地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响

表 1 黄土的邓肯 - 张模型参数 Table 1 Duncan2Zhang model parameters of the loess
K
n
Rf
φ(°)
80 c (kPa)
30
0. 9 G
0. 36
0. 799 F
0. 14
24. 5 d
0. 82
2. 4 材料参数选取 计算所用的材料及其参数选取如表 2 所示 。
QING Wei2chen1 , LIAO Hong2jian1 , Qian Chun2yu2
(1. Department of Civil Engineering , Xi’an Jiaotong University , Xi’an 710049 , china ; 2. Institute of Geotechnical Investigation & Design , MMI , Xi’an 710043 , china)
因此 ,在实际中 ,隧道对地表建筑物的影响是 一个非常复杂的问题 ,鉴于目前二维模型也能较好 的得到问题的解答 ,在计算中作了如下简化假设 :
(1) 采用二维平面应变模型进行模拟 ; (2) 假设计算范围内为均匀土质层 ; (3) 将建筑物自重换算为等效的线荷载 ,取为 100kNΠm 。 2. 1 计算模型的建立 场地计算模型如图 1 所示 ,隧道顶部圆拱半径 为 7 m ,仰拱半径为 14 m。根据计算 ,边界取为隧 洞等效直径的三倍左右 ,误差在 10 %以内 。为了 计算多种荷载工况 ,在水平方向取距隧洞中心 100 m 处为横向边界 ,竖向取 80 m 深处为下边界 ,能够 更准确的得到问题的解答 。图 2 给出了埋深 14 m 的网格划分图例 。 为了得到隧洞的埋深以及与地表建筑物的水 平距离对建筑物沉降的影响 ,本文设计并计算了隧 洞埋深 H 从 6 m 到 34 m 内的 8 种情况 ,同时在不 同的埋深 H 下 ,取隧道与建筑物距离 D 从 5 到 50 m ,每增加 5m 计算一次 。 2. 2 土体本构模型 邓肯 - 张双曲线模型能较好地反映黄土的非 线性性状 ,被广泛地应用于岩土工程的数值分析 中[8] 。在地铁工程的设计计算过程中 ,常常要求分 析计算不要太复杂 ,又能接近实际 。而不少学者则
同上 ,通过对地表下 6～34 m 内 8 种不同埋深 情况进行计算 ,整理出图 5 (a) 、( b) 隧道埋深对地 表附近的建筑物和隧道顶部地表沉降的影响曲线 。
961
设计与修建具有参考意义 ,而且对西部地区基础设 施建设和地下工程建设都将会有很大的参考价值 。
目前关于这方面的研究资料还不多[4 ,5] ,作者 在文献[6] 进行了数值模拟分析 ,但未考虑施工开挖 过程 。因此 ,本文以黄土地层建地下隧道为基本模 型 ,采用邓肯 - 张非线性弹性本构关系 ,考虑开挖 施工过程 ,运用同济曙光分析软件 ,对地表建筑物 沉降进行模拟分析 。探讨了隧道埋深对地表沉降 的影响规律 ,以及地下隧道对地表建筑物沉降的影 响范围 。可望对黄土地区的地下工程建设提供一 点的参考 。
2. 3 隧道施工计算步骤
本文中隧道采用分布开挖 ,在计算模型中设置
了 7 个施工步 ,每个施工步设置了两个增量步 。其
中 ,施工步 1～6 皆为增量步 1 开挖 ,增量步 2 做喷
962
地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1 卷
锚支护 。施工步 7 拆除支撑并做二衬 。具体施工 过程见图 3 。
图 1 计算模型简图 Fig. 1 Sketch of computation model
图 2 网格划分图例 (埋深 14m)
Fig. 2 Division of the grid (at depth of 14 m)
认为邓肯 - 张模型用于地下工程分析是比较理想
的[9] 。黄土的邓肯 - 张模型参数许多文献中已经
Abstract : The construction of underground project or the underground tunnel will influence the subsiding of adjacent building on the earth surface. In this paper , the Duncan - Chang non - linear elasticity constitutive model is adopted and the influence of timbering and the lining in the process of underground tunnel excavation is considered , the influence of the depth of underground tunnel and the horizontal distance between the tunnel and the building on the settlement is analyzed. Some useful conclusion are gained. It can offer some theoretic reference to the construction of the underground engineering in loess areas.
2 计算模型建立及参数的选取
地下结构的计算不同于一般结构物 。首先 ,地 下结构与岩土介质结合成一个连续的或不连续的 整体系统 ,相互作用 ,共同受力 ;其次 ,土介质材料 一般呈不均质 、各向异性的非线性性态 ;通常都处 于二维或三维的复杂应力状态 ,例如隧道衬砌应按 平面应变和空间问题计算分析等[7] 。
2005 年第 6 期 卿伟宸 ,等 :地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响
963
图 4 水平间距对地表沉降的影响 Fig. 4 Influenee of horigontal distance on the
ground settlement
沉降影响较大 ; 当隧道与建筑物的水平距离 D 超 过 20 m 以后 ,曲线变化平缓 ,表明隧道上方地表沉 降几乎不受水平距离 D 的影响 。 3. 2 隧道埋深的影响
第 1 卷 第 2005 年 12
6期 月
Chinese
地下 Journal of
空间与工程学报 Underground Space and
Vol. 1
Engineering
Dec. 2005
文章编号 :167320836 (2005) 0620960204
(2)
式中 :
A
=
(σ1 - s3 ) d
KPa
(σ3
pa
)
n
·
1
-
Rf (1 - sinφ) (σ1 - σ3 ) 2 c ·cosφ + 2σ3 sinφ
(3) 可以看出邓肯 - 张模型中有 8 个参数 c ,φ,
Rf , n , K , G , F , d 。这些参数可以由土的三轴试验
测得 。表 1 为本文采用的邓肯 - 张模型参数 。
2. 8e7
2. 8e7
参数
A
γ
I
(m2 ) (kNΠm3 ) (m4 )
2. 1e8 78
Π
0. 3 25 0. 0023
0. 45 25 0. 018
0. 5 25 0. 0104
源自文库
3 计算结果及分析
3. 1 建筑物与地下隧洞水平距离的影响 利用同济曙光分析软件通过对隧道与建筑物
在水平距离 50m 以内的 10 种不同情况进行计算 , 整理得出了如图 4 所示的地下隧洞与地表建筑物 的水平距离 D 与地表沉降的关系曲线 。
道 ,地表建筑物的沉降在隧道开挖过程中受很多因 素的影响 ,除隧道施工工艺 、施工进度 、隧道结构 外 ,还与隧道埋深 、与周围建筑物的间距以及土体 性质等有很大关系 。因此 ,探讨隧道自身埋深和它 与周围建筑物的间距对城市地下隧道的设计与建 设有一定的理论指导意义 。
世界各国中我国西北地区的黄土地层具有厚 度大 、地层完整 、发育良好的特征[3] 。因此对西部 黄土地区地下洞室开挖和地下隧洞建设时与地面 沉降之间的关系进行探讨 ,不仅对西安将来地铁的
在图 4 (b) 中 ,选取了隧道埋深为 6 m、10 m、14 m 时不同水平间距 D 与隧道顶部地表 A 处沉降的
图 3 隧道施工步骤图 Fig. 3 Steps of tunnel construction
关系曲线 。很明显 ,从图中可以看出 ,在 20 m 以 内 ,隧道与建筑物的水平距离 D 对隧道上方地表
Keywords : underground tunnel ; ground settlement ; depth of the underground tunnel ; horizontal distance
1 前言
无论是铁路隧道 、公里隧道还是城市地下交通 已成为一个社会问题 ,对社会的发展起着越来越重 要的作用[1 ,2] 。尤其是在繁华的城市地区修建地下 结构物时 ,必须考虑到对周围环境的影响 。由于城 市建筑物密集 ,因此在城市修建隧道等地下结构 时 ,地下隧道的开挖必须以地表建筑物的正常使用 为前提 ,过大的地表沉降会引起地表路面或建筑物 的开 裂 ,对其安全使用造成严重的影响 。我们知
Ξ 收稿日期 :2005209205 (修改稿) 作者简介 :卿伟宸 (19812) ,男 ,四川蓬安人 ,硕士研究生 ,主要从事岩土工程数值分析工作 。 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50379043) 。
2005 年第 6 期 卿伟宸 ,等 :地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响
表中参数 E 为弹性模量 ; A 为截面积 ;γ为重度 ; I 为惯性矩 。
表 2 材料参数 Table 2 Material parameters
材料 单元类型
锚杆 杆单元
混凝土钢 纤维喷层
二衬
仰拱
直梁 (壳) 单元
直梁 (壳) 单元
直梁 (壳) 单元
E ( kPa) 2. 1e8 2. 8e7
关键词 : 地下隧道 ; 地表沉降 ; 隧道埋深 ; 水平距离 中图分类号 :U455 文献标识码 :A
The Effect Construction on the Settlements of Adjacent Building and
Earth Surfaces of Underground Tunnel
在图 4 (a) 中 ,选取了隧道埋深为 6 m、14 m、18 m 时水平距离与建筑物底部地表 B 处沉降的关系 曲线 。显然 ,从图中可以看出 ,隧道与建筑物的水 平距离越小 ,曲线越陡 ,即隧道对建筑物的沉降影 响越大 。但当水平间距超过 20 m 时 ,各曲线均趋 于平缓 ,即隧道对建筑物的沉降影响不大 ,且不受 隧道埋深的影响 。在水平距离达 40 m 时 ,建筑物 地表 B 点沉降不超过 7 mm ,表明当荷载水平间距 超过 40 m 时 ,可认为水平间距 D 对建筑物沉降几 乎没有影响 。
地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响 Ξ
卿伟宸1 , 廖红建1 , 钱春宇2
(1. 西安交通大学土木工程系 ,西安 710049 ;2. 机械工业勘察设计研究院 ,西安 710043)
摘 要 :地下工程或地下洞室的修建会使周围一定范围内的既有建筑物受到影响 ,对地面 产生变形 。本文基于黄土地层模型 ,采用邓肯 - 张的非线性弹性本构关系 ,考虑了隧道施工开 挖过程中的支护 、衬砌的影响 ,运用同济曙光分析软件 ,对黄土场地的地下隧洞埋深及其与邻 近建筑物的距离对地表沉降的影响进行了数值分析 ,得出了有关规律性和有益的结论 ,可为黄 土地区的地下工程建设提供一定的参考 。
给出 。
邓肯 - 张模型是根据土体的双曲线型应力 -
应变关系推导而得 ,其切线弹性模量和切线泊松比
可分别表示为 :
Et =
1-
Rf (1 - sinφ) (σ1 - σ3 ) 2 c ·cosφ + 2σ3 sinφ
2
·KPa
(σ3
pa
)
n
(1)
G - Flg (σ3 )
μt =
pa (1 - A) 2