基于模型试验的浅埋暗挖隧道施工过程中地表建筑物变形规律研究

王元清

(中铁十一局集团第五工程有限公司, 重庆 400037)

0 引言

21世纪以来，伴随着我国城市化进程的加快，城市基础设施供应压力也在不断增大，城市土地资源变得日益紧张，加快开发利用城市地下空间已成为解决城市土地问题的必然趋势。浅埋暗挖法施工灵活且对地面交通和周围环境影响较小，已成为解决城市公路、铁路(地铁)以及穿过闹市区问题的重要方案； 但由于其埋深较浅，开挖必然会导致地表产生沉降、水平位移等, 从而造成对地面已有建筑物或设施的破坏，修建浅埋暗挖隧道而引起的地面塌陷、房屋损坏等工程问题也层出不穷[1-4]。

目前针对隧道开挖引起地表沉降的研究已有很多，常见的计算地下开挖引起的地层位移的方法主要有经验公式法、理论解析法和数值分析法。其中，Peck[5]所提出的经验公式法是目前计算地层位移最常用的方法； Burland[6]所提出的 “弹性深梁模型”是目前计算地表沉降引起的建筑物变形损伤最常用的方法。在此基础上，Namazi等[7]进一步建立了弹性薄板模型； Boone[8]提出了一个更为详细的，将建筑物结构、形状以及应变相结合的方法，把建筑物承重墙看作受均布荷载的简支梁，证实了框架结构建筑物的损伤主要取决于建筑物沉降差异和柱子产生的旋转角度。此外，还有很多学者扩展了以上模型，包括建筑质量、土结构界面的性质以及隧道轴线方向的建筑尺寸等多种建筑特征[9-10]。通过将这些额外的建筑特性融入到原有的模型中，使试验能够更符合实际工程。随着大型通用计算机数值计算软件的发展，岩土工程的数值分析技术得到了有效提升，数值模拟法以其独特的优势广泛应用于岩土工程地下开挖领域。张海波等[11]编制了一种三维非线性有限元模拟程序，综合考虑了地下隧道埋深、盾构半径、开挖面应力释放量、盾尾空隙等盾构施工工况所引发的地表沉降，建立了上海地铁4号线某区间的数值计算模型。杨海鹏[12]运用FLAC3D软件建立了浅埋隧道开挖的数值分析计算模型，对隧道开挖中围岩性质、开挖和支护条件、开挖进尺、隧道埋深、开挖半径和地层条件等一系列因素的影响进行了研究。

上述专家学者就地下工程施工对周边地层所产生的影响和地表建筑物的影响机制做了大量研究，但理论及数值方法均是对实际工程中可能出现情况的间接预测，并不能直接提供一手的数据资料； 而以往的模型试验大多是对单一的地表建筑物模型进行研究，并且采用预埋监测仪器的方法对隧道开挖过程中地层的变形沉降进行监测，会不可避免地对试验结果造成一定的干扰。鉴于此，本文通过室内缩尺模型试验模拟城市浅埋暗挖隧道分步施工条件，以研究地表建筑物变形特性，在试验中创新性地采用3D扫描技术，对试验中地表建筑物和开挖区域的地表沉降进行监测，同时运用数字散斑技术(DIC)对地表建筑物模型墙体的变形进行监测并获得建筑物墙体的应变数据，做到非接触式监测，减小传统监测手段因预埋监测仪器对试验结果产生的影响，从而为后续的理论和数值模型研究提供可靠的数据对比。

1 试验原理和设备

本试验根据浅埋暗挖隧道的施工方法，对其进行一定程度上的简化，按照1∶100的比例建立了室内物理模型。该试验装置主要分为4部分： 可拆卸的试验模型箱、浅埋暗挖隧道开挖模拟装置、地表建筑物模型、地表沉降监测装置。室内物理模型试验装置如图1所示。可拆卸试验模型箱为750 mm×650 mm×650 mm无盖矩形铁箱； 模型箱上部安装3D扫描监测装置，监测地表及地表建筑物沉降； 前后两面为透明亚克力板，以便DIC拍摄地表建筑物墙体应变变化过程； 左右以及底部为厚铁板，相互之间用角钢和螺栓固定。为了更好地监测隧道开挖引起的地表沉降现象，试验土体采用重度为17.5 kN/m3的中粗干砂，上部建筑物模型采用边长为10 mm的小立方体堆砌而成的750 mm×650 mm×650 mm长方体。本试验中分别采用2个不同直径的圆形套筒相互套接来模拟隧道开挖过程中隧道的径向收缩，其中外侧套筒直径为110 mm，内测套筒直径为100 mm，即由隧道开挖引起的径向收缩为10 mm。试验过程中通过抽取外侧套筒来模拟隧道的开挖。

本次试验研究了浅埋暗挖隧道不同开挖阶段、不同位置地表建筑物的破坏形式以及建筑物表面所产生的应变。建筑物模型沿隧道开挖轴向的5个位置均匀排列，即分别位于距模型箱边缘100、200、300、400、500 mm处，如图2所示。浅埋暗挖隧道埋深为138 mm，开挖长度为600 mm，分3步开挖，每次开挖200 mm，每次开挖步之间间隔30 s，使得建筑物和地表在浅埋暗挖隧道开挖后产生的沉降稳定，再进行地表和建筑物沉降以及建筑物应变的数据采集和拍摄； 然后，通过3D扫描装置和DIC技术分别对地表和建筑物表面进行拍摄； 最后，将所得的试验数据通过三维建筑物损伤模型进行计算，得到建筑物变形所产生的拉伸应变和剪切应变，推断建筑物在不同位置情况下所受的主要变形。

A1—A5为5组地表建筑物模型；A、B、C、D为建筑物模型的4个角点。

图2地表建筑物与浅埋暗挖隧道模型布置示意图

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

2 试验结果及数据分析

2.1 浅埋暗挖隧道开挖过程中建筑物产生的变形及应变规律

上述浅埋暗挖隧道开挖引起地表建筑物损伤的室内模型试验研究了不同位置地表建筑物的沉降规律以及变形规律。试验中由挠曲引发的最大剪切应变和最大拉伸应变的计算步骤如下。

1)在隧道开挖前通过3D扫描技术对原始地表和建筑物进行扫描，开挖后再对地表和建筑物进行扫描； 通过软件数据分析可以得到试验后地表和建筑物相对试验前的沉降云图； 通过得到的3D扫描沉降云图，分别获取建筑物4个角点的沉降量。

2)将整个建筑物简化为1个矩形厚板，通过所得到的角点沉降量计算出建筑物中心点沉降量。将所得数据带入下列公式得到最大剪切应变Ymax和最大拉伸应变εmax，如表1所示。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：εmax为最大拉伸应变；Ymax为最大剪切应变；Δ为建筑物中心沉降量(由建筑物4个角点沉降量推算)；a为建筑物模型宽度；δ1、δ2、δ3为建筑物模型参数，按式(3)—(5)计算。

(3)

(4)

(5)

表1浅埋暗挖隧道开挖诱发地表建筑物损伤试验数据表

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

组别开挖速度/(mm/步)隧道埋深/mm最大剪切应变Ymax最大拉伸应变εmaxA12001380.2500.197A22001380.2430.183A32001380.1810.136A42001380.0580.044A52001380.0810.067

第1步开挖后，地表建筑物受弯产生的拉伸应变和剪切应变变化如图3(a)所示，主要变形是由挠曲引发的拉伸应变ε和剪切应变Y。由图3(a)可知，在隧道掘进过后地表建筑物已产生较大的变形，还未开挖部分的地表建筑物也产生了一定的变形，但变形量相对于已开挖部分地表建筑物较小，在距离掌子面-100 mm处，可以看到各项应变值均大于其他位置。第2步开挖后，建筑物的应变状态发生了明显变化，如图3(b)所示，对比第1步开挖结束时的应变状态，各个位置建筑物模型的各项应变值都有不同程度的提高。其中，掌子面经过的2处地表建筑物(即图3(b)中-300 mm和-200 mm处)在第2步开挖后产生的剪切应变Y和拉伸应变ε基本相同，说明开挖后在距离掌子面-200 mm处其开挖影响逐渐减小。图2中A3位置处的建筑物模型在第1步和第2步开挖后的应变状态(分别对应图3(a)中100 mm处和图3(b)中-100 mm处应变)有很大的差别，主要是受挠曲影响较为明显，相对于第1步开挖，该位置上建筑物模型的应变增量最大，Y、ε均有不同程度的增大，其原因是第1步未开挖到该位置，而第2步开挖引发其应变产生突变。

(a) 第1步开挖后

(b) 第2步开挖后

图3挠曲引发的最大剪切应变和最大拉伸应变变化柱状图

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

2.2 浅埋暗挖隧道开挖过程中3D扫描和DIC监测的建筑物应变特征分析

2.2.1 第1步开挖后的沉降与变形监测结果

开挖200 mm时(第1步开挖后)，通过DIC监测得到距离浅埋暗挖隧道掌子面0 mm处的地表建筑物模型CD侧墙体的剪切应变云图如图4(a)所示。由图可知，在建筑物模型CD侧墙体的应变云图中出现了明显的剪切带，原因是在该位置处建筑物模型的AB侧墙体和CD侧墙体沉降差异较大，CD侧墙体的沉降大于AB侧，由于惯性的作用使得CD侧墙体整体向AB侧方向倾斜，从而使CD侧墙体中部出现明显的剪切带。

图4(b)示出第1步开挖后距离掌子面-100 mm处地表建筑物4个角点的沉降状态，由图可知，建筑物模型产生比较明显的不均匀沉降，此时A、C两点的沉降值相近，B、D两点的沉降值也相近，且A、C两点的沉降值要大于B、D，结合图4(a)所示的应变情况可知，此时建筑物整体受弯和扭转均比较严重。图4(c)示出距离掌子面0 mm处地表建筑物4个角点的沉降状态，由图可知，AB侧墙体的沉降值小于CD侧，在ABCD平面受剪明显。图4(d)示出第1步开挖后建筑物4个角点沉降曲线，由图可知，距离掌子面较近的建筑物受开挖影响明显，产生了较大的不均匀沉降；其余位置由于距离相对较远，受到的扰动小，但也有一定的沉降产生。综上，可以看出开挖影响区域的分布规律，即建筑物在位于隧道正上方且平行于隧道开挖方向时，隧道开挖引起建筑物模型的拉伸应变和剪切应变随着与掌子面距离的增大而减小。

(a) 建筑物CD侧墙体剪切应变云图

(b) 距掌子面-100 mm处角点沉降

(c) 距掌子面0 mm处角点沉降

(d) 建筑物4个角点沉降曲线图

图4第1步开挖后(开挖200m时)建筑物变形及沉降监测结果

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

2.2.2 第2步开挖后的变形与沉降监测结果

开挖400 mm时(第2步开挖后)，通过DIC监测得到该位置上建筑物模型的CD侧墙体剪切应变云图如图5(a)所示。由图可知，在CD侧墙体的上部和中部出现2条明显的剪切应变带；其余位置的应变由于仍处于未开挖区域，应变变化不大，但还是有少量增加。

(a)建筑物CD侧墙体剪切应变云图

(b) 距掌子面-100 mm处角点沉降

(c) 距掌子面0 mm处角点沉降

(d) 建筑物4个角点沉降曲线

图5第2步开挖后(开挖400m时)建筑物变形及沉降监测结果

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

图5(b)和图5(c)分别对应图5(d)中距掌子面-100 mm和100 mm位置的沉降云图。由图5(d)可知: 沉降总体随着与掌子面距离的减小而减小，其中距掌子面-100 mm和100 mm处建筑物4个角点的沉降相差较大，沉降最不均匀； 距掌子面100 mm处建筑物模型4个角点的沉降差值相比-100 mm处的沉降差值更大，但是100 mm处的整体沉降值不大，受到开挖影响较小，故其受弯产生的拉伸应变和剪切应变要比-100 mm处小得多。综上所述，可以得到以下结论： 在建筑物模型中轴线和隧道开挖方向平行的情况下，建筑物模型受扭转产生的剪切应变主要是受建筑物模型角点的不均匀沉降差值影响； 建筑物模型受弯产生的拉伸应变和剪切应变主要是受各角点的沉降值大小影响。

3 结论与讨论

本文通过室内物理模型试验，研究了城市浅埋暗挖隧道施工过程中上部地表建筑物的沉降和变形规律。试验中建筑物中轴线与隧道中轴线平行，采用2个不同直径的圆形套筒相互套接来模拟隧道开挖过程中隧道的径向收缩； 隧道采用分步开挖方式，开挖过程中应用了3D扫描和DIC 2种非接触式应变监测手段。试验得出的主要结论如下。

1)建筑物模型的各项应变随着与开挖掌子面距离的增大而减小。

2)建筑物模型受扭转产生的剪切应变主要受建筑物模型角点的不均匀沉降差值影响，不均匀沉降差值越大，受扭剪切应变越大； 建筑物模型受弯产生拉伸应变和剪切应变受各角点的沉降值影响，沉降越大(即挠曲越大)，产生的挠曲拉伸应变和剪切应变也越大。

此外，本文研究的地表建筑物仅为沿隧道轴向分布的情况。在后续的研究中，将针对地表建筑物的不同方位、不同尺寸以及浅埋暗挖隧道的不同埋置深度开展更加全面的研究。