，特别是2 0 0 8 年奥运会的契机，使北京地铁建设如火如荼。同时北京 也是个占都，占建筑物到处都是。因此，怎样把地铁的建设对古建筑物的影响减 到最低成为迫切的任务。一般地，地铁隧道设计时不考虑周边建筑物的情况，而 以施工时控制地表的沉降为主。国内现行的做法是规定一个沉降上限值，北京等 地为3 c m ，超过该值则调整施工方法或修改隧道的初步设计。此种做法忽略了地 表结构物的具体形式及其对隧道施工的响应，由此而采取的加固及补偿措施未必 可取，一般情况下是相当保守的。而这个值也是对现代建筑的研究，对古建筑物 国内很少人来研究，西方发达国家由于建国比较晚，对此的研究也不多，3 c m 这 个值对北京古建筑物是否合适还没有定论。为了研究隧道施工诱发的北京古建筑 物结构损害及结构与隧道施工的相互作用，本文搜集了较为详尽的损害评价与等 级资料，并针对该问题进行了数值模拟与计算，总结一些有用的规律。本论文采 用盾构施工的施工工艺，通过改变盾构直径、隧道埋深、二者中心距离( 简称偏 心矩) 等进行施工动态过程跟踪、参数敏感性分析、反映结构变形的参数计算、 耦合分析与传统损害评价方法的对比计算、评价方法的归纳等几个方面的工作。 主要的结论有： ( 1 ) 随着盾构穿越的前进，结构的差异沉降及平均沉降增大，但最大值不一 定是最后穿越完成后； ( 2 ) 结构物的存在约束了地表的变形，但由于木框架砖填充墙结构刚度低， 影响不是很大； ( 3 ) 盾构穿越与古建筑物之间的相对距离对古建筑物有重要影响：随着盾构 的推进，隧道正项上柱子内力也有变化，但幅度不一样，主要与位置有关系；总 体上说当隧道与建筑物相距较远时面向隧道侧的柱子内力减小，而背向隧道一侧 的柱子内力增加，即面向隧道一侧的各梁柱结构单元一般表现为卸载，而背向隧 道的一侧一般为加载； ( 4 ) 隧道埋深对古建筑物有重要影响：隧道埋深的改变对地层的运动影响很 大，追求其动态过程可以看出，结构内力对埋深1 5 m 、2 0 m 反映差别不大，而对 埋深1 0 m 差别很大； ( 5 ) 结构物内力的变化与盾构直径的改变也有关系：随着直径增大而增大。 结构内力与位移对大盾构1 0 m 、1 2 m 的规律与小盾构6 m 、8 m 不完全一样； 北京：r 业大学丁：学硕十学位论文 ( 6 ) 偏心距对古建筑影响也很大，内力与位移经历由小到人再由大到小的转 变。关心隧道j 下上方的柱子时，偏心矩2 5 m 时最大。对于x = o ，同一排柱子，偏 心矩对剪力、轴力与弯矩影响规律相反； ( 7 ) 古建筑物对差异沉降反映比较大，对于差异沉降8 7 5 m m ，已出现丌裂， 对应的最大沉降已达到4 2 5 m m ； f 8 ) 对于木框架砖填充墙结构，梁柱不是占建筑物破坏的潜在因素，应把重点 放在砖石结构的位移及变形，这是古建筑物破坏的潜在因素； 关键词：地铁隧道；沉降变形；古建筑物；内力分析；f l a c 3 d i i 摘要 a b s t r a c t w i t l lm e 出，v e l 唧e n to fs u b w a yn m n d ，e n “r o n m e n td a m a g ed u et ot h ec o n s t n l c 6 彻o f t i l n n e la n r a c t sm o r ea n dm o r ca 呦n 蚰d u r i n ga n da f 谊m ec o n s 仇i c t i o nt t 】et i 】肿e ls h o u l db e 础；p s i b l ef o rt h ed a m a g ew h i c hc 锄o c c i | ra tm ea p p e a m n c eo fb i l i l d i l l g s o rc a u s ef h n 嘶o i l a l e x p s e 衙t h eb u i l d i i l g s 1 1 1 ec o s to f c c o n o m yf b rs 仃l m g t h e l l i n gb i l i l d i n g si sr e l 撕v e l ys i 舭i f i 啪t b d j i n gb u i l dm 柚ys u b w a y s 恤c hw i l lb u i l dm o r es u b w a y sb e c a u 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l e nt l l o s 仃蚰g t l l e n i n g m e 船u r e sa 托n o t v e r y 舒s 舶t i a l ，s 鲫e 6 m 鹤i ts e 锄t ob ev e r yc o n s e r v a n v e a l l dt h i sv a l u ei sa l s of o rm o d e r i lb u i l d i l l g s ， i no 吖c o u n 奶7f 毫wp e o p l es t u d yo l db u i l d i i l g s ，w 嚣懈nd l o p 酣c o u n 砸鼯s t l l d ym eo l db u i l d i n g s l 鹤sb e c a i l s eo ft l i es h o r th i s t o r y w ea r en o ts u ”m a ti ft h r e ec e m t i m e h 它i sr i g h t t bc l c 训y 岫d e 嘲卸dt l l et i l 越e 1i n d i l o c dd a l i l a g ea l l dt l l ei n t e 憎c t i o fo l ds 仇l c 眦粕dm l m e l ，t l i i sp a p e r c o u e c t sd a l i i a g ee v a l u a t i o nd e t a j b 卸dm a k c san u m e r i c a lm o d e l i n go ft h e 证t e 船c t i o n ，f 抽d i l i g s 伽e 啪e 如l i a w s 柚dp m v i d i n gg u i d a i l c ef 研t h ec 鲫s m l “o nc l o s et ob u i l d i n g t h ec o 哪虮l n o n m a l o da d a p t st h es h i e l d ，锄p h 鹪髂o ft l l i sp a p c ra r cp l a c e d 锄d y l 姗i cc o n s 仃1 i c t i o np l d c c 鹊， s e 心矗v e卸a l y s 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i e 舢g e i s d i n 打w b i c h 证n l a i n l yh a v i n g 血e l h i n gt od ow i i hl h ep i l ep 0 8 i t i o n 衄t h cw h o l et h ep i l e f b f 矗c i | l gt ot i l 衄d m gi 8d c a 龃面唱柚dt h ep n ef 曲b a d kf o n m i dt ot h cm 皿d _ m gi s 缸a 翱s j n gw h c nl h ed i s t 锄o f t h co l db u i l 血g 蛆dt b et i l n n e l i n gi sl o n g 盱，血乱i st o3 a yt h e 神m c t i l e 1 髓嘲t 如ef a c i n gt ot i l n 加l i l l gi s 山窃鼢s i n g 锄dt b es 劬l c m 撑e l e m 锄t 如l r c eb a d k f 0 ，a f ；dt ot h et l | n n d r m gi si n c 嘲s i n g ， ( 4 ) 1 1 l cd 印协h 勰i 皿p o r t a mi n n u t o 血e 粕c 渤tb i l i l d i n g ：1 kc h 柚g eo fm e 咖l h i n n u e n c 鹤t h e “lm o n v a y 即n y w e 啪啪b yp i l 僦1 m gi 协d y n 锄i cp i a 淄s i o n ，l l l e i 北京i 业人学学硕f 学付论文 s 机l c t i i r ef o r c ec h a n g ei s n 。to b v i o u sb e t w nt h ed 印t l lo f t h e1 5 ma n dt l l e2 0 i l l ，b u tt h ec h 觚g ei s v e r yo b v i o u st ot h ed 印t ho f l h el o m ； ( 5 ) t h ev 撕e t yo ft h cs 打u c t i l r ef b r c eh 辨s o m e t h i n gt od ow i t l it l l ec h 柚g eo ft h es h i e l d d i a m e t e r i tb e c o m 韶l a 唱e r 硒t l l es h i e l dd i 锄e t e ri sl a r g e lt h ed i s c i p l i n a r i 锄o ft h es 帆l c t l l r e f o r c e a n d d i s p l a c 啪e n t i s i n c o m p l c t d ys i m 订a r b e t w e i h eb i g s h i e l d o f l o m 、1 2 ma n d t l l e 湖a n s h i e l d o f 6 m 、8 m ： ( 6 ) t h ed i s t a n c co f t h eo l db u i l d i n g 锄dt l l et u 衄e l i n gh 鹊a l s oj m “虮锄c ci n n u 锄c et om eo l d b u i l d i n g ：n l e i n n u e i l c e i s 疗o m t h es m a l l t o t h e l a r g e 肋d 缸吼m e 锄a 1 1 t o t l l e l a r g ea g a i l l t b e d i s t 卸c eo f 4 5 mi st l l el a 唱器t t h es a m er o wp o s to f x 印，l ci i l n u 锄c eo f t l l ed i s t a i l c eo f m eo l d b u i l d i l l g 粕dl l l et t l l l n e l i n gt ot h es h e a r i n gf o 睇、幽e 旺i sf o r c ea l l dt l l em o m t i sc o n 仃砸y ； ( 7 ) t h ea n c i 朋tb u i l d i n gr e n tt ot l l es e n l 锄即td i 脑e l l c eg r e a t l y ，i th 觞a l 嘲d yc f a z e dw h 髓 t 1 1 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为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁，修建地下轨道交通 是一个行之有效的方法。早在1 8 6 3 年，英国伦敦采用明挖法建成世界上第一 条地铁线路，线路全长6 4 公里。而后1 8 9 0 年在伦敦首次使用盾构法施工，建 成另外一条电气化地铁线，全长2 公里。从此，城市交通进入了一个飞速发展 的时间【j 】。地铁有着很多优点：城市地铁不仅安全可靠、准时方便和舒适等优 点，而且它少占用土地，基本上不破坏地面景观；将部分街面交通转移到地下， 能够快速大量输送乘客，极大地缓解城市交通拥挤问题；而且许多地铁不仅起 到交通运输的作用，在战争时期还发挥了防空掩蔽所的作用。 我国于1 9 6 5 年在北京开始修建第一条地铁线，一期工程全长2 2 1 7 公里， 一千1 9 7 1 年投入运营；二期工程地铁环线1 6 1 公里也建成通车。到2 0 0 0 年北京 地铁已经有5 5 公里投入正式运营外【l 】，为迎接2 0 0 8 年在北京举办的第2 9 界奥 林匹克运动会，近年内北京将修建3 0 0 公里以上的地下铁道，2 0 5 0 年规划在市 区建设6 9 3 公里的地下铁道，包括郊区支线达1 0 0 0 公里以上，逐步形成快速轨 道交通网。除此之外，从上个世纪末到本世纪初，全国的大型城市，如上海、 广州、南京、杭州、深圳、成都、沈阳等，因为经济发展的需要，已经开始兴 起地下铁道建设的高潮。尽管地铁有着众多的优点，但是也会引发相关的环境 问题。譬如地铁施工过程引发地表沉降，该沉降使邻近建筑和公用设施倾斜、 扭曲等，从而造成损害。大的地表沉降还会致使房屋倒塌。地铁线路经过之处， 需要将原来的地下设旌如给排水管道、地下电缆线路等改道，需要对邻近建筑 物进行加固处理，这也是非常费事的。地铁运营时，车辆与轨道系统的振动和 产生的噪音也会使附近居民产生生理上的不快。因此，由于地铁在施工和运营 中暴露出来的环境问题越来越引起高度的重视【2 翔。地铁施工中的环境问题主要 是地表沉降问题。由于地表沉降而导致的变形会对周边及邻近建筑物造成较大 的危害，轻则裂开，重则倒塌1 2 j 。在保护文化遗产迫切的今天，如北京、南京 等古都城市，地铁开挖引起的古建筑物危害及其评价受到了国内外工程界与学 北京i 业人学。学硕f ：何论文 术界的关注，特别是研究由于开挖造成的古建筑物危害及其保护方案与标准成 为目前迫切需要研究的问题 3 4 1 。 1 2 研究意义 地表沉降是地铁施工过程中最大的环境问题，大的地层下沉对周边建、构 筑物的造成危害。例如，对城市交通路面的损坏，路面开裂、下陷等；地下原 来的排污、输水等管道受到地铁区间隧道施工的破坏而破裂，致使污水上溢等； 此外这些管道在遇到地铁线时往往需要改道或者作特殊处理；地下施工通过既 有桥梁等设施时，导致桥梁桩基础沉降，或者产生对桩的负摩擦，使之丧失承 载能力，从而降低了整座桥梁的承载能力与安全使用性能。沉降对于房屋结构 的影响，概括起来，可分为三点：一、对于房屋上部结构的损害和影响，例如 地下开挖造成的不均匀沉降会在结构内部产生次生内力以及不规则的变形，小 到开裂，大到失稳倒塌。二、对基础的损害影响。地下开挖导致地表的变形不 仅仅是沉降，还同时作用有水平拉压应变。对于以受压为主的基础材料来说， 拉应变产生的破坏有时会占主导地位。三、减少地基承载能力。特定的建筑地 基具有特定的承载能力，在地下施工中，对周边地基土的扰动是难免的，要在 地下建设中尽量避免对周边土体的扰动，以免对其承载能力产生不利影响。从 我国目前的工程实践和学术研究来看，在地下开挖对邻近建筑物的损害及防治 对策方面，还没有一个系统的评价标准。例如，在北京等地，一般规定地下开 挖造成的地表沉降上限值为3 c m 【2 6 】，但是这个值是专家们根据经验制订出来 的，没有系统的研究根据。即使这个经验数也很多针对现代建筑，对古代建筑 物很少有人去研究，但随着北京奥运等的需求，地铁支线很多必须穿越或近接 古建筑物，怎样对地铁隧道及古建筑物的相互影响进行评价，以减少损害是北 京市面临的迫切要务，其意义不言而喻。 在城市地铁隧道开挖引起建筑物的损害方面，国外多年来已经有不少实践 和理论探讨，取得了不少理论和实用成果，但是目前我国还没有完整的建筑物 保护等级的统一划分标准。国内做得多的是沉降的量测数据，或者根据专家的 经验确定一个最大允许沉降值，以此来控制施工和检修、加固邻近线路的建筑 结构。这种做法缺少理论依据，至少是不完善的。据此采取的结构加固和防护 措施要求往往过于严格，而且一般建筑物对均匀沉降并不敏感。以此作为依据 会造成施工困难，提高造价，有可能会造成大量的成本浪费和经济损失。 北京市的古建筑物，其年代久远，而又大多表现在下面是砌体砖而上部主 要是木结构，这种建筑物的结构特点往往对地表沉降特别是差异沉降特别敏 第1 章绪论 感。例如北京故宫就结构形式是以石或砖台基、木构架结构、瓦顶、砖墙为基 本构造。这样，其相对于现代建筑物来说，其承受地表变形的能力相对来说很 差，因此地铁隧道的开挖对其造成的影响比一般现代建筑物要大的多。研究地 铁隧道的开挖对古建筑物会造成多大的影响及破坏程度，从而制定必要的加固 措施对于北京市来说是迫在眉睫。 本文希望将地铁施工开挖对地层的扰动以及地表相邻结构结合起来，考虑 它们间的相互影响、相互作用，寻找古建筑物结构对地表沉降的响应规律，以 便为施工控制和检测防护提供依据。 1 3 国内外研究历史及现状 1 3 1 地表沉降与变形规律的研究 由于隧道开挖造成的地表沉降问题在国内外都有研究，对地层沉降和变形 规律的认识也不断深入，从经验公式法到半经验半解析再到数值模拟分析法， 一从弹性、均质、各向同性假设求得的解析解到弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、各 向异性的解析解或者数值分析解，学者们做了大量的工作。目前为止，已经有 多种研究理论和方法。下面我们分别作一简要阐述： i ：3 j 1 1 经验公式法经验公式法主要是研究地表的沉降和变形，并不涉及到 地表以下的地层的应变分析和应力状态。它给出了地面沉降槽曲线的各种经验 公式。而半经验半解析、解析法、数值分析法可以得到隧道周围以及支护结构 的应力应变状态，也可得到各点的位移值。主要有： ( 1 ) p e c k 公式：r b p e c k 通过1 7 例由隧道开挖引起的地表沉陷数据及工 程资料分析，提出地表沉降槽类似正态分布曲线，认为地层移动由地层损失引 起，施工引起的沉降是在不排水的条件下发生的，所以沉陷槽的体积应等于地 层损失的体积，并提出一个地表沉降横向分布的估算公式。 ( 2 ) c l o u g h s c h i m i d t 公式：在p e c k 公式基础上提出饱和含水塑性粘土中 的地面沉降槽宽度系数i 。 ( 3 ) c o r d i n g 和h a s m i r e 公式：该方法中土体类别的影响通过不同的扩展角 b 来描述。 ( 4 ) g 1 0 s s o p ( 1 9 7 8 ) 出于实用目的提出了一个经验公式：i = k z 。k 值取决 于土体的类别，建议对于软土和淤泥土取为0 7 ；对于硬黏土取为0 4 ；对于非 黏性土为o 2 5 。 注意：以上( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 公式都在p e c k 研究基础上提出的，针对不同情况下研 北京i 业人zi 7 碗f 一7 ：忙论文 究的。 ( 5 ) 刘建航公式【7 】：刘建航( 1 9 7 5 ) 在总结上海延安东路隧道沉降分布规律 基础上，提出了“欠地层损失”的概念，并修j 下了p e c k 公式预测地表纵向沉降 计算式。 ( 6 ) a t t w e l l 公式：a t t w e l l ( 1 9 8 1 ) 等也假定沉降槽曲线为正态分布，给出 了估算地表沉降的经验公式。 ( 7 ) 藤田氏公式【8 】：滕阳( 1 9 8 2 ) 对同本国内1 9 6 5 年以来发表的有关盾构 施工造成的地表沉降的9 4 例资料按盾构形式和危岩情况的不同，对最大沉降量 进行分析、列出了实测最大沉降量的分类统计结果，并将统计结果与有限元计 算结果进行对比。在此基础上，对统计结果进行了整理，给出了最大沉降量的 分类估计值。藤田所收集的统计资料涉及的盾构形式包括开胸式、闭胸式、泥 水式、土压平衡式等；土层包括黏土、砂性土以及互层；隧道形式包括单孔和 双孔，其统计结果具有良好的代表性，但其估计值变化范围也很大。 ( 8 ) 侯学渊公式【7 】同济大学侯学渊( 1 9 8 7 ) 等结合上海地区饱和土和盾 构施工的特点，提出了考虑时效( 即土体扰动后固结) 沉降的修正p e c k 公式。 以后还有很多人提出了符合现场的沉降公式，这里不一一赘述。应当说 明的是，经验公式法其优点是可以较好的反映适应具体地区地质的沉降情况， 能对实际的沉降变形作出大致的预测，从而为施工提供指导。但是缺点也是明 显的，例如，假定为高斯分布没有理论依据，不能反映工程地质变化情况：不 能反映双洞施工的情况；不能反映施工方案及参数的影响：不能反映施工不对 称的情况等等。此外，该法也没有考虑周边荷载对沉降线形的影响，因而具有 一定的局限性。 1 3 1 2 解析法由于土层条件的复杂性以及施工状况的多变性，迄今为止还没 有完全精确的解析解答。现有的解析解均为在简单的假定下所得到的，但是不 失一般性，它们可用来定性地判断地表沉降地一般规律。 ( 1 ) s a g a s e t a 方法s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 假设土层各向同性和不可压缩，提 出地表三维沉降公式；后来又由s a g a s e t a 和u r i e l 等人进行了推广；以后， g 0 n z a l e z 和s a g a s e t a 又对公式进行了修正。 r a y l i l o n dd m i n d l i n ( 1 9 3 9 【1 7 】) 研究了弹性介质中圆形隧道周围的应力分 布，考虑隧道为半空间弹性固体无限介质中受重力作用的圆柱形孔洞，通过双 极坐标系，求出了满足上部自由边界条件和孔洞自由边界条件的精确解析解。 v e r r u i j t b o o k e r 【1 0 】( 1 9 9 6 ) 采用了s a g a s e t a 的方法，提出了均质弹性半 空间中隧道变形引起的地表沉降的解析解。他们的结果是s a g a s e t a 解的推广， 他们给出的结果不仅适用于不可压缩土的情况( 泊松比为o 5 ) ，而且适用于泊 松比为任选值的情况。 第1 章绪论 ( 2 ) n l o g a n a t h a n 等提出的方、法【“】：土层的损失包括两个阶段：( 1 ) 在开 挖面通过后，立即产生的不排水状念的损失：( 2 ) 由于固结和蠕变产生的损失。 但是，过去的土体损失系数仅考虑了第一阶段的损失。该方法对土层损失给出 了新的定义，提出了等效损失的概念。n l o g a n a t h a n 等认为地表位移是由地层 损失引起的，但是隧道的径向位移不是均匀的，其形状近似椭圆形；地层的沉 降主要发生在隧道轴线与水平方向夹角为4 5 。的范围内。由地层等效损失公式 代入为v e r r u i j t 和b 0 0 k e r 提出的基于地层损失沿隧道径向均匀分布假设的地 表沉降解析解，得到了预测地表位移公式。 该公式在硬粘土中的预测值很好，但高估了软粘土中的沉降；预测的沉降 槽的宽度比观测值宽；对各向同性的枯土的地层位移和水平位移的预测与观测 值很吻合。 ( 3 ) 随机介质理论【2 6 】：随机介质理论是波兰李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 为研究采煤岩层与地表移动问题所提出的。随机介质理论自提出以来，经过我 国学者刘宝深、廖国华等的发展，其理论已逐步完善，应用领域从最初的煤矿 地下开采地表移动预计，发展到露天开采，金属矿地下采矿、近地表开挖及地 层疏水所引起的地表移动预计问题。该理论分析的对象是一种被称为“随机介 质”韵介质。 1 3 1 3 数值解因为数值分析可以考虑不同的地质条件，也可以考虑各种施工 过程：采取适合的应力应变关系，可以适用于考虑开挖空间效应的和考虑流变 与固结等时问效应的许多特殊情况，因而得到了广泛的运用。数值分析法的成 功运用取决于所选条件的正确性。 目前广泛采用的数值计算方法有有限单元法、有限差分法、边界元、离散 元等形式。在应用于地下隧道的分析中，数值分析应着重考虑了以下几个方面： ( 1 ) 支护与周围土体间的接触情况。例如采用界面单元、等代层等考虑支 护结构与土体间的相互作用： ( 2 ) 应力释放的模拟。隧道开挖是一个空间过程，掌子面对周边的土体有 着“虚拟支撑力”【1 2 1 。应力释放由两部分构成： 第一，掌子面的应力释放； 第二，坑道洞壁的径向应力释放。以上两部分应力释放体现着掌子面“虚 拟支撑力”的作用。f e r n a n d or o d r i g u e z r o a 【1 5 】曾折减洞室周边o 1 5 0 3 m 厚 的土层的强度参数的强度来考虑考虑应力释放。 此外，对于盾构施工方法来说，通常存在超挖现象，在衬砌受力前，由盾 构机支撑断面荷载，衬砌安装后该断面上的荷载又会发生变化。 ( 3 ) 特殊支护的作用效果模拟。例如系统锚杆的加固作用，注浆的效果； 4 ) 孔隙水压的计算。在降水的情况下，孔隙水的流动无疑使土体固结， 北京川p 人学 中硕卜学何论文 从而导致沉降。有效的考虑地下水的作用对于围岩的稳定性及支护的作用效果 与安全评价是非常重要的。 如何合理而简便的解决上述问题对于准确预测地表沉降、沉降对周围建筑 的影响以及计算隧道结构的受力具有重要意义。 1 3 2 隧道开挖引发的建筑物损害研究 国外学者在该方面的研究较为系统和详尽，早先的研究文章可从2 0 世纪 5 0 年代起，至今已经有了一些初步的成果和评价标准。 过去对沉降损害的研究工作一般可分为三大基本类：第一种为经验法，该 法基于历史案例的编撰【m 1 ( c o r d i n ge ta 1 ( 1 9 7 8 ) ) 及研究损害与易量测 或易定义的参数之间的经验关系；第二种方法考虑了结构工程的原理【l 昭”，以 便获得基于所选结构尺寸及材料参数的容许极限沉降，并将推导出的极限值与 历史实际案例相对比；第三种方法可总结为数值计算与案例统计损害标准相结 合( 基于沉降预测的计算方澍”j ) 。 1 3 2 1 基于历史案例的经验观测与统计即寻求结构损害与易量测参数之间的 关系，这些数据包括变形角( a n g u l a rd i s t o r t i o n ) 、建筑物的刚体倾斜( t i l t ) 、 挠曲率( d e f l e c t i o nr a t i o ) 、差异沉降值、结构的对角线的应变值等等。 s k 锄p t o n & m a c d o n a l d ( 1 9 5 6 ) 总结和对比了9 8 个例子以确定地表允许的 总沉降和差异沉降。认为造成建筑结构产生裂缝的是地表沉降曲线的曲率半 径，而不是建筑物的整体变形角，但是变形角易测而曲率半径难得，因而把变 形角作为判断损害的标准。他们的文献中没有考虑建筑物长宽比、剪切、弯曲 的影响。 e j c o r d i n g ( 1 9 7 8 ) 等认为，变形角是一个非常有用的指标，它直接与造成 建筑物危害的剪切应变有关；对于柔性地基来说，沉降曲线的斜率和地表的水 平应变对它有相当大的影响。 c o r d i n g c ta 1 ( 1 9 7 8 ) 【1 4 1 将结构的损害分为两类：一类是建筑损害，例如， 影响外观的损坏。它通常与裂缝或面板墙、地板、涂饰等的分离相联系。一般 认为：抹面墙上的裂缝超过1 6 4 英寸，砌体或毛石混凝土墙上裂缝超过l 3 2 英寸就被认为是明显的损害；另一类是结构损害，例如影响结构稳定性的损害， 通常与梁、柱、承重墙等主要支撑结构的裂缝或变形相关。对于多数土体条件 来说，谨慎的开挖及支护也会产生位移，该位移不会导致明显的结构损坏，但 是会造成微小的建筑损害。 关于地下开挖造成的建筑结构变形的其它一些定性结论： ( 1 ) 对于承重墙或传统框架中砌体填充面板，早期推荐取1 3 0 0 的作为角 变形的初始开展极限； 第1 章绪论 ( 2 1 大部分居民房屋，除了长排型的，能吸收1 l o 3 1 5 l o 刁的应变， 并且损害大部分停留于表面，比如灰浆的裂缝； ( 3 ) p o l s l l i n 与t o k a r ( 1 9 5 7 ) 提议将0 5 l o - 3 的应变作为砌体与混凝土墙 的开裂极限； ( 4 ) c o r d i n gc ta 1 ( 1 9 7 8 ) 提出，建筑损害的极限应变( 裂缝比较明显) 对砖 石承重墙结构约为l 1 旷，填充式框架结构约为1 5 1 旷； ( 5 ) 一般地来说，框架结构的抗拉能力较砖石砌体结构要强； ( 6 ) c o r d i n g 与h a l l s m i r e ( 1 9 7 5 ) 推荐将平均斜率最为与隧道上部损害相关 的指标，平均斜率定义为最大沉降值与为沉降槽半宽之比； ( 7 ) b r c t h 与c h 锄b o s s e ( 1 9 7 5 ) 观察了在法兰克福修建某隧道期间的一些3 至5 层建筑物的沉降。对于斜率小于1 ：4 5 0 的框架结构，没有损害发生； ( 8 ) k e r i s e l ( 1 9 7 5 ) 认为，旧的砌体结构对沉降槽的曲率半径较为敏感； ( 9 ) 当结构宽度与隧道深度同一量级时，结构将受与沉降槽斜率差不多大 小的角变形。这种情况下，损害与沉降槽斜率有关系。 此外，b j e m l m ( 1 9 6 3 ) 提出张与角变形有关的损害标准，如图l 所示， 该图曾被广泛引用。 l ，1 0 01 ，2 0 01 ，3 0 0l ，4 ( ，ol ，5 0 0l ，6 0 日l ，7 0 0l 8 0 0l 舢 d a m a g ec r i t e r i a ( a f t e rb j e r r 咖1 9 6 3 ) 图1 1 角变形与损害的分级关系 1 3 2 2 基于结构力学原理的定量计算该法基本上是对于上述经验方法的改 进，引入一些理论性的计算，试图排除单纯的观测法带来的缺陷。大致有以下 北京。业人7 ：i ：7 ：硕f j 宁何论艾 两种做法1 1 5 0 1 】： ( 1 ) 如结构的墙体长高比不大，则可将墙体假定为弹性深梁，直接利用已 有的深梁挠度公式计算建筑结构损害。公式对实际的弹性模量e 和惯性矩，作 了简化，因而实用性不大； ( 2 ) 如墙体的长高比较大，则将墙体简化为简支梁，可以利用简支梁的公 式计算墙体两端的转角和挠度。这种做法同样对e ，值作了简化，而且仅仅适 用于小变形且不考虑剪切的情况。 b u r l a i l d 与w r o t l l ( 1 9 7 5 ) 基于结构潜在的变形模式与材料的i 笛界拉应变 ，计算了建筑结构的损害，并将初始裂缝的发展与挠度比l ( 最大挠度 与端点间距离) 联系起来。对于不同的e g ，l h ( 长高比) ，及中性轴的 位置，画出墙体的理论开裂极限，将它们与历史统计案例或其它的沉降损害标 准对比。他们的成果见图1 2 。 图l - 2 不同模量比下极限挠度比与结构尺寸的关系 s t o r e rj b o o n e ( 1 9 9 6 ) 旧假定基础为柔性，顺从地表的运动，详细讨论了 在地层运动下，对于一般的砖石承重墙体或者填充墙体、框架结构等，考虑采 用结构力学或者材料力学的原理来计算墙体和框架的主张拉应变、剪切应变， 并将结果与以往统计的结构材料的临界拉应变对比，以此作为建筑结构损害的 评价。这种方法考虑了地层的应变和结构本身的性质以及相对地层变形的位置 ( 地表上拱段或下陷段) ，因而比较贴近实际，而且计算方便。但是该方法的缺 陷在于假定基础受到与地层同样的变形，由此导致的结果偏大。 1 3 2 3 基于沉降预测的计算方法随着大量的地铁建设实践，许多学者研究了 与地铁隧道相关的地层运动规律。较早的研究当属p e c k ( 1 9 6 9 ) 【16 】在第7 届墨 第l 章绪论 西哥国际土力学与地基基础会议上发表的关于地表沉降的预测报告，随后又有 大量的学者相继发表了关于地层变形与预测的论文。一般认为地表沉降槽的横 截面形状类似于高斯曲线，即正态分布曲线，如此，可用两个参数( 参见自 f 述) 来确定地表运动的最终位移。此外，还可以考虑隧道的埋深、直径、施工条件 等等因素考虑进地表运动的预测公式【研。 关于各预测公式可参见表卜1 。( i 为沉降槽中心至反弯点的距离，而为隧 道埋深) 。 表l l 沉降槽半宽值f 的经验预测公式统计 j b a s i sf o re m p i r i c a l r e f e r e n c e s 0 1 u t i o n p e c k ( 1 9 6 9 ) i 王江( z o ，2 r ) “( n = o 8 1 o ) f i e l do b s e r v a t i o n s f i e l d0 b s e r v a t i o n so f a t t e 1 1a n df a 瑚e r ( 1 9 7 4 ) i 王江( z o 2 r ) “( 口= l ，n = 1 ) u kt u n n e l s i r - ( z o 2 r ) “( 口= l ，n - o 8 ) f i e l d 曲s e r v a t i o n so f c l o u g ha n ds c l 】m i d t ( 1 9 8 1 ) i = 0 4 3 z o + 1 1 m( c o h e s i v e u kt u m e l s s o i l ( 3 = z o = 3 4 m ) ) i = 0 4 3 z o + 1 1 m ( c o h e s i v es o i l ( 3 = z 庐3 4 m ) ) f i e l do b s e n ，a t i o n so f 0 r e i l l ya i l dn w ( 1 9 8 2 ) i ：0 2 8 z o - o 1 m ( g r a n u l a rs o 订 u kt u i l i l e l s ( 6 = z f l o ) ) i = o 2 5 ( z o + r ) ( 1 0 0 s es a n d ) f i e l do b s e n ，a t i o n so f a t k i n s o n 锄dp o t t s ( 1 9 7 7 ) i = o 2 5 ( 1 5 2 0 + o 2 5 r ) ( d e n s e u kt u i l l l e l s a n do cc l a y ) f o rs i t e s 曲e r e l e 8 c h ( 1 9 8 5 )i - ( o 5 7 + 0 4 7 z a ) 1 0