青岛地铁1号线施工对近接某大厦的影响研究

孙三祥

(北京爱地地质工程技术有限公司,北京 100144)

城市隧道开挖会对近接建筑产生难以避免的扰动,严重时影响建筑的安全性。因此,开展隧道开挖对临近建筑的影响研究具有现实意义。

国内外学者对此开展丰富的研究。黄土地层中暗挖隧道的施工会对近邻的建筑产生较大影响,王哲[1]采用三维数值模拟的方法,研究了暗挖隧道施工过程中支护结构力学特性演化特征,并分析了暗挖隧道施工对近邻建筑的影响规律。当前异型结构的连拱隧道对邻近建筑物的影响研究较少,郑学贵等[2]通过上部结构荷载估算、隧道建模等方法,建立连拱隧道下穿高层建筑安全性影响分析方法,并对隧道开挖后地基的变形与隧道支护的受力特性作出安全性评价,研究成果对类似工程具有参考与指导意义。为研究隧道施工对近接在建建筑的影响,李科等[3]通过建立三维与二维有限元进行数值模拟,以评估明挖隧道基坑施工对在建门诊大楼的影响。城市隧道地下工程近接施工影响是由于新建工程的施工引起围岩应力状态再次重分布,从而导致一系列的力学行为变化。章慧健等[4]利用数值模拟手段,对新建隧道近接既有建筑物施工的破坏模式进行了研究。近年来,在城市隧道设计和施工中,盾构通过建筑物和近距离地下结构等环境越来越复杂。Peng等[5]对郑州地铁5号线盾构隧道短距离侧穿砌体结构工程进行了分析。结果表明,当双线隧道施工完成时,地表沉降的最大值仍出现在隧道的中心线附近。该研究成果对盾构穿越施工后砌体结构的安全性进行合理的计算和评估,为今后类似工程提供参考。

上述学者的研究具有重要借鉴意义。本文以中国青岛市市中区隧道1号线近接某大厦为实例,利用ABAQUS有限元软件,结合单元删除算法、D-P塑性准则建立数值模型。分别从地表沉降、框架结构弯矩、轴向力三个参数分析隧道开挖对该大厦的影响,为大厦的安全运营提供指导。

1 工程概况

本文以中国青岛市某大厦为例,该大厦位于中国青岛市市中区,62 m高,为高层框架结构体系。大厦毗邻青岛火车站,距离青岛站—地铁站约200 m,地铁隧道与大厦相距20 m。

青岛地铁1号线侧穿该大厦,隧道埋深为10 m～20 m。该处岩层主要为花岗岩,处于微—未风化带。岩体整体性较好,分别属于第Ⅱ,Ⅲ围岩。岩石节理裂隙连通率在24%～27%,质地坚硬,结构面紧闭。

为研究地铁1号线施工对该大厦的影响,本文利用ABAQUS有限元软件建立数值模型开展研究。

2 模型建立

2.1 计算模型

利用ABAQUS软件建立数值模型,模型采用三维应力计算模式(见图1)。模型分为两部分：上部框架结构,下部土体。对于下部土体,取土体尺寸为120 mm×120 mm×60 m, 底部边界采用固定约束模式,两侧采用水平约束模式,上部为自由边界。下部土层采用结构化划分方式,网格形式为C3D8R,共划分9 100个单元(见表1)。

上部框架结构模型62 m高,宽20 m。由于其刚度较大,弹性较好,取弹性模量为20 GPa,泊松比为0.17,密度为2 500 kg/m3。在模型建立过程中,梁柱为Beam模型,网格形式为B31,共划分800个单元。框架结构与下部土体采用通用接触方式,法向行为取“Hard”接触模式,切向行为取“Penalty”模式,摩擦系数取0.2(见表2)。

表1 土体力学属性

表2 框架结构力学属性

在框架结构体系中,框架梁采用统一的截面尺寸：250 mm×600 mm。框架柱的统一截面尺寸为 500 mm×500 mm,柱、梁混凝土等级均采用C30。

2.2 D-P准则

D-P准则：

(1)

I1=σ1+σ2+σ3

(2)

(3)

(4)

其中,I1为应力第一不变量;J2为应力偏量第二不变量;C,φ分别为土体的黏聚力和内摩擦角。

2.3 模拟步骤

本文数值模拟过程共分三步：1)建立隧道所在岩体的自重应力平衡分析步,以模拟岩体未被开挖扰动影响的应力分布状态。2)利用ABAQUS软件中单元删除法,实现隧道洞口的开挖、衬砌支护效果。3)进行迭代计算,分析隧道开挖对框架结构的影响。本文利用到单元直接删除技术以模拟隧道洞口区域岩体的消失。在数值模拟过程中,首先采用强度折减法对隧道硐室岩体强度参数进行折减,最后利用单元删除法实现硐室岩体的挖除[6-8]。

3 结果分析

本节分别从地表沉降值、框架结构的弯矩、轴向力三个角度分析隧道施工对该大厦的影响,为大厦安全运营提供指导。

3.1 地表沉降分析

地表不均匀沉降会导致建筑物倾斜,严重时导致建筑物损坏。城市隧道在开挖过程中,会使地表产生沉降,这对隧道临近的高层建筑的稳定性及安全性不利,因此对地表进行沉降分析具有必要性[9-10]。

从数值模型上表面选取中心点为观测点(见图1),中心点为大厦的重心对应地面的点。提取地层表面沉降曲线,x轴表示与距离中心点处的距离,y轴表示地层表面沉降值(见图2)。从图2可以看出,中心点处沉降值最大,为18.23 mm。距离中心点越远,地层表面沉降越小,地表沉降值与距离呈反比。根据《建筑地基基础设计规范》,建筑沉降极限值为20 mm,因此该建筑安全。

3.2 框架结构弯矩分析

弯矩是评价结构受力状态的重要参数之一,本节从弯矩角度分析隧道施工对近接建筑的影响。从数值模型中提取SM参数(弯矩),同时通过后处理手段显示弯矩的方向及数值大小,图中的箭头表示弯矩的方向(见图3)。

从图3可以看出,框架结构发生沉降时,底层柱产生附加弯矩。附加弯矩对称分布。该框架结构底层柱弯矩最大(7.53 kN·m),随着楼层升高,附加弯矩逐渐越小。框架结构最高层柱附加弯矩为1.25 kN·m,对结构不利影响很小。因此,框架结构底层柱的稳定性值得关注[11-14]。螺纹钢树脂锚杆强度高、质量轻,为避免地表沉降引起框架结构产生较大倾斜,建议采用螺纹钢树脂锚杆进行支护以提高隧道稳定性、降到地表沉降值[15-19]。

3.3 框架结构轴力分析

本节从轴向力角度分析隧道施工对大厦的影响。在ABAQUS有限元软件中,SF表示轴向力,箭头表示轴向力的方向(见图4)。从图4可以看出,框架结构轴向力方向为竖直方向,底层柱轴力最大,为4.06×103kN。框架结构柱轴向力大小与层高呈反比,最高层结构柱轴力仅为1.16 kN。当地表发生沉降时,框架结构底层不稳定。因此在隧道施工前,对建筑物底层进行调查评估、整治,内容包括裂缝治理、对建筑进行纠倾、加固建筑物提高抗倾覆能力。

3.4 隧道一次性开挖里程对上部结构的沉降影响

隧道开挖会导致围岩应力重分布,从而对地表以及上部结构产生影响。图5表示隧道一日开挖里程对上部结构的沉降影响,x轴为一日开挖里程,y轴为上部结构最大沉降值。从图5可以看出,随着隧道一日开挖里程增加,上部结构沉降值呈递增趋势,其对上部结构的影响就越大。当隧道一日开挖里程为10 m,20 m,30 m,40 m,50 m,60 m时,上部结构最大沉降值分别为9.35 mm,11.63 mm,13.52 mm,17.64 mm,18.36 mm,21.45 mm。为保证隧道施工期间对上部建筑的安全,建议隧道每日掘进进度为10 m左右。

4 结论

本文以青岛地铁1号线近接某大厦为工程背景,利用ABAQUS软件结合单元删除算法、D-P准则建立隧道开挖扰动近接建筑模型,结论如下：

1)隧道施工引起地表最大沉降值为18.23 mm,满足《建筑地基基础设计规范》要求,该建筑安全。

2)框架建筑底层弯矩、轴向力最大,随着层高增加,弯矩、轴向力的值减小。施工前,应当对建筑底层柱进行加固。隧道施工时,建议采用螺纹钢树脂锚杆进行支护以提高隧道稳定性。

3)隧道每日掘进进度越大,上部建筑物沉降值就越大,建议隧道每日掘进10 m左右以保证该大厦的安全。

4)本文未从建筑物与隧道相对位置角度展开研究,该方向有待进一步探索。此外,本文仅分析了框架结构底层柱的弯矩和轴向力规律,没有分析结构底层梁的弯矩与轴向力规律,该方向有待进一步研究。