城市浅埋暗挖隧道施工对地面房屋的损坏评价分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 公路隧道　２００７年第４期（总第６０期）　城市浅埋暗挖隧道施工对地面房屋的损坏评价分析　谢　锋　林　志　（重庆交通科研设计院，隧道建设与养护技术交通行业重点室，重庆４０００６７）　摘　要　在城市公路隧道施工中，如何评价分析隧道影响区地面房屋的安全性是现在工程界的难点与热点。本　文根据房屋结构的变形特点，提出三阶段评价分析法，即首先根据房屋的实际情况，确定房屋在隧道施工前的损坏　情况；然后参考房屋损坏评价标准，确定房屋的控制损坏等级和极限变形值，将房屋的极限变形值与房屋损坏等级　所对应的变形值之差即得房屋的容许变形值；最后分别采用Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ模型法、隔离法和整体分析法对房屋损害进　行阶段评价分析。如果最后阶段的计算结果均超出房屋的容许变形值，则需对房屋采取相应的加固措施，从而保　证隧道顺利通过房屋。　关键词　隧道施工房屋变形值安全性　１　前言　刖昌　随着城市隧道与地铁建设的兴起，相应的环境　问题引起了越来越多的关注。由于隧道的施工，将　２　隧道施工房屋损坏评定标准　Ｚ　隧追抛上厉Ｊ至顶　疋怀准　在实际工程中，房屋由于结构形式、基础类型、　建筑尺寸、荷载情况、建造时期和使用情况、功能和　重要性等的不同，具有不同的承受荷载作用和变形　的能力。因此，对于隧道施工影响范围内的房屋，应　不可避免地会对上覆地层产生挠动。地层损失、周　围孔隙水压变化及衬砌变形等，都会使地层原始应　力重分布，原有的土体平衡状态遭到破坏，导致地表　发生下沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形　及非连续变形等。地表产生的移动和变形较大时，　往往又会引起地上临近已有建筑物、构筑物的开裂、　该根据其具体情况查找相应的损坏评定标准，确定　其在隧道施工前的损坏程度和破坏控制等级。　２．１国内建（构）筑物评价标准　上海制定了上海地区建（构）筑物评价暂行标　准，该标准是目前国内最全的软土地区盾构隧道施　工建（构）筑物变形与沉降控制标准，参见文献５。　它考虑了不同类型的基础对地面沉降的不同承受能　力。但是，本标准主要适用于软土地区的建（构）筑　物变形与沉降控制，在非软土地区的适用性需要研　究。　沉降、倾斜等问题口４］。如果变形过大，房屋将发生　倒塌，从而危及居民的生命安全。从某一方面来说，　隧道能否顺利通过房屋决定着该类工程的成败。因　此，对地面房屋进行安全评价是隧道安全穿过房屋　的首要前提之一。　目前，在城市地铁隧道施工中，一般规定引起的　允许地面沉降值为３０ｍｍ，隆起值为１０　ｍｍ，地面附　加倾斜不得超过１／３００。实际上，这些值往往是由　专家们根据经验规定，是临时性的，缺乏理论依据，　至少是不完善的。建筑物由于结构形式、基础类型、　建筑尺寸、荷载情况、建造时期和使用情况、功能和　重要性等的不同，具有不同的承受荷载作用和变形　能力。因此，必须根据其建筑物的实际情况来确定　相应的变形控制指标，从而对房屋的损坏程度进行　评定。本文根据房屋的实际损坏情况，采用隧道施　工房屋损坏评定标准，对隧道施工诱发房屋的损害　采用三阶段分析法进行评价。　此外，煤炭工业部参考国外一些国家有关规定　制定的地下采矿地表建筑物及其他保护对象等级的　划分规范，参见文献６。该标准将长度或变形缝区　段内长度小于２０ｍ的砖混结构房屋破坏分为四个　等级［６ｊ，其它结构类型的建（构）筑物可参照该标准　执行。　２．２国外隧道施工房屋损坏评定标准　国外根据实际工程和试验将房屋损坏评定标准　分为３类：　（１）视觉损坏：当结构物出现大于］／２５０的偏移　时，视觉上就可以察觉到，当然这种感觉具有主观　性，该损坏评定标准中破坏等级０～２属于视觉损坏　・　５９　・　维普资讯 http://www.cqvip.com 公路隧道　２００７年第４期（总第６０期）　范围。这种损坏也可以由与温度变化、装修等其他　原因造成。　的论断进行判断，房屋的最大沉降值和最大斜率支　配着房屋的潜在破坏，当最大斜率０＜１／５００及最大　沉降值Ａ＜１０ｍｍ时，房屋的破坏是可以忽略的［８］。　因此，位于以上数值限定的沉降槽区域的房屋可以　不予考虑ｌ９　。其地面沉降可用Ｐｅｃｋ（１９６９）经验公　（２）功能损坏：该损坏评定标准中破坏等级３～　４属于功能破坏。该类破坏往往都是由于土体位移　引起的。　（３）稳定性损坏：破坏等级５。　根据上述分析可知，为了保证房屋的安全，可以　式或数值计算进行确定。　将视觉损坏作为房屋的容许破坏，即对应的破坏等　级为２级。因此，破坏等级为２级所对应的变形控　制指标与该房屋在隧道施工前损坏等级所对应的变　形指标之差，即是房屋的容许变形值。其具体变形　控制指标见表１、表２所示。　表１损坏分级与极限拉应变的关系　损害分级　严重程度　极限拉应变（　）　Ｏ　可忽略　０～０．０５　１　很轻微　０．０５～Ｏ．０７５　２　轻微　０．０７５～Ｏ．１５　３　中等　０．１５－－０．３　４～５　严重～很严重　＞Ｏ．３　表２国外按地表变形划分破坏等级　破坏　地表变形值　等级　建筑物破坏等级　倾斜　水平变珏ｊ　ｒｒｍａ／ＩＴＩ　（ｒａｍ／ｍ）　１　建筑物不需要保护，允许墙上出　２．现一些很小的无危害裂缝　５　１．５　２　建筑物需要采取简单的保护，允许　５．０　３．０　墙上出现一些容易修理的较小裂缝　３　建筑物需要仔细保护，允许出现　１０．０　６．０　一些易修理的较大裂缝　４　建筑物需要仔细保护，允许出现　１５．０　９．０　一些易修理的破坏　５　不能建造建筑物，地表可能出现　＞１５．０　＞９．０　较大的裂缝塌陷坑　根据上述分析可知，为了保证房屋的安全，可以　将视觉损坏作为房屋的容许破坏，即对应的破坏等　级为２级。因此，破坏等级为２级所对应的变形控　制指标与该房屋在隧道施工前损坏等级所对应的变　形指标之差，即是房屋的容许变形值。　３房屋损坏三阶段评价分析法　隧道施工对房屋的影响破坏评价可以采用三阶　段评价分析法（图１）。其具体步骤如下所述：　（１）第一阶段评价法（Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ模型法）　在该阶段评价法中，先不考虑建筑房屋的存在，　即假定为Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ的情况。按照Ｒａｎｋｉｎ（１９８８）　・　６０・　图１　三阶段评价分析流程图　由于这种方法只考虑了原场的地面沉降，未考　虑房屋结构建筑的变形，因而该方法比较保守，但是　它可减少不必要的房屋计算。如果房屋结构所在位　置区域的计算指标超过了以上极限值，应当进行第　二阶段评价。　（２）第二阶段评价法（隔离法）　该阶段评价法是将房屋结构假定为弹性梁，其　基础假定为柔性，完全顺从沉降曲线变形。这样可　以得出处于建筑基础位置下的沉降曲线，使基础顺　从该部分线形曲线变化。根据此变形曲线，可以计　算出梁的挠度比ＤＲ（包括ｈｏｇ区及ｓａｇ区）和最大　水平应变￡　（包括压缩和拉伸）。由挠度比ＤＲ和水　平应变ｅ　可计算出梁的应变。计算出该梁的应变　后，根据应变大小可评价建筑结构的损害程度。其　计算模型和方法如下所示：　在该模型中，弹性梁宽度为Ｂ，高度为Ｈ（图　２）。图２表示了两种变形的极端模式：由拉应变所　产生的弯曲裂缝（图２．ｄ）和由对角拉应变所引起的　对角裂缝（图２．ｅ）。　根据该计算模型，对于中间受载梁，其既有剪切　变形和弯曲变形的挠度计算公式为：　△一面ＰＢａ　Ｌ．１１－十丽１８Ｅ　Ｉ）　式中，△是梁的挠度；Ｅ、Ｇ分别是弹性梁的弹　性模量和剪切模量；Ｉ是梁的惯性矩；Ｐ是梁的中心　荷载；Ｂ、Ｈ分别是梁的宽度和高度。　对于各向同性弹性材料，Ｅ／Ｇ＝２（１＋ｖ）。假设　泊松比ｖ一０．３，可得Ｅ／Ｇ：２．６。对于实际的房屋　维普资讯 http://www.cqvip.com

谢锋等城市浅埋暗挖隧道施工对地面房屋的损坏评价分析　结构，基石出对冥变彤有明显的抑制作用。凼此，中性　于假定基础顺从原场的地表变形，从而使计算结果　较保守。如果运用该方法计算出的破坏指标超过房　屋的容许值，就必须进行更精确的计算，即采用第三　阶段评价法。　轴位于梁的底部更接近实际。上式可将挠度比改写　成分别关于极限纤维应变和最大对角应变的关系　式：　舍一（ｏ．８３罟＋１．３罟）ｅ　，　舍＿（Ｏ．Ｏ６４昏㈨　（２）　该阶段采用数值分析，从而实现地基和房屋结　（３）　构的耦合。地基和房屋结构的耦合作用是影响房屋　（３）第三阶段评价法（整体分析法）　ａ．实际房屋　ｂ．简化深梁模型　弋：＝＝二互７　Ｃ．梁挠度　ｄ　拉应变引起的开裂　ｅ．对角应变引起的开裂　图２简化梁在不同变形模式下的开裂　由以上分析可知，将第一阶段所得的地表沉降　代人公式（２）～（３）可得房屋的拉应变，再根据第２　节所述的各评价标准得出的房屋容许拉应变，即可　判断房屋是否安全。其具体步骤流程见图３。　ｌ竺竺竺　竺定　Ｉ　————．　』————　——　由极限拉应变反算挠度比ＤＲ，水平应变＆控制值　一　Ｌ一　｛ＤＲ：Ａ，Ｂ．￣＝ＡＬＩＬ　ｊ　ｉ　上一——～～　｝房量变形扰芦葶　水平变形△Ｌ容许值；　图３房屋容许变形值确定流程图　该方法在一定程度上考虑了房屋建筑的影响，　因此比第一阶段评价法精确。但是它的不妥之处在　刚度的重要因素之一，它将减小房屋结构的变形。　图４给出了由隧道修建而引起房屋的变形图。该图　将原场沉降曲线和房屋结构的沉降曲线进行了对　比。从图４可知，相对原场，考虑房屋结构的影响将　使最大沉降值Ｓ～和斜率ｅ减小。同理，考虑房屋　结构的影响也会减小水平应变。　，‘＿■一Ｉ　图４隧道开挖引起的房屋沉降曲线　由于第二阶段的保守评价，第三阶段所计算出　的破坏指标将小于前阶段所得的结果。如果在该阶　段算出的破坏指标等于或大于房屋变形的容许值，　则将对房屋结构采取必要的加固措施。　４　工程应用　某城市公路隧道为单向三车道连拱隧道，围岩　综合评定为Ｖ～Ⅵ级。该隧道约６００ｍ在密集的建　（构）筑物下穿过，开挖跨度达３４ｍ，隧道埋置深度为　ｌＯ￣３０ｍ。该隧道地质条件差，主要穿越残积土、全　风化岩和砂砾状强风化岩，具有饱水易软化、崩解，　强度降低的特征。同时，隧址地下水位较浅，在较长　时间的地下水作用下易产生流泥、流砂等不良地质　现象。　在该隧道地面上有一栋控制性房屋，该房屋高　１８ｍ，宽５３ｍ，长ｌｏｒｅ，位于拟建隧道上方和一侧。　经该市房屋鉴定机构鉴定，该房屋为一般破坏，即对　应于房屋损坏评定标准表１和表２，其隧道施工前　房屋的损坏等级为一级。经勘察表明，该房屋地基　以下拟建隧址以粘土层和全风化花岗岩为主，左洞　左下侧有一软弱围岩夹层，隧道埋深１９．６ｍ，地下水　埋深２～３ｍ，综合评价为Ⅵ级围岩，其力学参数　・　６１　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

公路隧道　见表３。　表３计算参数表　类别　密度　弹性模量　泊松比　粘聚力　摩擦角　／Ｋｇ／ｍ。　／ＭＰ　／ＫＰａ　（。）　坡积亚粘土　２０００　２４．５　０．２６　１０　２０　全风化花岗岩　２０００　５７．７　０．３１　１５　２０　Ｃ２５喷射混凝土　２３００　２５０００　０．２　————　●——　钢筋混凝土　２５００　２８７００　０．２　●——　●——　中空注浆锚杆　７８００　２．０ｘｌ０。　０．２　———　●——　超前支护　２０５０　２０３０　０．２　１５　２０　房屋　３１０　１０００　０．２　１０００　１００　根据上述材料，除锚杆以杆单元模拟外，其余均　以实体单元模拟。其有限元模型见图５与图６。　为了保证房屋的安全，将视觉损坏作为房屋的　容许破坏，即对应的破坏等级为２级。此外，根据该　房屋的鉴定资料可知，该房屋在隧道施工前损坏等　级为一级。因此，由表１和表２可得该房屋的容许　拉应变为０．０７５　，容许倾斜２．５ｍｍ／ｍ，容许水平　应变１．５　ｍｍ／ｍ。　譬　图５　Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ情况隧道计算模型　图６整体分析计算模型　对于该房屋，采用三阶段评价分析法对房屋损　坏程度进行评价：　第一阶段评价（Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ模型分析）：不考虑　房屋的存在，即假定为Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ的情况，采用数值　计算，其计算结果见图７。根据图７可知隧道开挖　引起房屋最大沉降量△一３５．６ｍｍ，斜率ｅ一３．１３／　４８６，即超过第一阶段的控制指标（最大沉降值△＜　ｌＯｍｍ，斜率ｅ＜１／５００）。因此必须进行第二阶段评　价。　・　６２　・　２００７年第４期（总第６０期）　图７　Ｇｒｅｅｎｆｉｄｌｄ情况模型沉降图　第二阶段评价：将房屋简化为高１８ｍ，长１０ｍ　的弹性梁。根据第一阶段评价可知地表沉降值△一　３５．６ｍｍ，将其代人公式（２）～（３）可得房屋的拉应　变为０．１５　，大于房屋的容许拉应变￡一０．０７５　。　因此，该房屋应进行第三阶段评价。　第三阶段评价：根据该隧道的断面形式与力学　参数可建立图６所示的有限元模型。其计算模型　为：ａ．土体采用Ｄ－Ｐ屈服准则；ｂ．房屋采用实体单　元模拟；Ｃ．锚杆采用杆单元模拟；ｄ．围岩的无支护应　力释放率为４０　，支护承担６０　的围岩应力释放。　其计算结果见图８、图９。　晨ｊ　曩　１　＿器　图８整体分析模型沉降图　图９模型水平位移图　从以上计算结果图可知，隧道开挖引起房屋的　沉降差为２２．８ｍｍ，水平位移差为１４．２ｍｍ。因此，　由公式（２）～（３）可得房屋的拉应变为０．０９４　，倾　斜为２．２８ｍｍ／ｍ，水平应变为５．２６ｍｍ／ｍ。根据该　房屋的容许变形控制指标可知，其计算变形指标除　倾斜外均大于控制值，故应对该房屋采取必要的加　固措施。　根据该工程特点，为使隧道开挖引起地面房屋　的沉降在其容许范围内，经过技术和经济比较，最后　采取的加固措施及施工方法是：　（１）对该房屋采取注浆加固；　维普资讯 http://www.cqvip.com 谢锋等城市浅埋暗挖隧道施工对地面房屋的损坏评价分析　（２）为了避免初期支护提供的支护强度和刚度　不够，在该隧道施工中采用两层二次支护，即初期支　屋的容许变形控制指标可知，其计算变形指标均小　于控制值，即采用对房屋注浆加固、两层二次支护的　方法可保证该隧道顺利通过该房屋。　最后，在隧道开挖过程中，根据监控量测资料可　知，该房屋的沉降差为１１．９ｒａｍ，水平位移差为　３．５ｒａｍ。再由上述计算方法可知，房屋的拉应变为　０．０５０　，倾斜为１．１９ｍｍ／ｍ，水平应变为１．３１ｍｍ／　护完成后立即施作第一层二次支护，等隧道沉降稳　定后，再施作第二层二次支护。　ｍ，其变形值均在容许变形控制值内，隧道顺利通过　图１０　Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ情况模型沉降图　根据以上建模方法，对该房屋采取加固措施后　的三阶段评价结果如下：　第一阶段评价（Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ模型分析）：由图ｌＯ　可知，当采用两层二次支护时，隧道开挖引起房屋最　大沉降量△一１９．９３ｒａｍ，斜率ｅ一１．９４／４８６，但其结　果还是超过第一阶段的控制指标（最大沉降值△＜　１０ｒａｍ，斜率０￣１／５００）。因此必须进行第二阶段评　价。　第二阶段评价：根据第一阶段评价可知地表沉　降值△一１９．９３ｒａｍ，再根据第２阶段的计算原理，将　房屋简化为高１８ｍ，长１０ｍ的弹性梁，代入公式（２）　～（３），可得房屋的拉应变为０．０８４　，大于房屋的　容许拉应变￡一０．０７５％。因此，该房屋应进行第三　阶段评价。　第三阶段评价：根据以上建模思路和施工方法，　可计算出该隧道开挖引起地面房屋的沉降量，其计　算结果见图１ｌ、图ｌ２所示。　图１１整体分析模型沉降图　图１２模型水平位移图　从以上计算结果可知，隧道开挖引起房屋的沉　降差为１２．５ｒａｍ，水平位移差为３．２ｍｍ。因此，由　公式（２）～（３）可得房屋的拉应变为０．０５２％，倾斜　为１．２５ｍｍ／ｍ，水平应变为１．２ｍｍ／ｍ。根据该房　该房屋。　由以上计算及实际工程可知，当房屋没有采取　加固措施之前，三个阶段的房屋变形指标均超过容　许值。当对房屋加固后，运用三阶段评价分析法计　算得出房屋的变形指标满足要求，经过实际验证，～灌慧　溪　爱　ｌ爵其　科　计算结果符合实际，表明三阶段评价分析法可以准　确评价隧道地面房屋的损害程度。　５　结语　本文提出在城市浅埋暗挖隧道施工中，对于地　面影响区的房屋应根据其具体情况采用相应的损坏　评价标准，将视觉破坏作为破坏控制等级，再由房屋　的鉴定结果确定房屋在隧道开挖前的损坏等级，从　而确定房屋的容许变形值，最后运用三阶段评价分　析法对其进行安全评价。如果在三阶段评价分析法　中，最后阶段计算的房屋变形值大于房屋的容许变　形值时，则应对房屋采取相应的加固措施，从而保证　隧道安全通过房屋。经实践证明，该评价分析法实　用可靠。　参考文献　ｒ　１］ＰＥＣＫ．Ｒ．Ｂ　Ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｓｏｆｔ　ｇｒｏｕｎｄ，Ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｒｔ　Ｒｅｐｏｒｔ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ，７ｔｈＩｎｔ．　Ｃｏｎｆ．ｏｎ　ｓｏｉｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ～　ｉｎｇ，Ｍｅｘｉｃｏ　ｃｉｔｙ，１９６９，２２５～２９０．　［２］　吕　勤，张顶立，黄俊．城市地铁暗挖施工地层变形　机理及控制实践［Ｊ］．中国安全科学学报，２００３，（７），　２９—３４．　［３］刘弈麟．浅埋隧道开挖地表移动与变形预计ｊ－Ｊ］．中国　安全科学学报，２００３，（１２），４０９—４１３．　［４２刘海燕，姜玉松．隧道开挖对地表及建筑物影响的研究　与分析［Ｊ］．西部探矿工程，２００５，（３），１０８—１０９．　Ｅ５］周文波．盾构法隧道施工技术及应用ｌ－Ｍ］．北京：中国　建筑工业出版社．２００４，１１．　Ｅ６］　中华人民共和国煤炭工业部．建筑物、水体、铁路及主　要井巷煤柱留设与压煤开采规程［Ｓ］．北京：煤炭工业　出版社．１９８５．　・　６３　・　册　Ｉ　霉鞋