隧道开挖对建筑物内力影响的研究

2017-10-23

福建质量管理 2017年18期

(青岛理工大学土木工程学院山东青岛 266033)

隧道开挖对建筑物内力影响的研究

宋琨于广明周福强谢焦焦

(青岛理工大学土木工程学院山东青岛266033)

随着经济的快速增长，我国的交通运输也得到快速的发展，为了更好的缓解交通压力，很多城市已经修建了地铁，由于地铁起步较晚，使得很多地铁的建设都要下穿建筑物。地铁开挖使得隧道围岩产生内力重分部，由此将会出现围岩附加应力，在附加应力的作用下，隧道周围土体产生位移和变形，当变形传至地表，便会使地表出现不均匀沉降，进而对隧道邻近建筑物造成影响。本文针对隧道开挖引起的地标沉降，对建筑物内力的变化情况进行了研究。

隧道；围岩；不均匀沉降；建筑物

一、引言

地铁隧道上方建筑物因隧道开挖受损的根本原因在于地铁修建期间隧道的开挖会使地表产生沉降变形，建筑物受到地表变形的影响，其受力情况将会发生变化，并由此产生附加内力，附加内力作用于建筑物构件上会使其产生更大的变形及开裂，当构件所受内力超过其极限内力值时，建筑物便会出现开裂甚至破坏情况。因此需要确定在地表不均匀沉降时建筑物内部的附加内力值，进而判断结构构件的内力是否超过其极限内力值，来判断建筑物是否会出现损坏。

二、地铁施工引起地表沉降的机理分析

国内外专家通过长年研究分析，已基本掌握地表移动机理。隧道施工过程中导致地层移动及地表沉降主要集中在以下几个方面：隧道施工导致的地层损失、隧道施工导致地层孔隙水的变化、土体受扰动发生再固结以及衬砌变形等[1]。

(一)地层损失引起沉降

地层损失的定义为隧道在施工过程中实际开挖体积与竣工后体积之差。文献[2]中对地层损失因素探讨中可知：由于初期支护与地层不紧密贴合，如果注浆不及时土体应力释放发生塑性变形导致地表产生位移；隧道开挖面漏水，流出水中夹带着细小的颗粒，地层有孔隙产生导致地表变形；周围土体为了弥补隧道开挖引起的地层损失向隧道洞室内移动，从而导致地表变形。

(二)土体固结沉降

在荷载或其他因素作用下，土中孔隙水缓慢渗出，体积逐渐减小，土中有效应力逐渐增大，超静孔隙水压力逐渐减小直至完全消失，整个过程称为“固结”。土体固结快慢与土体排水有关，为时间函数。随着土体的固结，土体的压缩变形和强度逐渐增长。土的固结理论最早由太沙基(Terzaghi)在1924年建立，几十年过去，虽然已提出许多新的固结理论，但由于Terzaghi固结理论简明、实用，至今仍是工程中应用最多的[3]。

(三)地层应力改变导致的沉降

隧道开挖以后洞室内出现了临空面，地层有了可以变形的空间，由于应力局部释放，使周围土体发生卸载而向洞室内变形，原来的初始应力状态受到破坏从而导致应力的重新分布，这种重新分布的应力场称为二次应力场。在应力重新分布的作用下，洞室一定范围内的土体发生移动，形成松弛，与此同时也会使土体物理力学性质变差，从而引起地表变形。

三、隧道施工引起地表沉降规律

隧道施工时，实际开挖体积与竣工体积(竣工体积还包括隧道周边包裹的压入浆体)体积之间有一定误差而形感地层损失，开挖面土体向隧道断面移动，隧道断面收敛，从而形成地面沉降和倾斜。

施工期地表沉降采用Peck公式[4]计算，其横向沉降曲线公式为

(1)

式中，Sx为横向地表沉降量；Vl为盾构隧道单位长度的地层损失量，Vl=νlπR2。x为地表距隧道中心线的水平距离；i为沉降槽宽度系数。

由peck公式可计算出地铁隧道横断面不同位置的沉降值，由此可得出横断面的沉降曲线形状为正态分布曲线，当建筑物基础位于不同位置时，便可由式(1)计算出基础的不均匀沉降量Δ。

四、建筑物内力计算

地铁上方建筑物选为多层框架结构，建筑物位于地铁隧道一侧。由peck公式计算可知，偏离隧道越远，地表的沉降值会越小，所以在建筑物整个跨度内，不同位置将会有不同的沉降量，因此建筑物基础将会发生不均匀沉降，进而会是结构内力发生变化。本文以单榀单跨框架为例来分析地表不均匀沉降时建筑物内力的变化。

在计算框架因地基不均匀沉降产生附加内力时，首先定义框架沉降刚度系数，即框架发生相对单位位移时框架所产生的内力值，因此沉降刚度系数又可细分为竖向沉降刚度系数和柱脚转动刚度系数，竖向沉降刚度系数是指当柱脚发生竖向相对单位位移时所对应的内力，柱脚转动刚度系数是指柱脚发生单位转角时框架产生的内力，在此只考虑不均匀沉降时的附加内力，因此只对竖向沉降刚度系数做推导。