隧道盾构引起邻近建筑物及桩基变形分析.doc

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摘要:以天津地铁2号线隧道盾构施工为背景，取沿盾构轴线右侧一6层框架居民楼为研讨对象，基于ABAQUS软件，建立了隧道和邻近建筑物及其桩基的计算模型，分析盾构施工对邻近建筑物及其桩基础变形的影响。结果表明，隧道盾构施工导致地表沉降，引发框架结构及其桩基变形，框架全体向隧道盾构一侧倾斜。其中框架梁靠近中柱一端沉降较大，而框架中柱及其桩基也较两侧边柱及其桩基的沉降大。同时表明，盾构施工对邻近建筑物及地下桩基变形产生的影响是全体相关的，在隧道盾构施工时应引发相关设计与施工部门的留意。
关键词：隧道盾构；邻近建筑物；桩基础；数值分析；变形

隧道盾构施工已成为城市建筑地铁的必要手段，然而，在无量的城市空间中，隧道往往不可避免地会与已有的建筑物相邻近，它们之间有着复杂的彼此作用关系。盾构施工不可避免地会对四周地层产生扰动，使四周孔隙水压变化、地层原始应力重新分布、本来的土体平衡形状遭到破坏，这导致地表发生沉降变形，引发地上或地下邻近建筑物、构筑物的开裂、甚至破坏等问题[1]。
从目前相关材料来看，盾构施工研讨多侧重于对地面沉降量及影响范围的预测[2-4]，或盾构对地下构筑物或管线的影响[5-10]，而盾构对沿线上部建筑及其下部结构全体影响研讨及盾构对建筑物全体(包括土、基础和地上结构)引发的结构变形规律研讨较少。
本文以天津地铁2号线某区间段隧道盾构施工为背景，利用ABAQUS软件建模，进行数值计算，分析隧道盾构施工引发的邻近建筑物及地下桩基的变形规律，为研讨盾构施工引发邻近建筑物及地下桩基全体变形提供了参考。

1工程概况
所采用隧道盾构区间段沿盾构轴线一侧下穿市区6~8层建筑物，结构方式以框架结构为主。
该区段隧道盾构中心距地表16m，盾构直径为6.2m，盾构管片设计采用净空Φ5500mm，管片厚度350mm，环宽1.2m。
建筑物位于隧道右侧，为6层框架结构居民楼，层高为3.3m，开间宽6m，梁截面尺寸为600mm×300mm，柱截面尺寸为500mm×500mm，地下为桩基础，桩径为500mm，桩长13m。桩基离隧道右侧缘最近距离为4m，最远距离为20m(图1，轴线从左至右为A—D轴)。

2隧道盾构引发地表沉降
2.1地表沉降现场监测点布置
由于隧道盾构区间较长，取盾构轴线上三个盾构横截面(R210、R211、R212)的地表沉降监测值作统计分析。R212断面涉及建筑物，其余纵向监测每隔两环布置一点。横向断面监测以轴线为中心，摆布对称布置，每隔10m布置一点，每侧布置3个测点，具体隧道监测点布置见图2。

2.2实测结果分析
关于隧道盾构开挖引发的地表沉降，普通常用Peck公式[11]经验法估算。该法主要是根据隧道盾构开挖后地表沉降槽的外形用必然的曲线表示。图3为实测各断面的地表沉降曲线，可以看出隧道盾构施工产生的地表沉降横向分布呈近似正态分布曲线，隧道轴线部位沉降最大，建筑物也在沉降影响较大范围内，这与经验法结果分歧。

3ABAQUS无量元数值模拟
3.1模型建立
隧道沿纵向可以看作无量长，分析时作平面应变问题处理，模型简化为二维模型。其中土体、衬砌、桩基础采用平面壳单元模拟，框架采用梁单元模拟。隧道的衬砌、地表建筑和桩基础都是钢筋混凝土材料。其中隧道衬砌及桩基础与四周土体均设有摩擦接触。本文建模时采用在衬砌施工前，将开挖区单元的模量降低，顺次来模拟应力释放效应。计算区域各层土体及混凝土的参数见表1、表2。

3.2盾构开挖模拟
采用ABAQUS中单元生死操作模拟盾构土体开挖，利用模量衰减方法来模拟应力的部分释放景象。在平衡地应力后，加入以下几个分析步：reduce分析步，在此步中开挖区模量衰减40%；add分析步，此步中激活衬砌单元；remove分析步，此步中移除隧道开挖单元。此外，还需定义场变量FieldVariable相关的弹性模量参数。模型网格划分采用手动划分方式，划分结果见图4、图5。

4计算结果分析
4.1地表沉降
由图6所示地表沉降计算曲线可见，地表在建筑物中柱附近产生了最大沉降，最大沉降值为20mm。这说明建筑物的存在对地表沉降有必然影响。隧道盾构引发的地表沉降趋势仍然符合Peck公式所计算结果，曲线在地表横向分布呈近似正态分布曲线，以建筑物中线为轴对称分布。阔别盾构开挖，地表沉降值越小，且与前述实测R212横断面的地表沉降值分歧。这一结果表明，根据本文所取的模型及参数的数值模拟结果与实测数据及经验公式计算值有很好的分歧性。

4.2建筑物变形
图7、图8分别为左、右侧各层梁的竖直位移曲线。可见，左侧梁的竖直位移从左至右逐渐添加，而右侧梁的竖直位移从左至右逐渐减少。两侧梁的竖直沉降曲线近似对称于框架中线，这与隧道盾构引发的地表沉降曲线基本分歧。可见框架中柱的沉降