盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(1. 北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044；2. 北京市市政工程研究院，北京 100037； 3. 北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045；4. 北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100037)
摘要：以北京地铁盾构区间隧道近距离侧穿高层建筑为背景，采用有限元计算和现场监测相结合的方法，对新建
(1. Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China；2. Beijing Municipal Engineering Research Institute，Beijing 100037，China；3. Beijing Municipal Engineering Group Co.，
且纵向长度都较长的特点，将三维问题简化为平面 应变问题，假设地层为均匀分布，选取隧道与建筑 物间距最小的最不利断面作为计算剖面，二维有限 元模型如图 3 所示。
• 605 •
图 5 单洞开挖后地层竖向位移等值线图(单位：m) Fig.5 Contours of stratum vertical displacement after single
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2010)03–0603–06
STUDY OF IMPACT OF SHIELD TUNNELING SIDE-CROSSING ON ADJACENT HIGH BUILDINGS
HE Meide1，2，LIU Jun3，LE Guiping4，WANG Mengshu1，ZHANG Dingli1
④ 粉质黏土
4.0 20.1
9.65 0.30 30.8 15.7 7.75 0.31 35.0 9.0
⑥ 粉质黏土
4.4 19.8 10.10 0.29 46.0 15.0
⑥2 粉土 ⑦1–⑦2 粉砂、中砂
⑦ 圆砾
6.0 20.2 13.20 0.30 33.0 28.0 3.6 19.9 35.00 0.28 0.0 32.8 1.4 21.1 60.00 0.25 0.0 40.0
侧发生一定程度的倾斜，直至后期稳定。盾构到达监测断面前 10 m，测点的上浮量达到了最大；盾构离开监测断
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
面约 60 m 后，各测点的沉降速率明显减小，并开始趋于稳定。从数值模拟计算结果与现场监测情况来看，两者
所反映的规律是相一致的，为今后类似工程提供借鉴。
关键词：隧道工程；盾构隧道；高层建筑；侧穿；有限元法；现场监测
tunnel being excavated(unit：m)
图 3 二维有限元模型 Fig.3 Model of two-dimensional finite element method
在隧道开挖前的地层初始竖向位移(见图 4)中， 包含了土体自重及建筑物荷载共同作用下产生的沉 降，可见在隧道施工前由于高层建筑产生的附加荷 载使得其所在区域出现了明显的沉降槽。在左线隧 道开挖后地层内部的荷载再次释放重新分布，使得 在建筑物附近原来的沉降槽向隧道上方地表方向发 展，如图 5 所示。单洞通过后引起的地层最大竖向 位移为－9.82 mm，A′ 侧基础最大沉降量－1.91 mm， A 侧基础最大沉降量－6.21 mm。
隧道施工所引起的邻近高层建筑物的结构沉降、基础倾斜进行深入研究，分析盾构到达建筑物之前、侧穿过程及
离开后 3 个阶段建筑物的沉降、倾斜变化规律。计算结果表明，模型的竖向位移等值线在建筑物附近有一定的突
变现象，而在距离建筑物一定的距离范围外，位移等值线又逐渐过渡为平滑曲线。现场实测结果表明，在盾构到
达建筑物之前的临近影响区域内，建筑物向远离隧道方向一侧倾斜；盾构侧穿过程中，建筑物向邻近隧道方向一
N
图 1 隧道与建筑物平面示意图 Fig.1 Plane sketch of location between tunnels and
building
图 2 隧道与建筑物关系剖面图(单位：m) Fig.2 Profile section of location between tunnels and
building(unit：m)
3 数值计算
3.1 计算参数及假设 采用有限元专业软件进行分析，为了尽可能减
小边界效应带来的影响，选取的模型范围为：上部 至地面，下部取至隧道底部以下 30 m，水平方向左 侧取左线隧道外侧 24 m，右侧考虑到建筑物的存在 取右线隧道外侧 42 m。模型的地面为自由面，左右 两个侧面施加水平约束，底部施加竖向约束。土体 采用基于 Mohr-Coulomb 外接圆的 Drucker-Prager 弹塑性模型，混凝土结构按弹性材料考虑。土层采 用二维实体 4 节点单元来模拟，管片采用弹性梁单 元来模拟；高层建筑采用等效荷载替代的方法，利 用 4 节点实体单元来模拟[15]。根据工程所处的地质 条件，土体物理力学参数见表 1。隧道管片采用 C50，弹性模量取 34.50 GPa，重度 25.0 kN/m3，泊 松比 0.20。
收稿日期：2009–08–21；修回日期：2009–11–23 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划课题(2008BAJ06B01–3)；北京市科技计划课题(D08050603130804) 作者简介：贺美德(1980–)，男，2003 年毕业于长沙理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事地下工程与隧道方面的研究工作。E-mail： meidehe@gmail.com
表 1 土体物理力学参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of soils
层号
土层 名称
① 杂填土
层厚 /m
天然
重度γ /(kN·m－3)
压缩 模量 ES/MPa
泊松 比µ
黏聚力 c/kPa
内摩 擦角 /(°)
2.4 16.6
– – 10.0 8.0
③1–③ 粉土、粉质黏土 5.4 19.3
第 29 卷 第 3 期 2010 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.3 March，2010
盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究
贺美德 1，2，刘 军 3，乐贵平 4，王梦恕 1，张顶立 1
图 4 隧道开挖前的地层初始竖向位移(单位：m) Fig.4 Initial vertical displacements of stratum before tunnels
本文结合盾构隧道侧穿高层建筑的工程实例， 采用数值计算分析和现场实测的方法，就盾构推进 过程中对邻近高层建筑的影响问题进行了深入分 析。
2 工程概况
北京地铁某盾构区间隧道近距离侧穿一高层 建筑(见图 1)。盾构施工采取先后掘进的方法，左 线先行推进，贯通后开始右线掘进。侧穿建筑物高 37.40 m，长 87.61 m，宽 13.12 m。壁板式主体结构， 片筏式钢筋混凝土基础，地上 12 层，地下 2 层。隧 道与建筑物关系剖面如图 2 所示。
⑧ 粉质黏土
5.0 19.7 11.40 0.30 54.0 9.0
⑨ 粉细砂
1.6 20.6 35.00 0.27 0.0 30.0
⑩ 粉质黏土
6.2 19.7 10.90 0.29 20.0 20.0
第 29 卷 第 3 期
贺美德，等. 盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究
3.2 计算结果分析 针对本工程中隧道走向与建筑物走向基本一致
Ltd.，Beijing 100045，China；4. Beijing MTR Construction Administration Co.，Beijing 100037，China)
Abstract：Based on a certain constructing running shield tunnel of Beijing metro side-crossing close to a high-rise building，using the finite element method calculation model and site monitoring method，the foundation characteristics of the high-rise building affected by the constructing shield tunnel are studied. In different construction stages，the variations of the foundation settlement and inclination of the high building are analyzed. The simulation results show that stratum vertical displacement has a sudden change near the high-rise building. Away from the building in an enough distance，the displacement curve becomes flat. From site monitoring results， the high-rise building inclined to the direction away from the tunnel prior to the shield closing to the building， while the building inclined towards the tunnel during shield crossing. The settlements of the monitoring points reach the maximum value when the shield is 10.0 m away from the monitoring surface. However，the settlements declined significantly when the shield is more than 60.0 m from the monitoring surface，and finally becomes stable. The simulation and the site monitoring results agree well. The conclusion would be helpful for the future similar shield tunneling projects. Key words：tunnelling engineering；shield tunnel；high-rise building；side-crossing；finite element method； site monitoring
• 604 •
岩石力学与工程学报
2010 年
1引言
随着我国城市化进程的不断加快，城市地下工 程开发的规模、速度也日益加快，尤其是城市轨道 交通的建设对于缓解城市交通压力的作用明显。由 于城市轨道交通多处于市区繁华地段，周围建筑物 较多，地下管线分布复杂，给施工带来了一定的难 度。盾构法以其高效、地层适应性强及对周围地层 影响小的优点，在城市地铁工程中得到了广泛应用。 盾构法施工过程中，不仅要考虑盾构隧道施工本身 的安全，还应考虑到盾构推进过程中对周围环境的 影响。盾构推进过程中引起周围地层变形是不可避 免的，当地层变形超过一定限度时，将严重危及邻 近建筑物、构筑物的安全和正常使用。目前盾构施 工对周围环境影响的研究主要集中在盾构掘进对周 围土层新建隧道与高层建筑间距变化对其基础沉 降的影响研究的扰动分析以及盾构施工引起的地 表沉降分析[1～9]，而在盾构法施工对邻近建筑物的影 响方面研究较少，且多采用数值计算的方法[10～14]。
摘要：以北京地铁盾构区间隧道近距离侧穿高层建筑为背景，采用有限元计算和现场监测相结合的方法，对新建
(1. Tunnel and Underground Engineering Research Center of Ministry of Education，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044， China；2. Beijing Municipal Engineering Research Institute，Beijing 100037，China；3. Beijing Municipal Engineering Group Co.，
且纵向长度都较长的特点，将三维问题简化为平面 应变问题，假设地层为均匀分布，选取隧道与建筑 物间距最小的最不利断面作为计算剖面，二维有限 元模型如图 3 所示。
• 605 •
图 5 单洞开挖后地层竖向位移等值线图(单位：m) Fig.5 Contours of stratum vertical displacement after single
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2010)03–0603–06
STUDY OF IMPACT OF SHIELD TUNNELING SIDE-CROSSING ON ADJACENT HIGH BUILDINGS
HE Meide1，2，LIU Jun3，LE Guiping4，WANG Mengshu1，ZHANG Dingli1
④ 粉质黏土
4.0 20.1
9.65 0.30 30.8 15.7 7.75 0.31 35.0 9.0
⑥ 粉质黏土
4.4 19.8 10.10 0.29 46.0 15.0
⑥2 粉土 ⑦1–⑦2 粉砂、中砂
⑦ 圆砾
6.0 20.2 13.20 0.30 33.0 28.0 3.6 19.9 35.00 0.28 0.0 32.8 1.4 21.1 60.00 0.25 0.0 40.0
侧发生一定程度的倾斜，直至后期稳定。盾构到达监测断面前 10 m，测点的上浮量达到了最大；盾构离开监测断
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
面约 60 m 后，各测点的沉降速率明显减小，并开始趋于稳定。从数值模拟计算结果与现场监测情况来看，两者
所反映的规律是相一致的，为今后类似工程提供借鉴。
关键词：隧道工程；盾构隧道；高层建筑；侧穿；有限元法；现场监测
tunnel being excavated(unit：m)
图 3 二维有限元模型 Fig.3 Model of two-dimensional finite element method
在隧道开挖前的地层初始竖向位移(见图 4)中， 包含了土体自重及建筑物荷载共同作用下产生的沉 降，可见在隧道施工前由于高层建筑产生的附加荷 载使得其所在区域出现了明显的沉降槽。在左线隧 道开挖后地层内部的荷载再次释放重新分布，使得 在建筑物附近原来的沉降槽向隧道上方地表方向发 展，如图 5 所示。单洞通过后引起的地层最大竖向 位移为－9.82 mm，A′ 侧基础最大沉降量－1.91 mm， A 侧基础最大沉降量－6.21 mm。
隧道施工所引起的邻近高层建筑物的结构沉降、基础倾斜进行深入研究，分析盾构到达建筑物之前、侧穿过程及
离开后 3 个阶段建筑物的沉降、倾斜变化规律。计算结果表明，模型的竖向位移等值线在建筑物附近有一定的突
变现象，而在距离建筑物一定的距离范围外，位移等值线又逐渐过渡为平滑曲线。现场实测结果表明，在盾构到
达建筑物之前的临近影响区域内，建筑物向远离隧道方向一侧倾斜；盾构侧穿过程中，建筑物向邻近隧道方向一
N
图 1 隧道与建筑物平面示意图 Fig.1 Plane sketch of location between tunnels and
building
图 2 隧道与建筑物关系剖面图(单位：m) Fig.2 Profile section of location between tunnels and
building(unit：m)
3 数值计算
3.1 计算参数及假设 采用有限元专业软件进行分析，为了尽可能减
小边界效应带来的影响，选取的模型范围为：上部 至地面，下部取至隧道底部以下 30 m，水平方向左 侧取左线隧道外侧 24 m，右侧考虑到建筑物的存在 取右线隧道外侧 42 m。模型的地面为自由面，左右 两个侧面施加水平约束，底部施加竖向约束。土体 采用基于 Mohr-Coulomb 外接圆的 Drucker-Prager 弹塑性模型，混凝土结构按弹性材料考虑。土层采 用二维实体 4 节点单元来模拟，管片采用弹性梁单 元来模拟；高层建筑采用等效荷载替代的方法，利 用 4 节点实体单元来模拟[15]。根据工程所处的地质 条件，土体物理力学参数见表 1。隧道管片采用 C50，弹性模量取 34.50 GPa，重度 25.0 kN/m3，泊 松比 0.20。
收稿日期：2009–08–21；修回日期：2009–11–23 基金项目：国家“十一五”科技支撑计划课题(2008BAJ06B01–3)；北京市科技计划课题(D08050603130804) 作者简介：贺美德(1980–)，男，2003 年毕业于长沙理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事地下工程与隧道方面的研究工作。E-mail： meidehe@gmail.com
表 1 土体物理力学参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of soils
层号
土层 名称
① 杂填土
层厚 /m
天然
重度γ /(kN·m－3)
压缩 模量 ES/MPa
泊松 比µ
黏聚力 c/kPa
内摩 擦角 /(°)
2.4 16.6
– – 10.0 8.0
③1–③ 粉土、粉质黏土 5.4 19.3
第 29 卷 第 3 期 2010 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29 No.3 March，2010
盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究
贺美德 1，2，刘 军 3，乐贵平 4，王梦恕 1，张顶立 1
图 4 隧道开挖前的地层初始竖向位移(单位：m) Fig.4 Initial vertical displacements of stratum before tunnels
本文结合盾构隧道侧穿高层建筑的工程实例， 采用数值计算分析和现场实测的方法，就盾构推进 过程中对邻近高层建筑的影响问题进行了深入分 析。
2 工程概况
北京地铁某盾构区间隧道近距离侧穿一高层 建筑(见图 1)。盾构施工采取先后掘进的方法，左 线先行推进，贯通后开始右线掘进。侧穿建筑物高 37.40 m，长 87.61 m，宽 13.12 m。壁板式主体结构， 片筏式钢筋混凝土基础，地上 12 层，地下 2 层。隧 道与建筑物关系剖面如图 2 所示。
⑧ 粉质黏土
5.0 19.7 11.40 0.30 54.0 9.0
⑨ 粉细砂
1.6 20.6 35.00 0.27 0.0 30.0
⑩ 粉质黏土
6.2 19.7 10.90 0.29 20.0 20.0
第 29 卷 第 3 期
贺美德，等. 盾构隧道近距离侧穿高层建筑的影响研究
3.2 计算结果分析 针对本工程中隧道走向与建筑物走向基本一致
Ltd.，Beijing 100045，China；4. Beijing MTR Construction Administration Co.，Beijing 100037，China)
Abstract：Based on a certain constructing running shield tunnel of Beijing metro side-crossing close to a high-rise building，using the finite element method calculation model and site monitoring method，the foundation characteristics of the high-rise building affected by the constructing shield tunnel are studied. In different construction stages，the variations of the foundation settlement and inclination of the high building are analyzed. The simulation results show that stratum vertical displacement has a sudden change near the high-rise building. Away from the building in an enough distance，the displacement curve becomes flat. From site monitoring results， the high-rise building inclined to the direction away from the tunnel prior to the shield closing to the building， while the building inclined towards the tunnel during shield crossing. The settlements of the monitoring points reach the maximum value when the shield is 10.0 m away from the monitoring surface. However，the settlements declined significantly when the shield is more than 60.0 m from the monitoring surface，and finally becomes stable. The simulation and the site monitoring results agree well. The conclusion would be helpful for the future similar shield tunneling projects. Key words：tunnelling engineering；shield tunnel；high-rise building；side-crossing；finite element method； site monitoring
• 604 •
岩石力学与工程学报
2010 年
1引言
随着我国城市化进程的不断加快，城市地下工 程开发的规模、速度也日益加快，尤其是城市轨道 交通的建设对于缓解城市交通压力的作用明显。由 于城市轨道交通多处于市区繁华地段，周围建筑物 较多，地下管线分布复杂，给施工带来了一定的难 度。盾构法以其高效、地层适应性强及对周围地层 影响小的优点，在城市地铁工程中得到了广泛应用。 盾构法施工过程中，不仅要考虑盾构隧道施工本身 的安全，还应考虑到盾构推进过程中对周围环境的 影响。盾构推进过程中引起周围地层变形是不可避 免的，当地层变形超过一定限度时，将严重危及邻 近建筑物、构筑物的安全和正常使用。目前盾构施 工对周围环境影响的研究主要集中在盾构掘进对周 围土层新建隧道与高层建筑间距变化对其基础沉 降的影响研究的扰动分析以及盾构施工引起的地 表沉降分析[1～9]，而在盾构法施工对邻近建筑物的影 响方面研究较少，且多采用数值计算的方法[10～14]。