王元清

(中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司, 重慶 400037)

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)壓力也在不斷增大，城市土地資源變得日益緊張，加快開(kāi)發(fā)利用城市地下空間已成為解決城市土地問(wèn)題的必然趨勢(shì)。淺埋暗挖法施工靈活且對(duì)地面交通和周?chē)h(huán)境影響較小，已成為解決城市公路、鐵路(地鐵)以及穿過(guò)鬧市區(qū)問(wèn)題的重要方案； 但由于其埋深較淺，開(kāi)挖必然會(huì)導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降、水平位移等, 從而造成對(duì)地面已有建筑物或設(shè)施的破壞，修建淺埋暗挖隧道而引起的地面塌陷、房屋損壞等工程問(wèn)題也層出不窮[1-4]。

目前針對(duì)隧道開(kāi)挖引起地表沉降的研究已有很多，常見(jiàn)的計(jì)算地下開(kāi)挖引起的地層位移的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析法和數(shù)值分析法。其中，Peck[5]所提出的經(jīng)驗(yàn)公式法是目前計(jì)算地層位移最常用的方法； Burland[6]所提出的 “彈性深梁模型”是目前計(jì)算地表沉降引起的建筑物變形損傷最常用的方法。在此基礎(chǔ)上，Namazi等[7]進(jìn)一步建立了彈性薄板模型； Boone[8]提出了一個(gè)更為詳細(xì)的，將建筑物結(jié)構(gòu)、形狀以及應(yīng)變相結(jié)合的方法，把建筑物承重墻看作受均布荷載的簡(jiǎn)支梁，證實(shí)了框架結(jié)構(gòu)建筑物的損傷主要取決于建筑物沉降差異和柱子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角度。此外，還有很多學(xué)者擴(kuò)展了以上模型，包括建筑質(zhì)量、土結(jié)構(gòu)界面的性質(zhì)以及隧道軸線方向的建筑尺寸等多種建筑特征[9-10]。通過(guò)將這些額外的建筑特性融入到原有的模型中，使試驗(yàn)?zāi)軌蚋蠈?shí)際工程。隨著大型通用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算軟件的發(fā)展，巖土工程的數(shù)值分析技術(shù)得到了有效提升，數(shù)值模擬法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于巖土工程地下開(kāi)挖領(lǐng)域。張海波等[11]編制了一種三維非線性有限元模擬程序，綜合考慮了地下隧道埋深、盾構(gòu)半徑、開(kāi)挖面應(yīng)力釋放量、盾尾空隙等盾構(gòu)施工工況所引發(fā)的地表沉降，建立了上海地鐵4號(hào)線某區(qū)間的數(shù)值計(jì)算模型。楊海鵬[12]運(yùn)用FLAC3D軟件建立了淺埋隧道開(kāi)挖的數(shù)值分析計(jì)算模型，對(duì)隧道開(kāi)挖中圍巖性質(zhì)、開(kāi)挖和支護(hù)條件、開(kāi)挖進(jìn)尺、隧道埋深、開(kāi)挖半徑和地層條件等一系列因素的影響進(jìn)行了研究。

上述專(zhuān)家學(xué)者就地下工程施工對(duì)周邊地層所產(chǎn)生的影響和地表建筑物的影響機(jī)制做了大量研究，但理論及數(shù)值方法均是對(duì)實(shí)際工程中可能出現(xiàn)情況的間接預(yù)測(cè)，并不能直接提供一手的數(shù)據(jù)資料； 而以往的模型試驗(yàn)大多是對(duì)單一的地表建筑物模型進(jìn)行研究，并且采用預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器的方法對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中地層的變形沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，會(huì)不可避免地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的干擾。鑒于此，本文通過(guò)室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)?zāi)M城市淺埋暗挖隧道分步施工條件，以研究地表建筑物變形特性，在試驗(yàn)中創(chuàng)新性地采用3D掃描技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)中地表建筑物和開(kāi)挖區(qū)域的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)運(yùn)用數(shù)字散斑技術(shù)(DIC)對(duì)地表建筑物模型墻體的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)并獲得建筑物墻體的應(yīng)變數(shù)據(jù)，做到非接觸式監(jiān)測(cè)，減小傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段因預(yù)埋監(jiān)測(cè)儀器對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，從而為后續(xù)的理論和數(shù)值模型研究提供可靠的數(shù)據(jù)對(duì)比。

1 試驗(yàn)原理和設(shè)備

本試驗(yàn)根據(jù)淺埋暗挖隧道的施工方法，對(duì)其進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化，按照1∶100的比例建立了室內(nèi)物理模型。該試驗(yàn)裝置主要分為4部分： 可拆卸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?、淺埋暗挖隧道開(kāi)挖模擬裝置、地表建筑物模型、地表沉降監(jiān)測(cè)裝置。室內(nèi)物理模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。可拆卸試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖錇?50 mm×650 mm×650 mm無(wú)蓋矩形鐵箱； 模型箱上部安裝3D掃描監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)地表及地表建筑物沉降； 前后兩面為透明亞克力板，以便DIC拍攝地表建筑物墻體應(yīng)變變化過(guò)程； 左右以及底部為厚鐵板，相互之間用角鋼和螺栓固定。為了更好地監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降現(xiàn)象，試驗(yàn)土體采用重度為17.5 kN/m3的中粗干砂，上部建筑物模型采用邊長(zhǎng)為10 mm的小立方體堆砌而成的750 mm×650 mm×650 mm長(zhǎng)方體。本試驗(yàn)中分別采用2個(gè)不同直徑的圓形套筒相互套接來(lái)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道的徑向收縮，其中外側(cè)套筒直徑為110 mm，內(nèi)測(cè)套筒直徑為100 mm，即由隧道開(kāi)挖引起的徑向收縮為10 mm。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)抽取外側(cè)套筒來(lái)模擬隧道的開(kāi)挖。

本次試驗(yàn)研究了淺埋暗挖隧道不同開(kāi)挖階段、不同位置地表建筑物的破壞形式以及建筑物表面所產(chǎn)生的應(yīng)變。建筑物模型沿隧道開(kāi)挖軸向的5個(gè)位置均勻排列，即分別位于距模型箱邊緣100、200、300、400、500 mm處，如圖2所示。淺埋暗挖隧道埋深為138 mm，開(kāi)挖長(zhǎng)度為600 mm，分3步開(kāi)挖，每次開(kāi)挖200 mm，每次開(kāi)挖步之間間隔30 s，使得建筑物和地表在淺埋暗挖隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生的沉降穩(wěn)定，再進(jìn)行地表和建筑物沉降以及建筑物應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集和拍攝； 然后，通過(guò)3D掃描裝置和DIC技術(shù)分別對(duì)地表和建筑物表面進(jìn)行拍攝； 最后，將所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)三維建筑物損傷模型進(jìn)行計(jì)算，得到建筑物變形所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變，推斷建筑物在不同位置情況下所受的主要變形。

A1—A5為5組地表建筑物模型；A、B、C、D為建筑物模型的4個(gè)角點(diǎn)。

圖2地表建筑物與淺埋暗挖隧道模型布置示意圖

Fig. 2 Relationship between surface building and shallow-buried tunnel

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 淺埋暗挖隧道開(kāi)挖過(guò)程中建筑物產(chǎn)生的變形及應(yīng)變規(guī)律

上述淺埋暗挖隧道開(kāi)挖引起地表建筑物損傷的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了不同位置地表建筑物的沉降規(guī)律以及變形規(guī)律。試驗(yàn)中由撓曲引發(fā)的最大剪切應(yīng)變和最大拉伸應(yīng)變的計(jì)算步驟如下。

1)在隧道開(kāi)挖前通過(guò)3D掃描技術(shù)對(duì)原始地表和建筑物進(jìn)行掃描，開(kāi)挖后再對(duì)地表和建筑物進(jìn)行掃描； 通過(guò)軟件數(shù)據(jù)分析可以得到試驗(yàn)后地表和建筑物相對(duì)試驗(yàn)前的沉降云圖； 通過(guò)得到的3D掃描沉降云圖，分別獲取建筑物4個(gè)角點(diǎn)的沉降量。

2)將整個(gè)建筑物簡(jiǎn)化為1個(gè)矩形厚板，通過(guò)所得到的角點(diǎn)沉降量計(jì)算出建筑物中心點(diǎn)沉降量。將所得數(shù)據(jù)帶入下列公式得到最大剪切應(yīng)變Ymax和最大拉伸應(yīng)變?chǔ)舖ax，如表1所示。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：εmax為最大拉伸應(yīng)變；Ymax為最大剪切應(yīng)變；Δ為建筑物中心沉降量(由建筑物4個(gè)角點(diǎn)沉降量推算)；a為建筑物模型寬度；δ1、δ2、δ3為建筑物模型參數(shù)，按式(3)—(5)計(jì)算。

(3)

(4)

(5)

表1淺埋暗挖隧道開(kāi)挖誘發(fā)地表建筑物損傷試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

Table 1 Test data of surface building damage induced by shallow-buried tunnel excavation

組別開(kāi)挖速度/(mm/步)隧道埋深/mm最大剪切應(yīng)變Ymax最大拉伸應(yīng)變?chǔ)舖axA12001380.2500.197A22001380.2430.183A32001380.1810.136A42001380.0580.044A52001380.0810.067

第1步開(kāi)挖后，地表建筑物受彎產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變變化如圖3(a)所示，主要變形是由撓曲引發(fā)的拉伸應(yīng)變?chǔ)藕图羟袘?yīng)變Y。由圖3(a)可知，在隧道掘進(jìn)過(guò)后地表建筑物已產(chǎn)生較大的變形，還未開(kāi)挖部分的地表建筑物也產(chǎn)生了一定的變形，但變形量相對(duì)于已開(kāi)挖部分地表建筑物較小，在距離掌子面-100 mm處，可以看到各項(xiàng)應(yīng)變值均大于其他位置。第2步開(kāi)挖后，建筑物的應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生了明顯變化，如圖3(b)所示，對(duì)比第1步開(kāi)挖結(jié)束時(shí)的應(yīng)變狀態(tài)，各個(gè)位置建筑物模型的各項(xiàng)應(yīng)變值都有不同程度的提高。其中，掌子面經(jīng)過(guò)的2處地表建筑物(即圖3(b)中-300 mm和-200 mm處)在第2步開(kāi)挖后產(chǎn)生的剪切應(yīng)變Y和拉伸應(yīng)變?chǔ)呕鞠嗤f(shuō)明開(kāi)挖后在距離掌子面-200 mm處其開(kāi)挖影響逐漸減小。圖2中A3位置處的建筑物模型在第1步和第2步開(kāi)挖后的應(yīng)變狀態(tài)(分別對(duì)應(yīng)圖3(a)中100 mm處和圖3(b)中-100 mm處應(yīng)變)有很大的差別，主要是受撓曲影響較為明顯，相對(duì)于第1步開(kāi)挖，該位置上建筑物模型的應(yīng)變?cè)隽孔畲?，Y、ε均有不同程度的增大，其原因是第1步未開(kāi)挖到該位置，而第2步開(kāi)挖引發(fā)其應(yīng)變產(chǎn)生突變。

(a) 第1步開(kāi)挖后

(b) 第2步開(kāi)挖后

圖3撓曲引發(fā)的最大剪切應(yīng)變和最大拉伸應(yīng)變變化柱狀圖

Fig. 3 Histogram maximum shear strain and tensile strain variation induced by deflection

2.2 淺埋暗挖隧道開(kāi)挖過(guò)程中3D掃描和DIC監(jiān)測(cè)的建筑物應(yīng)變特征分析

2.2.1 第1步開(kāi)挖后的沉降與變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

開(kāi)挖200 mm時(shí)(第1步開(kāi)挖后)，通過(guò)DIC監(jiān)測(cè)得到距離淺埋暗挖隧道掌子面0 mm處的地表建筑物模型CD側(cè)墻體的剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖4(a)所示。由圖可知，在建筑物模型CD側(cè)墻體的應(yīng)變?cè)茍D中出現(xiàn)了明顯的剪切帶，原因是在該位置處建筑物模型的AB側(cè)墻體和CD側(cè)墻體沉降差異較大，CD側(cè)墻體的沉降大于AB側(cè)，由于慣性的作用使得CD側(cè)墻體整體向AB側(cè)方向傾斜，從而使CD側(cè)墻體中部出現(xiàn)明顯的剪切帶。

圖4(b)示出第1步開(kāi)挖后距離掌子面-100 mm處地表建筑物4個(gè)角點(diǎn)的沉降狀態(tài)，由圖可知，建筑物模型產(chǎn)生比較明顯的不均勻沉降，此時(shí)A、C兩點(diǎn)的沉降值相近，B、D兩點(diǎn)的沉降值也相近，且A、C兩點(diǎn)的沉降值要大于B、D，結(jié)合圖4(a)所示的應(yīng)變情況可知，此時(shí)建筑物整體受彎和扭轉(zhuǎn)均比較嚴(yán)重。圖4(c)示出距離掌子面0 mm處地表建筑物4個(gè)角點(diǎn)的沉降狀態(tài)，由圖可知，AB側(cè)墻體的沉降值小于CD側(cè)，在ABCD平面受剪明顯。圖4(d)示出第1步開(kāi)挖后建筑物4個(gè)角點(diǎn)沉降曲線，由圖可知，距離掌子面較近的建筑物受開(kāi)挖影響明顯，產(chǎn)生了較大的不均勻沉降；其余位置由于距離相對(duì)較遠(yuǎn)，受到的擾動(dòng)小，但也有一定的沉降產(chǎn)生。綜上，可以看出開(kāi)挖影響區(qū)域的分布規(guī)律，即建筑物在位于隧道正上方且平行于隧道開(kāi)挖方向時(shí)，隧道開(kāi)挖引起建筑物模型的拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變隨著與掌子面距離的增大而減小。

(a) 建筑物CD側(cè)墻體剪切應(yīng)變?cè)茍D

(b) 距掌子面-100 mm處角點(diǎn)沉降

(c) 距掌子面0 mm處角點(diǎn)沉降

(d) 建筑物4個(gè)角點(diǎn)沉降曲線圖

圖4第1步開(kāi)挖后(開(kāi)挖200m時(shí))建筑物變形及沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

Fig. 4 Monitoring results of deformation and settlement of buildings after step 1 excavation(when excavation by 200 m)

2.2.2 第2步開(kāi)挖后的變形與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

開(kāi)挖400 mm時(shí)(第2步開(kāi)挖后)，通過(guò)DIC監(jiān)測(cè)得到該位置上建筑物模型的CD側(cè)墻體剪切應(yīng)變?cè)茍D如圖5(a)所示。由圖可知，在CD側(cè)墻體的上部和中部出現(xiàn)2條明顯的剪切應(yīng)變帶；其余位置的應(yīng)變由于仍處于未開(kāi)挖區(qū)域，應(yīng)變變化不大，但還是有少量增加。

(a)建筑物CD側(cè)墻體剪切應(yīng)變?cè)茍D

(b) 距掌子面-100 mm處角點(diǎn)沉降

(c) 距掌子面0 mm處角點(diǎn)沉降

(d) 建筑物4個(gè)角點(diǎn)沉降曲線

圖5第2步開(kāi)挖后(開(kāi)挖400m時(shí))建筑物變形及沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

Fig. 5 Monitoring results of deformation and settlement of buildings after step 2 excavation(when excavation by 400 m)

圖5(b)和圖5(c)分別對(duì)應(yīng)圖5(d)中距掌子面-100 mm和100 mm位置的沉降云圖。由圖5(d)可知: 沉降總體隨著與掌子面距離的減小而減小，其中距掌子面-100 mm和100 mm處建筑物4個(gè)角點(diǎn)的沉降相差較大，沉降最不均勻； 距掌子面100 mm處建筑物模型4個(gè)角點(diǎn)的沉降差值相比-100 mm處的沉降差值更大，但是100 mm處的整體沉降值不大，受到開(kāi)挖影響較小，故其受彎產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變要比-100 mm處小得多。綜上所述，可以得到以下結(jié)論： 在建筑物模型中軸線和隧道開(kāi)挖方向平行的情況下，建筑物模型受扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變主要是受建筑物模型角點(diǎn)的不均勻沉降差值影響； 建筑物模型受彎產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變主要是受各角點(diǎn)的沉降值大小影響。

3 結(jié)論與討論

本文通過(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，研究了城市淺埋暗挖隧道施工過(guò)程中上部地表建筑物的沉降和變形規(guī)律。試驗(yàn)中建筑物中軸線與隧道中軸線平行，采用2個(gè)不同直徑的圓形套筒相互套接來(lái)模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中隧道的徑向收縮； 隧道采用分步開(kāi)挖方式，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)用了3D掃描和DIC 2種非接觸式應(yīng)變監(jiān)測(cè)手段。試驗(yàn)得出的主要結(jié)論如下。

1)建筑物模型的各項(xiàng)應(yīng)變隨著與開(kāi)挖掌子面距離的增大而減小。

2)建筑物模型受扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切應(yīng)變主要受建筑物模型角點(diǎn)的不均勻沉降差值影響，不均勻沉降差值越大，受扭剪切應(yīng)變?cè)酱螅?建筑物模型受彎產(chǎn)生拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變受各角點(diǎn)的沉降值影響，沉降越大(即撓曲越大)，產(chǎn)生的撓曲拉伸應(yīng)變和剪切應(yīng)變也越大。

此外，本文研究的地表建筑物僅為沿隧道軸向分布的情況。在后續(xù)的研究中，將針對(duì)地表建筑物的不同方位、不同尺寸以及淺埋暗挖隧道的不同埋置深度開(kāi)展更加全面的研究。