双线隧道下穿引起框架-剪力墙结构竖向位移分析

庞 峰, 孟 丹, 陈 岩, 和 超

(1. 青岛理工大学艺术与设计学院, 山东青岛266033; 2. 青岛农业大学建筑工程学院, 山东青岛266109)

隧道下穿建筑物的安全评价和保护措施, 引起了社会各届的广泛关注, 即如何在地铁工程建设的同时确保城市地表的环境安全已经成为工程届面临的一个难题[1-3]. 由于建筑物在地表沉降影响下受力情况表现出强烈的复杂性, 因此, 通过单个构件受力和变形分析对建筑物的安全性进行评价已不能满足工程应用的需要[4-6]. 有限元方法是分析隧道施工对建筑物整体结构产生影响的一种有力工具. 通过它可以对建筑结构变形的范围、规律和演化过程进行分析. 赵林等[7]采用ANSYS 建立三维模型, 模拟分析了地铁盾构不同施工步下地表的建筑物特征点、横向以及纵向位移曲线. 黎春林等[8]运用ANSYS 建立了无锡地铁1 号线盾构区间部分风险点的三维有限元模型, 通过模拟分析揭示了盾构施工扰动对地层位移场以及建筑物隆沉的影响规律. 李方明等[9]采用ABAQUS 有限元软件建立了双线盾构隧道下穿桩箱基础建筑计算模型, 模拟了不同桩长、桩径、土体损失率及不同工况下, 桩基和基础底板附加变形及附加内力的变化规律. 庞峰等[10]为研究浅埋暗挖法地铁隧道施工对地面密集建筑物的影响规律, 建立了地铁隧道和城市建筑物的FLAC3D 数值模型, 运用数值模拟方法分析研究了典型施工过程对地面密集建筑群的影响规律.

要模拟分析建筑物的沉降变形规律, 首先要准确分析建筑物下方地表的变形规律. 基于此, 本工作以青岛地铁隧道下穿某建筑物为例, 利用施工过程中监测到的地表沉降数据, 借助随机介质理论和Peck 方法反分析地表移动参数, 研究了地表沉降规律; 将准确预测到的地表沉降结果施加于研究对象建筑物, 通过建立三维有限元分析模型, 研究了建筑物沉降变形的一般规律.

1 工程概况

本工作选取青岛地铁3 号线某区间隧道下穿的一栋钢筋混凝土框架-剪力墙结构建筑物——位于青岛市市南区的公共资源交易大厅为研究对象(见图1(a)), 分析了其在隧道施工影响下的沉降变形规律. 该建筑物与双线隧道的相对位置关系如图1(b)所示. 与本工作相关的建筑物和隧道基本情况如表1 所示.

图1 建筑物及其与下穿隧道平面位置关系Fig.1 Building and the relative position relation with tunnel

2 地层沉降规律

2.1 Peck 方法反分析地表移动参数

Peck 方法运用公式将隧道施工引起的横向地表沉降简化为如式(1)所示的高斯曲线. 该曲线所在平面与隧道轴线垂直[1].

式(1)基于系统的地层损失率概念, 其中S(x)为地表水平面上距隧道中心x 处的地表沉降值,A 为开挖横断面面积, Vl为沿开挖隧道方向单位长度的地层损失, i 为正态分布的沉降槽宽度[11-12].

表1 建筑物和隧道基本情况Table 1 Basic conditions of building and tunnel

本工作对选取的6 个断面数据进行拟合, 拟合函数为高斯分布函数, 拟合参数为反弯点距离i. 具体的拟合过程[13]如下: ①定义纵坐标为ln(S/Smax), 其中Smax为监测断面的最大沉降值; 定义横坐标为沉降监测点至隧道中心线水平距离的平方, 绘制一个监测断面的所有监测点; ②利用数学方法对各监测点进行线性拟合, 获得拟合直线斜率ζ; ③通过直线斜率求得沉降槽宽度i =④基于隧道开挖尺寸, 通过理论计算的方法确定参数Vl; ⑤基于上述两个参数绘制沉降曲线, 得到断面1 的拟合结果, 如图2 所示.

图2 断面1 地表沉降拟合结果(i=11.87 m, Vl =0.019 8, 埋深16.8 m)Fig.2 Fitting results of surface settlement of Section 1 (i = 11.87 m, V1 = 0.019 8, tunnel depth 16.8 m)

通过Peck 方法对隧道其他5 个断面的沉降数据进行了拟合, 各断面的沉降槽宽度和地层损失率如表2 所示.

2.2 随机介质理论反分析地表移动参数

随机介质理论可以用来预测由隧道开挖引起的地表沉降. 开挖位置的地层条件会影响角的正切值tan β 和隧道断面的均匀收缩值ΔR. 这些都取决于开挖位置的特定地层条件所采用的施工方法、施工条件等因素, 是多个影响因素的综合影响结果. 表3 给出了相似地层多个监测断面的移动参数分析结果. 图3 给出了其中一个断面的反分析参数预测结果与实测结果的对比.

表2 各断面地表沉降规律统计Table 2 Statistics of surface settlement law of each section

表3 地表沉降反分析参数Table 3 Back analysis parameters of surface subsidence

图3 隧道断面反分析结果预测曲线与实测结果Fig.3 Comparison of predicted curve and measured result of back analysis of tunnel section

3 框架-剪力墙结构竖向位移分析

3.1 有限元模型

模型参数的取值来源于该建筑物的设计资料及现场检测结果. 该混凝土结构总高55.4 m,共15 层, 层高3.6 m(第一层设计为商铺, 层高5.0 m). 构件截面尺寸、混凝土强度等级及配筋率如表4 所示, 构件结构的三维有限元模型如图4 所示. 模型中的剪力墙、楼板均为钢筋混凝土现浇. 混凝土材料的参数取值为泊松比δ1= 0.2, 密度ρ = 2 500 kg/m3. 其余参数同MISO型多线性强化模型.

表4 构件属性表Table 4 Building component attributes

图4 构件结构的三维有限元模型Fig.4 3D finite element model of components and structures

3.2 模型施加的沉降条件

为了对比研究, 本工作选取两种工况进行分析: 工况1 是隧道开挖初期, 即地表沉降较小时对建筑物产生的影响, 地表沉降槽宽度参数K =0.613, 地层损失率Vl=0.003 5; 工况2 是该处地表沉降趋于稳定时对建筑物产生的影响, 地表沉降槽宽度参数K = 0.613, 地层损失率

3.3 不同工况结构的位移分析

(1) 工况1.

为了分析地表沉降对建筑物竖向位移的影响规律, 本工作首先分析了重力在建筑物上产生的竖向位移. 按照前述的荷载施加方法得到了建筑物在重力作用下的竖向位移, 如图5 所示. 从该竖向位移云图可以看出, 建筑物在自身重力作用下产生的最大位移出现在建筑物平面的中部, 为7.3 mm.

图5 重力作用下的竖向位移Fig.5 Vertical displacement under gravity

将工况1 竖向位移荷载作用下的建筑物总体变形与重力荷载作用下的变形相减, 得到了建筑物仅在工况1 竖向位移荷载作用下的竖向变形, 如图6 所示, 其中沉降值较大的位置就是隧道正上方影响范围内的建筑物.

图6 沉降作用下的竖向位移Fig.6 Vertical displacement under the effect of settlement

图7 提取了重力荷载作用下、竖向沉降荷载作用下以及两种荷载共同作用下的竖向位移.在建筑物长轴方向上, 由于尺寸范围较大以及剪力墙的影响, 一层顶部混凝土梁的竖向位移在重力作用下的分布就不是一条直线. 同时, 在地表沉降作用下, 整体竖向变形也符合沉降槽的分布形状.

(2) 工况2.

施加工况2 的沉降荷载于建筑物上, 得到的两个剖面上的竖向位移曲线如图8 所示. 从图7 和8 的纵向剖面竖向位移分布曲线可以看出, 两种工况下建筑物的变形规律基本一致, 但工况2 下建筑物的变形更接近地表沉降变形.

图7 工况1 横向剖面和纵向剖面上, 一层顶部沉降曲线Fig.7 Settlement curve of top layer 1 on transverse and longitudinal sections under working condition 1

图8 工况2 横向剖面和纵向剖面上, 一层顶部沉降曲线Fig.8 Settlement curve of top layer 1 on transverse and longitudinal sections under working condition 2

4 结 论

本工作以预测建筑物下方地表沉降为目的, 运用理论方法基于实测地表沉降数据反分析了特定地层条件的地表变形参数, 建立了研究对象钢筋混凝土框架-剪力墙结构的有限元模型,分析了地表沉降荷载作用下建筑物的竖向变形规律, 得到以下结论.

(1) 随着的地表变形程度的加大, 结构竖向位移随之增大, 结构竖向位移规律受地表变形规律的影响.

(2) 本工作研究目标建筑物所处地层的变形参数如下: 地表沉降槽宽度参数K = 0.613,地层损失率Vl= 0.019 28; 主要影响角正切值为tan β = 0.785, 平均断面收缩值ΔR =16.36 mm.

(3) 本工作研究对象建筑物处于隧道开挖引起的地表沉降曲线的上方, 建筑物中部很大范围受到地表沉降的影响, 结构构件的变形将加大钢筋混凝土材料的有效应力, 引起附加应力,导致结构破坏.