地铁施工引起地层和建筑物沉降特征研究.pdf

第 34 卷 第 7 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.7 2012 年 .7 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering July 2012 地铁施工引起地层和建筑物沉降特征研究 漆泰岳 （1. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031） 摘 要尽管无建筑物的地层沉降特征已有定论，但有建筑物条件下的地层和建筑物沉降特征还有待深入研究，有建 筑物的地层沉降特征比无建筑物更具有理论研究和工程应用价值。为此，以特定地层和浅基础建筑物为研究条件，应 用 FLAC3D建立三维数值模型，对无或有建筑物条件下的地层和建筑物沉降特征进行对比研究，揭示建筑物与隧道不同 空间位置的地层和建筑物的沉降特征，探讨地铁隧道施工引起建筑物沉降的安全控制标准。在此基础上，通过对某工 程的实例分析，表明数值模拟与实测结果具有较好的一致性，为地铁隧道施工的安全评价提供了技术支持。 关键词地铁隧道；地层沉降；数值模拟；建筑物沉降 中图分类号TU470 文献标识码A 文章编号1000–4548201207–1283–08 作者简介漆泰岳1958– ，男，重庆人，博士，教授，博士生导师，主要从事隧道与地下工程方面的教学和研究工 作。E-mail qitaiyue58。 Settlement characteristics of strata and buildings caused by metro tunneling QI Tai-yue 1. MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China Abstract Although the characteristics of ground settlement without buildings are definite, further researches are still needed on the characteristics of settlement with buildings. Such researches have more theoretical significance and engineering application value. Therefore, based on the particular strata and shallow foundation buildings as research conditions, three-dimensional numerical models are established by means of FLAC3D to comparatively study the settlement characteristics of strata and buildings under the conditions without or with buildings so as to reveal their settlement characteristics at different spatial positions and to discuss the safety control standards for building settlement caused by metro tunneling. Through a project example, the analysis shows that the numerical simulations and the measured results are in good consistency, and it will provide technical support for the safety assessment of metro tunneling. Key words metro tunnel; stratum settlement; numerical simulation; building settlement 0 引 言 地铁隧道施工引起周边地层的沉降变形，致使邻 近建筑物也产生不均匀沉降变形，使建筑物结构内部 产生附加内应力，对建筑物产生不利影响[1-4]。无建筑 物条件下的地表沉降特征在许多文献中已经有深入研 究，最具代表性的是 Peck 等[5-6]提出的横向沉降槽经 验公式，该经验公式已经在中国隧道工程中得到广泛 应用[7-10]。然而，城市地铁大多修建在高楼林立的地 区，地铁隧道施工引起的地层沉降必然会对建筑物产 生影响，同时建筑物也会对地层沉降产生约束作用， 有建筑物的地层沉降特征与无建筑物是完全不同的， 建筑物的结构形式对地层沉降变形的约束作用也不尽 相同。浅基础建筑物对地铁隧道施工引起的地层沉降 更为敏感，目前地铁修建中，此类建筑物的沉降控制 是地铁隧道施工的技术难点之一，急需开展有建筑物 的地层沉降特征研究，以解决地铁修建的技术难题。 地表沉降重点关注的是地表的绝对沉降量，而对 于建筑物则不仅要关注绝对沉降量，更重要的还要关 注相对沉降量 （即不均匀沉降量） 。 地铁隧道施工是一 个动态过程，在这个过程中，受到影响的地层和建筑 物的变形和受力也是一个动态过程。地表和建筑物发 生最大绝对沉降量的时刻，并不一定是建筑物发生最 大相对沉降量和结构应力状态最不利的时刻。工程实 践表明，在地铁隧道穿越建筑物的时刻往往是建筑物 ─────── 基基金项目金项目中央高校基本科研业务费专项资金项目（WSJTU11ZT33） 收稿日期2011–09–14 1284 岩 土 工 程 学 报 2012 年 最危险的时刻。 因此， 讨论隧道施工对建筑物的影响， 应当紧密结合隧道施工过程。在这种情况下，再应用 经典的 Peck 横向沉降槽公式来回答建筑物在什么状 态下将会发生最大的相对和绝对沉降量，以及建筑物 是否安全，会不会开裂破坏等一系列与隧道施工过程 密切相关的问题，显然是不可行的。然而，此方面的 研究目前还较少。为此，本文应用 FLAC3D建立三维 数值模型，以特定地层和浅基础砖混结构建筑物为研 究对象，对无或有建筑物的地层沉降变形特征进行对 比研究，揭示建筑物与隧道不同空间位置关系的地层 和建筑物的沉降特征，探讨地铁隧道施工引起建筑物 沉降的安全控制标准，本研究成果对地铁施工的安全 评价具有一定的指导作用和参考价值。 1 计算条件 1.1 地层和隧道条件 以广州地铁 6 号线东湖车站盾构区间隧道和地层 条件为例。 隧道埋深 15.36 m、 隧道开挖直径为 6.28 m、 管片外径 6 m、管片内径 5.4 m、管片厚度 300 mm、 管片宽度 1.5 m、双线中对中间距 13 m。右线隧道超 前左线 50 m， 盾构穿越建筑物时的平均推进速度 6 环 /d（即 9 m/d） 。地层–隧道–楼房位置如图 1 所示。 图 1 地层–隧道–楼房位置图 Fig. 1 Location of strata, tunnels and buildings 1.2 楼房结构和与隧道的位置关系 （1）楼房条件 楼房尺寸40 m14 m27 m（长宽高） 。 结构形式6 层楼房，条形浅基础砖混结构，基 础埋深 2 m。 （2）楼房与隧道的位置关系 楼房与隧道的位置分为平行、垂直和 45斜交 3 种形式①当平行布置时（图 2（a） ） ，取 S 分别为 0， 6.5，13，19，25，31 m 共 6 种位置；②当垂直布置 时（图 2（b） ） ，取 S 分别为 0，6.5，17，32，47 m 共 5 种位置；③当 45斜交时（图 2（c） ） ，取 S 分别 为 0，6.5，17，32，47 m 共 5 种位置。 图 2 隧道–楼房位置图 Fig. 2 Location of tunnels and buildings 1.3 数值模型及参数 （1）模型尺寸 150 m100 m40 m（宽厚高） 。 （2）模型参数 地层和楼房都选用实体单元， 服从 Mohr-Coulomb 屈服准则，其中楼房的墙体、楼板、楼顶和基础按照 实际尺寸建模，其参数分别如表 1，2 所示。盾构管片 选用壳单元，其参数弹性模量为 10500 MPa，泊松 比为 0.2，厚度为 0.3 m，重度为 2500 kg/m3。地层与 楼房之间设置接触单元，其参数法向模量为 500 MPa，剪切查勘量为 0.5 MPa，内摩擦角为 30，黏 聚力为 0.003 MPa，抗拉应力为 0.003 MPa。 2 地层沉降槽特征 地层沉降槽是指隧道开挖引起的地层沉降曲面， 可分为横向和纵向沉降槽。 2.1 无建筑物时 （1）横向沉降槽 在无建筑物时，许多文献[5-10]都已经得出横向沉 降槽满足正态函数（Gauss 函数） ，如图 3 所示，即 2 c 2 0 e π/2 x x W A zz W      ， 1 式中， 1 0 π/2ln4 c WA zzW W ，。其中，z 为沉降 量（m） ，z0为正态函数 z 轴的偏移量（m） ，xc和 zc 第 7 期 武清玺,等.混凝土面板堆石坝可靠度计算方法研究 1285 分别为正态函数中心点的 x 和 z 轴值（m） ，A 为正态函数曲线包络面积，2W1为沉降槽宽度（m） 。 表 1 围岩物理力学参数 [11] Table 1 Physico-mechanical parameters of strata 序号 地 层 厚度/m 体积模量 /MPa 剪切模量 /MPa 内摩擦角 / 黏聚力 /MPa 抗拉应力 /MPa 密度 /kg m -3 1 杂填土 1.00 5.6 1.23 14 0.0100 0.0100 1800 2 淤泥质土 1.80 7.8 2.03 16 0.0047 0.0047 1650 3 粉细土 3.50 16.5 4.70 31 0 0 1900 4 强风化粉砂质泥岩 3.00 29.1 9.70 33 0.0400 0.0050 2100 5 中风化粉砂质泥岩 2.90 56.7 23.2 36 0.1000 0.0100 2480 6 微风化粉砂质泥岩 8.67 84.7 39.0 40 0.4000 0.0400 2510 7 完整粉砂质泥岩 39.13 119.0 61.2 43 5.0000 0.5000 2510 表 2 建筑物物理力学参数 Table 2 Physico-mechanical parameters of buildings 序号 建筑物结构 厚度 /m 体积模量 /MPa 剪切模量 /MPa 内摩擦角 / 黏聚力 /MPa 抗拉应力 /MPa 密度 /kg m -3 1 基础 2.00 4460 2290 48 1.80 1.80 2500 2 楼板 0.40 4460 2290 48 1.80 1.80 2500 3 墙体 0.45 2975 1530 47 1.25 1.25 2500 4 楼顶底 0.50 4460 2290 48 1.80 1.80 2500 图 3 横向地层沉降槽 Fig. 3 Curves for cross-section settlement trough of strata 当单线隧道开挖时，接近隧道位置的横向地层沉 降槽仍然满足 Gauss 函数；而双线隧道开挖后，当接 近隧道位置将会出现 “W” 型沉降槽， 已不满足 Gauss 函数。 （2）纵向沉降槽 在无建筑物时，虽然也有许多文献[8-10]都得到了 纵向沉降槽的曲线形状，但对其满足什么函数形式并 没有明确的结论，本文通过曲线拟合分析，得到纵向 沉降槽满足负指数函数（Boltzmann 函数） ，如图 4 所 示，即  0 12 2 1e x x x d AA zA     ， 2 式中，A1和 A2分别是 Boltzmann 拟合函数上、下 z 轴 值（m） ，dx为待定系数（m） ，x0为曲线的捌点 x 坐标 值（m） 。 2.2 有建筑物时 （1）地层沉降一般规律 当有建筑物时，地层沉降槽受到建筑物基础的约 束而发生明显地变化，建筑物基础及邻近地层的沉降 曲面呈现出近似平面形状（图 5） 。当地层逐渐远离建 筑物时，地层沉降槽逐渐恢复到无建筑物时的地层沉 降特征，即横向沉降满足 Gauss 函数（图 5（b） ） ，而 纵向满足 Boltzmann 函数（图 5（c） ） 。 图 4 纵向地层沉降槽函数曲线 Fig. 4 Curves for longitudinal-section settlement trough of strata （2）水平距离 S 对建筑物沉降的影响 当建筑物基础几何尺寸小于地表沉降槽宽度时， 隧道开挖就会对建筑物沉降产生较大影响。隧道开挖 对建筑物的影响可分为以下 3 种情况①当 0≤S3D 时（S 见图 1，D6 m 管片外径） ，建筑物对沉降槽的 影响较大（图 6（a）～（c） ） ；②当 3D≤S4D 时， 建筑物对沉降槽的影响逐渐减小，建筑物的几何中心 已经不在沉降槽的影响范围之内，建筑物所在位置即 使对沉降有一定的影响，但对沉降槽曲面的影响较小 （图 6（d） ） ；③当 4D≤S 时，建筑物对沉降槽的影 响已经很小，地层将按其无建筑物的规律发生沉降变 形（图 6（e） ） 。 3 地层滑移线与沉降槽 2 岩 土 工 程 学 报 2012 年 地层滑移线是地层位移沉降等值线与地表和隧道轮廓线相连通的最小值曲线。地表沉降槽是地表发生 图 5 建筑物和地层沉降曲面 Fig. 5 The settlement surfaces of building and strata 图 6 建筑物与隧道不同位置的建筑物和地层沉降图 Fig. 6 Settlement images of buildings and strata at different positions 沉降变形的影响范围，地表沉降槽分为横向和纵向两 个方向，通常所指的是横向沉降槽。 3.1 无建筑物时 在实际工程中，地铁开挖最有可能首先引起地表 坍塌的位置往往发生在最大位移线与地表连通的范围 内（图 7（a） ） ，此时地表才刚刚出现坍塌，坍塌面积 较小，但此时的地层仍然处于不稳定状态。若不及时 处理，地表还会继续坍塌，地表坍塌面积继续加大， 直至达到地层滑移线。在文献[6]中，确定横向沉降槽 宽度按照下式计算 2tan 2tan HD W HDB       单线 双线 ， 3 式中，W 为沉降槽宽度（m） ，H 为隧道埋深（m） ，D 为隧道盾构管片外径（m） ，B 为左、右线隧道中对中 间距（m） ，为地层平均滑移角（） 。 按式 （3） 计算得到的是地层滑移线所形成的沉降 变形宽度。从图 7（a）中可以看出，地层沉降槽影响 范围比由式（3）计算的结果大得多。因此，若按照式 （3） 确定沉降槽宽度在工程应用上不安全， 应以实际 地表沉降变形范围为准。 3.2 有建筑物时 图 7（b）～（g）是建筑物与隧道不同位置的地 层滑移线和沉降槽宽度。从图中可以看出，有建筑物 与无建筑物时的地层滑移线和沉降槽有较大差别 （1）当 0≤SD 时（图 7（b）～（c） ） ，建筑物 使地层滑移角加大，且在建筑物位置的地层位移量明 显增加，地层发生滑移影响范围与无建筑物时有所减 小。地表沉降槽宽度明显加大。 （2）当 D≤S2D 时（图 7（d）～（e） ） ，在建 筑物位置的地层滑移角也明显加大，在建筑物远离隧 道一侧的地层滑移角在局部范围内会明显加大。地表 沉降槽宽度也明显加大。 （3）当 2D≤S4D 时（图 7（f） ） ，单线开挖后 的地层滑移线发生在建筑物靠近隧道的一侧，使得地 层的平均滑移角加大，当双线开挖后，地层滑移线发 生在建筑物远离隧道的一侧，地层平均滑移角有所减 小。地表沉降槽宽度比无建筑物时加大。 （4）当 4D≤S 时（图 7（g） ） ，单、双开挖后的 2 岩 土 工 程 学 报 2012 年 地层滑移线都发生在建筑物靠近隧道的一侧，地层平均滑移角加大。地表沉降槽宽度也明显加大。 图 7 无和有建筑物条件下单双线隧道开挖后的地层滑移线与沉降槽图 Fig. 7 Images of slide line and settlement trough of strata after excavation of single and double tunnels under condition without or .with buildings 综上所述，建筑物的存在改变了地层滑移角，总 体来看， 建筑物所处位置的局部地层滑移角明显加大， 而地层平均滑移角要视建筑物与隧道的位置而定。另 外，建筑物的存在总体都使得地表沉降槽宽度加大。 应用式（3）即通过地层滑移线（角）确定地表沉降槽 宽度的方法不科学。 4 隧道施工过程对建筑物沉降影响 从上节分析中可知，隧道开挖完成后对建筑物影 响较大的范围大致在 0～2D 范围内。为此，特别对此 范围内的建筑物沉降变形进行分析。图 8 是隧道开挖 过程中建筑物在不同位置的地表和建筑物沉降曲面。 从图 8 中可以看出 （1）无论建筑物与隧道是平行、垂直还是 45 斜交，建筑物发生最大相对沉降量的时刻都发生在隧 道开挖过程中的某个时刻，此时建筑物的绝对沉降量 2 岩 土 工 程 学 报 2012 年 并不大，而建筑物发生最大绝对沉降量的时刻一定都发生在双线隧道开挖完成之后，此时建筑物的相对沉 图 8 建筑物与隧道不同位置的建筑物和地层沉降变形图 Fig. 8 Images of building subsidence and settlement trough of strata at different positions of buildings and tunnels 降量并一定最大。 （2） 当建筑物基础几何尺寸小于或等于沉降槽宽 度时，当 0≤S≤2D 时，隧道施工对建筑物的沉降变 形影响较大，且建筑物与隧道位置关系不同，建筑物 的相对沉降量也有一定的差别，比如当建筑物与隧 道轴线平行时（图 8（a） ） ，建筑物的最大相对沉降量 发生在右线隧道开挖到建筑物的大致中间位置，其值 为 ΔL6 mm（图 8（a） （1） ） ，而最大绝对沉降量则 发生在双线隧道全部开挖完成之后，其值为 L17.7 mm（图 8（a） （4） ） 。又比如当建筑物与隧道垂直 和成 45斜交时（图 8（b）和（c） ） ，垂直位置时的 最大相对和绝对沉降量都发生在双线开挖完成之后， 分别为ΔL8 mm，L16 mm（图 8（b） （4） ） 。45 斜交时的最大相对沉降量发生在右线隧道开挖到建筑 物的大致中间位置， 其值为 ΔL9 mm （图 8 （c） （1） ） ， 最大绝对沉降量发生在双线开挖完成之后，其值为 L19 mm， 此时的相对沉降量仅为 ΔL1 mm （图 8 （c） （4） ） 。 （3） 在建筑物所处位置的地层沉降变形都会受到 建筑物基础的约束影响而发生较大的变化，建筑物基 础的变形呈现出整体平面倾斜变形形式。 综上分析，地铁隧道施工过程对建筑物沉降变形 影响主要表现为相对沉降变形与隧道施工过程密切 相关，不能脱离开隧道施工过程来谈建筑物的相对沉 降变形，而建筑物的绝对沉降变形与隧道最终开挖完 成的状态直接相关，建筑物的相对和绝对沉降变形与 建筑物与隧道的空间位置有直接关系。 5 安全评价 在隧道开挖过程中，地表、建筑物和隧道是否安 全，是根据它们是否满足变形和应力控制标准来判断 的[11-13]。 5.1 变形控制标准 楼房基础沉降量满足[11-12]  30 min 0.001 , L LE L       ， ， 4 式中，L 和L分别为楼房基础的绝对和相对沉降量， E 为楼房基础的长度或宽度。 地表沉降量应满足式 （4） 中的绝对沉降量标准要 求。各城市对地表绝对沉降量的规定是不同的，广州 市规定地表和建筑物的绝对沉降量 L≤30 mm。地表 相对沉降量是规范规定的，根据不同的建筑物结构形 式，标准是统一的。 5.2 应力控制标准 隧道和楼房结构偏心受压构件的抗压强度应满 足[13] 第 7 期 漆泰岳. 地铁施工引起地层和建筑物沉降特征研究 1289 aaa max R bhRR K NRR   。 5 式中 R， max R和 a R分别为结构的平均压应力、最大 压应力和极限抗压强度（MPa） ；K 为应力安全系数， K≥2；为构件纵向弯曲系数；为轴向力偏心影响 系数；b 为截面宽度（m） ；h 为截面厚度（m） ；N 为 截面平均轴向力（kN） 。 5.3 实例分析 地铁隧道下穿通过位于两条隧道中间的楼房（即 S0 m） ，楼房条件和地层条件如前所示。数值模拟计 算结果如图 8（a）所示。楼房测点布置如图 9 所示， 共布置了 6 个测点， 3、4 测点布置在楼房长边的中点， 1、2、5 和6 分别布置在楼房的角点[14]，实测数据 如图 10 所示。对比图 8（a）和图 10 可知 （1） 数值计算和实测都表明， 当右线盾构开挖在 接近楼房大致为 2D 时，就开始对楼房周边的地表产 生沉降影响，地表沉降量仅为 1.5 mm。当盾构推进到 楼房的前端时，楼房整体开始发生倾斜变形，相对沉 降变形量分别为数值计算 4.1 mm，实测 3.9 mm，两 者相差很小。同时楼房的另一端则发生隆起变形，隆 起变形量分别为数值计算 1.5 mm，实测值 1.8 mm。 此时楼房的绝对沉降量为 2.6 mm。 （2） 随着盾构的继续推进， 当稍微超过楼房中部 位置时，楼房产生最大相对沉降量，数值计算和实测 值分别为 6 mm 和 5.1 mm，此时的绝对沉降量分别为 7.5 mm 和 7 mm。当右线隧道开挖距离超过楼房 2D 时，楼房的沉降变形大致趋于稳定。 图 9 楼房测点布置 Fig. 9 Arrangement of monitoring points of buildings 图 10 楼房基础沉降变形实测曲线 Fig. 10 In-situ curves for building foundation subsidence （3） 当左线盾构开挖到楼房的中间位置时， 楼房 的相对沉降量再次达到最大值数值计算为 6 mm， 实测为 5.3 mm，此时楼房的绝对沉降量达到数值计 算 14 mm，实测 13 mm。当左线开挖完成后，楼房的绝 对沉降量达到最大值，分别为数值计算 17.3 mm，实测 16 mm，此时的相对沉降量数值和实测都小于 0.5 mm。 根据变形控制标准式（4） ，楼房的绝对沉降量 L17.3 mm30 mm；相对沉降量L6 mmmin {0.001401000,30}30 mm。盾构通过楼房时，楼 房沉降变形满足变形控制标准要求。 数值模拟计算结果表明，在右线盾构到达楼房中 间位置时，楼房发生最大相对沉降变形，此时楼房墙 体中间底部的应力最大，其值为 1.6 MPa，应力属性 为压应力。楼房墙的纵向弯曲系数0.98，轴向力 偏心影响系数0.645。楼房结构分为基础、楼板和 墙体，基础和楼板都为 C20 混凝土，其 a 15R  MPa。 墙体相当于 C15 混凝土， 其 a 10R  MPa。 根据式 （5） 计算可得 a max 3.952 R R  。 上述分析表明，在隧道开挖过程中楼房结构是安 全的。 6 结 论 （1）无建筑物的地层横向沉降槽满足正态函数 （Gauss 函数）分布，与经典的 Peck 沉降槽经验公式 结果完全一致，纵向则满足负指数函数（Boltzmann 函数）分布。单线开挖后的横向沉降槽的拟合度比双 线要高， 双线在越接近隧道时， 横向沉降槽呈现出 “W” 型，并不满足正态函数。 （2）有建筑物的地层沉降与无建筑物相差较大， 建筑物沉降呈现出整体平面倾斜变形，远离建筑物的 地层沉降曲面又逐渐恢复到无建筑物的形状。当建筑 物与隧道水平距离 0≤S2D 时， 隧道开挖对建筑物的 影响较大；当 2D≤S4D 时，隧道开挖对建筑物的影 响逐渐减弱；当 S≥4D 时，隧道开挖对建筑物的影响 很小。 （3） 由地层滑移线形成的地层沉降范围并不是地 表沉降槽宽度，地表沉降槽宽度应按实际影响范围来 确定，建筑物的存在使得地表沉降槽宽度和地层滑移 角加大，而地层平均滑移角应视建筑物与隧道空间位 置关系而定。 （4） 建筑物的沉降特性及其绝对和相对沉降变形 都与隧道施工过程及与隧道的空间位置密切相关，建 1290 岩 土 工 程 学 报 2012 年 筑物发生最大相对沉降量的时刻正是建筑物处于最不 安全的时刻，此时往往发生在隧道正在穿越建筑物的 时刻，此时建筑物的绝对沉降量并不一定最大。建筑 物发生最大绝对沉降量的时刻一定发生在隧道开挖完 成之后，而此时的相对沉降量并一定最大。 综上所述，研究隧道施工对建筑物的影响，绝不 能脱离隧道施工过程， 再应用经典的 Peck 横向沉降槽 经验公式预测建筑物的变形和受力状态，分析建筑物 是否安全， 显然是不可行的。 本文应用数值模拟方法， 研究了实际工程的建筑物变形和受力状态，为地铁隧 道施工安全评价提供了技术支持。 参考文献 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