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[摘 要]盾构隧道施工将对周边地层产生扰动，引发周边地层应力重分布，这一变化将会对邻近建筑物产生不均匀沉降等不良现象。本文主要针对城市闹市区中盾构穿越施工对框架结构形式建筑的影响展开了理论分析、三维数值计算和室内模型试验，系统分析研究了盾构隧道施工对周边地面沉降及其框架结构附加内力的影响规律与影响效应。主要的研究工作及成果如下：（1）基于盾构隧道-土体-独立基础框架结构建筑物共同作用效应，根据Peck理论，推求得到了盾构施工引发的独立框架结构建筑物周边地面沉降的理论计算微分方程及求解表达式，并进行相应数值计算，得到了盾构施工下天然砂土地面的沉降分布曲线;（2）通过有限元建模分析，代入沉降分布曲线得到的沉降值，绘制出框架结构内力分布图。分析附加内力图可知在地表的不均匀沉降下，框架结点最易发生破坏;（3）利用MATLAB软件分析计算，得到刀盘坐标不同时引起的地表沉降量的变化，进而得到上部房屋建筑结构的沉降量。
[关键词]盾构隧道;框架结构建筑物;地面沉降;附加内力;理论研究;有限元分析;三维数值运算
中图分类号：TP451 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0344-02
正文：
1.绪论
1.1研究背景
随着国家城市建设的加快，城市规模不断扩大，人口急剧膨胀，交通拥堵的问题亟待解决。合理开发利用地下空间，修建地铁等地下结构形成完善的地下交通系统是解决城市交通拥堵的有效途径。根据城市轨道交通2017年统计和分析报告，近年来我国沿海及中西部经济较发达地区城市地铁发展迅猛，从沿海到中西部共34个城市目前已经或正在进行地铁建设，截止2017年底中国内地地铁交通总运营里程已经超过5000km。地铁隧道施工与既有建筑的相互作用及影响逐渐成为城市社会及交通可持续发展中的重要问题。
地铁隧道施工方法主要有：盾构法、矿山法、盖挖逆作法、明挖顺作法等[1]，而在城市地下空间开发中用得较多的是对周边环境影响较小的盾构法。但是盾构法施工会引起地面沉降，从而对建筑结构产生影响，因此分析地铁施工对地面的影响十分重要。
1.2研究现状
从我国目前的工程实践和科学研究来看，在地下开挖对邻近建筑物的安全及防治对策方面，多是应用常规经验2‰倾斜率作为判断结构可允许的沉降差[2]，通过测量沉降量来控制施工和加固邻近建筑物。这种做法无系统的理论支持。不同结构类型的建筑物受力特点和承载能力不同，用同一经验值并不合理，需针对各种情况进行分析。
本文针对采用独立基础形式的框架结构建筑物间在无斜向夹角、同一隧道埋深条件下，并在郑州的砂土地层环境中，对于地基沉降下邻近侧向框架结构建筑物进行了理论分析与室内模型试验，得到的沉降槽中地基位移对框架结构附加位移、附加应变影响效应，为今后郑州地铁盾构施工的沉降监测与周围建筑防护提供依据。
2.理论研究与数值计算
2.1横向地表沉降
当盾构机在粉土地层中挖出一条隧道后，土层的部分就会出现一种中空状态，这时由于隧道以上的土层的自重或地面以上的建筑物的影响地面会出现沉降，由于地上建筑框架结构为弹性结构，故地面沉降在一定范围内，框架结构可保持稳定，但沉降量超出范围后，框架结构就会发生破坏。根据地表沉降与位置的关系，便可确定框架结构所处位置的地表沉降量。
在现有的研究当中，最经典的经验公式法是Peck理论[3]，结合采矿引起地面沉降的估算方法，提出了地表沉降槽的形状近似于正态分布曲线。
式中：
Sv——地表水平x坐标位置沉降值（mm）;
Svmax——隧道中心线的最大地面沉降量，取值30mm;
x——计算点距隧道中心线距离值（m）;
i——反弯点距隧道中心线水平距离（m）;
K——沉降槽宽度系数，無量纲，粉土地层一般取0.3;
Z0——隧道埋深（m），根据郑州地铁施工一般取15m。
可得出地表沉降与x坐标位置的关系如下：
2.2地表沉降引起的框架结构附加内力
有限元分析的MidasGTSNX软件数据模拟框架尺寸为长20m，宽0.5m，高10m的两跨两层结构，框架结构发生破坏的位置即是应力最大处，即只要找到地面沉降一定范围时，框架结构的最大应力点，就是框架最先产生裂缝处，如图所示：
由此可知：在两跨两层的框架结构下，第一跨的二层右上节点处的应力为最大，可知在地表的不均匀沉降下，该点最易发生破坏。
3.三维数值运算
在最经典的peck公式的基础上，Attewall[4]在1982年提出了更加精确的沉降值表达公式：
随后，O’Reilly[5]提出了土体在盾构机作用下横向和纵向的位移公式：
横向位移公式：
纵向位移公式：
式中
Φ（·）——为正态分布累积函数
Smax——隧道中心线处地面最大沉降量（mm）
Dt——隧道直径（m）
z0——隧道埋深（m）
Kx——沉降槽宽度系数
Ky——沉降槽宽度系数
VL——隧道土体损失，小数，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比
yf——盾尾坐标（m）
ys——刀盘坐标（m）
y0——隧道纵向沉降调整系数
其中根据经验取值如下：
将此公式编为程序，输入在软件MATLAB中，可得到刀盘坐标不同时的地面沉降的图像如下： 3.1二维图像
从纵向地表沉降分析图可以看出，隧道开挖前方的地表，由于土的松散的性质，没有开挖到的地方也会有预沉降，并且这种沉降是逐步增加的。
3.2三维图像
从刀盘坐标不同时的地面三维沉降图可知，盾构机开挖引起的地表沉降是一个渐变的过程，并且随着盾构机的前进，土体开始下沉，地表会产生沉降，沉降量逐渐增加。
3.3刀盘坐标不同时的上部建筑最大沉降量
若以上部建筑地面中心点为坐标原点，则由以上表格可以看出，刀盘坐标不同时，地表的沉降量不同，即对上部建筑的影响不同，当盾尾经过上部建筑正下方时的沉降量最大。
这种方法是用经验公式来分析地表沉降的一种方法，但是它也有不足之处，比如地层的不均匀、地下水因素、周边环境的影响等都会对地表的沉降有影响，而此公式并没有考虑到。
4.结语
随着经济的发展，我国对地下空间利用的需求越来越大，对公路隧道、地铁隧道的需求更是越来越多，这就不可避免的需要运用到盾构机施工技术。盾构机的掘进引起的地表面的沉降和水平位移，对地上建筑的影响很大，不仅可能会造成经济损失，更加有可能造成人员伤亡等灾害，虽然现在国内外对此研究很多，但是由于土体的不稳定性以及土层性质等因素，对地表沉降的确切计算还不是很成熟。而开挖隧道的盾构法施工是我国近年来快速发展的趋势，因此，对沉降的分析应该继续前进。同时，相关的施工部门也应该在施工之前做好检测和勘探工作，在施工过程期间中按照规范施工，从而使盾构法施工更加经济、高效。
参考文献
[1]闫富有.地下工程施工[M].黄河水利出版社.2018.6
[2]秦东平.地铁施工变形对邻近建筑物安全影响分析[D].北京交通大学，2016
[3] 韩煊，李宁.J.R.Standing. Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J]. 岩土力学. 2007（01）
[4] [5] Carles Cam?s，Climent Molins. 3D analytical prediction of building damage due to ground subsidence produced by tunneling. Tunnelling and Underground Space Technology 50 （2015） 424-437
作者簡介
张璐璐（1998年3月）女，汉族，河南省南阳市，本科生，研究方向：土木工程学院城市地下空间工程专业。
赵一锦（1999年2月）女，汉族，河南省商丘市，本科生，研究方向：土木工程学院城市地下空间工程专业。
靳文豪（1998年7月）男，汉族，河南省周口市，本科生，研究方向：土木工程学院土木工程专业。
张思文（1998年8月）女，汉族，湖南省益阳市，本科生，研究方向：土木工程学院城市地下空间工程专业。
刘佳威（1998年9月）男，汉族，湖南省益阳市，本科生，研究方向：土木工程学院土木工程专业。
[关键词]盾构隧道;框架结构建筑物;地面沉降;附加内力;理论研究;有限元分析;三维数值运算
中图分类号：TP451 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）14-0344-02
正文：
1.绪论
1.1研究背景
随着国家城市建设的加快，城市规模不断扩大，人口急剧膨胀，交通拥堵的问题亟待解决。合理开发利用地下空间，修建地铁等地下结构形成完善的地下交通系统是解决城市交通拥堵的有效途径。根据城市轨道交通2017年统计和分析报告，近年来我国沿海及中西部经济较发达地区城市地铁发展迅猛，从沿海到中西部共34个城市目前已经或正在进行地铁建设，截止2017年底中国内地地铁交通总运营里程已经超过5000km。地铁隧道施工与既有建筑的相互作用及影响逐渐成为城市社会及交通可持续发展中的重要问题。
地铁隧道施工方法主要有：盾构法、矿山法、盖挖逆作法、明挖顺作法等[1]，而在城市地下空间开发中用得较多的是对周边环境影响较小的盾构法。但是盾构法施工会引起地面沉降，从而对建筑结构产生影响，因此分析地铁施工对地面的影响十分重要。
1.2研究现状
从我国目前的工程实践和科学研究来看，在地下开挖对邻近建筑物的安全及防治对策方面，多是应用常规经验2‰倾斜率作为判断结构可允许的沉降差[2]，通过测量沉降量来控制施工和加固邻近建筑物。这种做法无系统的理论支持。不同结构类型的建筑物受力特点和承载能力不同，用同一经验值并不合理，需针对各种情况进行分析。
本文针对采用独立基础形式的框架结构建筑物间在无斜向夹角、同一隧道埋深条件下，并在郑州的砂土地层环境中，对于地基沉降下邻近侧向框架结构建筑物进行了理论分析与室内模型试验，得到的沉降槽中地基位移对框架结构附加位移、附加应变影响效应，为今后郑州地铁盾构施工的沉降监测与周围建筑防护提供依据。
2.理论研究与数值计算
2.1横向地表沉降
当盾构机在粉土地层中挖出一条隧道后，土层的部分就会出现一种中空状态，这时由于隧道以上的土层的自重或地面以上的建筑物的影响地面会出现沉降，由于地上建筑框架结构为弹性结构，故地面沉降在一定范围内，框架结构可保持稳定，但沉降量超出范围后，框架结构就会发生破坏。根据地表沉降与位置的关系，便可确定框架结构所处位置的地表沉降量。
在现有的研究当中，最经典的经验公式法是Peck理论[3]，结合采矿引起地面沉降的估算方法，提出了地表沉降槽的形状近似于正态分布曲线。
式中：
Sv——地表水平x坐标位置沉降值（mm）;
Svmax——隧道中心线的最大地面沉降量，取值30mm;
x——计算点距隧道中心线距离值（m）;
i——反弯点距隧道中心线水平距离（m）;
K——沉降槽宽度系数，無量纲，粉土地层一般取0.3;
Z0——隧道埋深（m），根据郑州地铁施工一般取15m。
可得出地表沉降与x坐标位置的关系如下：
2.2地表沉降引起的框架结构附加内力
有限元分析的MidasGTSNX软件数据模拟框架尺寸为长20m，宽0.5m，高10m的两跨两层结构，框架结构发生破坏的位置即是应力最大处，即只要找到地面沉降一定范围时，框架结构的最大应力点，就是框架最先产生裂缝处，如图所示：
由此可知：在两跨两层的框架结构下，第一跨的二层右上节点处的应力为最大，可知在地表的不均匀沉降下，该点最易发生破坏。
3.三维数值运算
在最经典的peck公式的基础上，Attewall[4]在1982年提出了更加精确的沉降值表达公式：
随后，O’Reilly[5]提出了土体在盾构机作用下横向和纵向的位移公式：
横向位移公式：
纵向位移公式：
式中
Φ（·）——为正态分布累积函数
Smax——隧道中心线处地面最大沉降量（mm）
Dt——隧道直径（m）
z0——隧道埋深（m）
Kx——沉降槽宽度系数
Ky——沉降槽宽度系数
VL——隧道土体损失，小数，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比
yf——盾尾坐标（m）
ys——刀盘坐标（m）
y0——隧道纵向沉降调整系数
其中根据经验取值如下：
将此公式编为程序，输入在软件MATLAB中，可得到刀盘坐标不同时的地面沉降的图像如下： 3.1二维图像
从纵向地表沉降分析图可以看出，隧道开挖前方的地表，由于土的松散的性质，没有开挖到的地方也会有预沉降，并且这种沉降是逐步增加的。
3.2三维图像
从刀盘坐标不同时的地面三维沉降图可知，盾构机开挖引起的地表沉降是一个渐变的过程，并且随着盾构机的前进，土体开始下沉，地表会产生沉降，沉降量逐渐增加。
3.3刀盘坐标不同时的上部建筑最大沉降量
若以上部建筑地面中心点为坐标原点，则由以上表格可以看出，刀盘坐标不同时，地表的沉降量不同，即对上部建筑的影响不同，当盾尾经过上部建筑正下方时的沉降量最大。
这种方法是用经验公式来分析地表沉降的一种方法，但是它也有不足之处，比如地层的不均匀、地下水因素、周边环境的影响等都会对地表的沉降有影响，而此公式并没有考虑到。
4.结语
随着经济的发展，我国对地下空间利用的需求越来越大，对公路隧道、地铁隧道的需求更是越来越多，这就不可避免的需要运用到盾构机施工技术。盾构机的掘进引起的地表面的沉降和水平位移，对地上建筑的影响很大，不仅可能会造成经济损失，更加有可能造成人员伤亡等灾害，虽然现在国内外对此研究很多，但是由于土体的不稳定性以及土层性质等因素，对地表沉降的确切计算还不是很成熟。而开挖隧道的盾构法施工是我国近年来快速发展的趋势，因此，对沉降的分析应该继续前进。同时，相关的施工部门也应该在施工之前做好检测和勘探工作，在施工过程期间中按照规范施工，从而使盾构法施工更加经济、高效。
参考文献
[1]闫富有.地下工程施工[M].黄河水利出版社.2018.6
[2]秦东平.地铁施工变形对邻近建筑物安全影响分析[D].北京交通大学，2016
[3] 韩煊，李宁.J.R.Standing. Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J]. 岩土力学. 2007（01）
[4] [5] Carles Cam?s，Climent Molins. 3D analytical prediction of building damage due to ground subsidence produced by tunneling. Tunnelling and Underground Space Technology 50 （2015） 424-437
作者簡介
张璐璐（1998年3月）女，汉族，河南省南阳市，本科生，研究方向：土木工程学院城市地下空间工程专业。
赵一锦（1999年2月）女，汉族，河南省商丘市，本科生，研究方向：土木工程学院城市地下空间工程专业。
靳文豪（1998年7月）男，汉族，河南省周口市，本科生，研究方向：土木工程学院土木工程专业。
张思文（1998年8月）女，汉族，湖南省益阳市，本科生，研究方向：土木工程学院城市地下空间工程专业。
刘佳威（1998年9月）男，汉族，湖南省益阳市，本科生，研究方向：土木工程学院土木工程专业。