第１９卷第２期 ２０１０年３月 河南城建学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｕｒｂａｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ０１．１９ Ｎ０．２ Ｍａｒ．２０１０ 文章编号：１６７４—７０４６（２０１０）０２—００１７—０４ 隧道开挖引起的地表变形及对地面建筑的影响 陈扣军 ，刘 阳２ （１．中铁１２局，广西桂林，５４１１００；２．中国矿业大学建工学院，江苏徐州，２２１００８） 摘要： 通过理论分析预测隧道周边变形和地表沉降的分布形式，结合ＡＮＳＹＳ模拟 结果进行分析验证公式的精确程度，从而确定对周围建筑物的影响范围。通 过模拟建筑物地基不均匀沉降引起的应力和变形状态来研究分析建筑物不 均匀下沉的破坏规律。 关键词： 浅埋；地表变形；建筑物影响 中图分类号：Ｕ４５２．１ １ ０引言 文献标识码：Ａ 隧道开挖会影响地层原始应力分布，破坏土体平衡，引起地表变形和岩土体变形，特别是隧道埋深 较浅时，这种影响更加明显。在城市和城郊建筑密集区域，这种浅埋隧道施工引起的地表变形和位移往 往又会引起地上或地下Ｉ临近已有建筑物的开裂、沉降、倾斜等问题。当房屋横跨地面沉降下凹区和上凸 区时，房屋结构的受力较复杂，即处于下凹区的房屋基础受压，上凸区的房屋基础受拉。然而，在城市地 铁隧道中，房屋横跨地面沉降下凹区和上凸区的情况经常出现。针对这类问题，本文对地面沉降下凹区 （负曲率）影响范围内的房屋进行数值计算，确保国家建设项目正常进行，同时也保障周边的建筑安全。 １隧道地表变形推导 浙江大学魏新江［ ］根据ｐｅｅｋ地表沉降公式结合无剪胀作用的土体的变形特性推导以下公式： ＝ ＳｒｍａｘＣＯＳ３（ ） （１） ｓ 。 一拱顶最大位移，圆形隧道可以给出解析解，非圆隧道用有限元软件计算求解； ｓ（ ，ｈ）一据隧道中心水平距离为 的地表处的地表沉降量； 其中，ｒ一隧道外半径； 一隧道中心距地表的距离； 一确定影响范围ｔａｎｆｌ：１．３７；ｔａｎ０＝ｘ／ｈ； 图１横断面地表沉降关系 Ｐｅｅｋ公式法［２ （１９６９）提出地表沉降槽类似正态分布曲线，认为地层移动由地层损失引起，施工引起 收稿日期：２０１０—０２—１３ 第一作者简介：陈扣军（１９８６一），男，江苏南通人，中铁１２局天平山进口项目部助理工程师。 １８ 河南城建学院学报 ２０１０年３月 的沉降是在不排水的条件下发生的，所以沉陷槽的体积应等于地层损失的体积，提出了以下地表沉降的 估算公式： ５（ ）：Ｓｍｏ￣ｅ－卫２ｉ２ （２） 式中：Ｓ（ ）为离隧道中线 处的地面沉降量；ｓ一为横向地面最大沉降量； 为距离隧道中线的距 离；ｉ为沉降槽的宽度系数。 英国的Ｃｌｏｕｇｈ＆Ｓｃｈｉｍｉｄｔ［ ］公式提出了饱和含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数ｉ的计算方 法： 云： 式中：ｚ为地表到隧道中心的距离；ｉ为沉降槽宽度系数；Ｒ为隧道半径。 ２地表变形对建筑物的影响 （３） 隧道开挖引起地层损失、衬砌变形等，地层原始应力受扰动后将重新分布，原有的土体平衡状态遭 到破坏，导致地表发生沉降变形、曲率变形、水平位移变形等。地表产生的位移和变形较大时，往往又会 引起地表已有建筑物、构筑物的开裂、沉降、倾斜等几种破坏形式＿４ 。 ２．１地表沉降影响 地表沉降往往引起建筑物基础下沉。如果建筑物沉降相对均匀，地表沉降对于建筑物的稳定性不 会产生太大的破坏；但如果基础不均匀沉降，势必会引起附加作用力，对建筑物造成一定程度的损害。 不均匀沉降将导致地表倾斜，使建筑物产生结构破坏性裂缝，对建筑物的破坏最大。 ２．２地表曲率影响 地层变形会使地表形成曲面而产生曲率，地表曲率对建筑物有较大影响。有研究表明：由弯曲变形 引起的建筑物体内的水平应力分布规律与弯矩的分布规律相同。也就是说，在建筑物中部假设存在一 个中性轴，中性轴上水平应力为零，中性轴向上或向下，水平应力逐渐增大。当建筑物处于下凹区（负曲 率）时，建筑物下部受拉、上部受压；在建筑物处于隆起区（正曲率）时，建筑物下部受压、上部受拉。 ２．３地表水平变形影响 地表水平变形对地表建筑物有拉伸作用或压缩作用。由于建筑物抗拉能力远小于抗压能力，地表 拉伸变形对建筑物的影响程度最大。一般当隧道推进接近建筑物过程，建筑物承受水平压力；当隧道推 进远离建筑物过程，对建筑物有一个纵向（沿隧道推进方向）拉力作用。 ３隧道上方高层框架结构数值模拟 为了验证隧道地表变形理论推导的准确程度以及定量的研究地表变形对建筑物的影响程度，借助 ＡＮＳＹＳ进行计算机模拟ｌ５ Ｊ隧道开挖对周围建筑物的影响。通过有限单元法可以方便地考虑地基与上 部结构的协同工作以及纵横墙之间的相互影响；根据墙体破坏准则可以预计建筑结构的薄弱位置和裂 缝可能的开裂方向；通过模拟计算可以确定构件的受力性质并据此进行设计等。 ３．１数值模拟的基本假定 将地基、基础、和地表以上结构看作一个不可分割的有机整体，按照共同作用分析，考虑其问的相互 作用，不仅保证了各部分的静力平衡条件，还保证了它们在界面上的位移连续条件，来分析研究隧道建 设对邻近房屋建筑物的影响。 ３．２数值模拟参数 有限元建模：框架柱和主次梁采用ｂｅａｍ１８８单元，墙体和楼面板采用ｓｈｅｌｌ６３单元，模拟框架结构Ｌ６ｊ 地基不均匀沉降过程对结构的影响。框架结构的地基和地层协调变形，假设沉降沿Ｘ方向关于中心对 称，沉降位移满足前面理式，假设Ｘ＝０和Ｘ＝４４的节点处沉降０．０６７ｃｍ，Ｘ＝８和ｘ：３６的－１４４丁－点处沉降 ０．７９９４ｃｍ；Ｘ＝１６和Ｘ＝２８的节点处沉降２．９４０５ｃｍ；Ｘ＝２２的节点处沉降４ｃｍ。地基左右两端近似按固 第ｌ９卷第２期 陈扣军等：隧道开挖引起的地表变形及对地面建筑的影响 １９ 定端考虑，约束所有自由度。 （１）框架柱梁和墙体为线弹性材料，考虑配筋情况：弹性模量Ｅ＝ ３ ｘ １０ｍＰａ，泊松比为０．２，密度为２ ７００ｋｇ／ｍ３。 （２）截面形状与尺寸：形状都为矩形。框架柱截面尺寸为１．１ｍ ｘ １．１ｍ；外梁截面尺寸０．４ｍ ｘ ０．６ｍ；内梁截面尺寸０．５ｍ ｘ ０．８ｍ；次梁 截面尺寸０．３ｍ ｘ ０．５ｍ。墙体厚度０．２ｍ，简体厚度０．３ｍ。 利用ＡＮＳＹＳ自定义网格划分的方法对模型进行网格划分，网格 划分后的有限元模型如图２所示。 ４有限元模拟计算结果 ４．１框架结构模拟结果 框架结构模拟结果见图３～图８。＿ ｊ … －： ．三 图２框架结构有限元模型 图３负曲率框架结构总位移 图４负曲率框架结构ｙ向位移 黑 霉鼍 鼍 一 图５负曲率框架结构ｚ向位移 图６负曲率框架结构ｘ向位移 曩■ｉ■ ＿ｊ ？— ＿ 图７负曲率框架结构位移一高度变化 图８负曲率框架结构等效应力 ４．２模拟结果分析 结果显示：框架顶部和底部沿Ｘ轴中间区域变形最大；在整个高度范围内，中间部分变形大于两侧 部分，会在下部中间区域产生八字形裂缝。在不同的高度，该结构的Ｙ向位移不同，从下到上，Ｙ向的位 河南城建学院学报 ２０１０年３月 移依次增大（向正向），也就是说高层建筑有向ｙ轴正方向倾覆的可能；Ｚ向的位移成左右对称布置，两 侧位移小，从上到下下沉量依次减小，中间位移大，从上到下沉降量依次增大，建筑物下部变形大，易引 起裂缝；Ｘ向的位移成左右反对称布置，左侧下部左移，上部右移，右侧下部右移，上部左移，说明在ｘ方 向下部受拉，上部受压，下部沿ｘ方向容易出现拉伸裂缝。结合等效应力图表显示，建筑物下部应力较 大，呈正八字形分布，可知，负曲率下凹引起建筑物的破坏形式是八字形裂缝。根据计算结果进一步确 定塑性区的范围，作为建筑物防灾加固的依据。 ５结语 （１）隧道开挖对周围环境影响的研究，本文主要集中在地面沉降的大小和范围上，而忽略受扰动土体 的剪胀作用影响。 （２）本文对框架结构的模拟考虑了框架柱和基础的相互协同作用，但是模拟条件简单，仅考虑重力荷 载下的不均匀沉降，但是没考虑地震、风荷载等主要作用，可能与实际情况有所差异，但是突出了研究问 题，具有一定参考价值。 参考文献 ［１］魏新江．浅埋隧道的地表沉陷分析［Ｊ］．地下空间，２００４（４）：５１０—５１２． ［２￣ＰＥＣＫ．Ｒ．Ｂ．Ｄｅｅｐ Ｅｘｃａｖａｉｔｏｎｓ ａｎｄ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ Ｓｏｆｔ Ｇｒｏｕｎｄ Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ Ｒｅｐｏｒｔ．Ｐｒｏｃ，７ｔｈｌｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｏｎ ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｆｎｇ［Ｊ］．Ｍｅｘｉｃｏ ｃｉｔｙ，１９６９：２２５—２９０． ［３］Ｃｌｏｕｇｈ Ｇ Ｗ，Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｂ．Ｄｅｓｉｇｎ ｎｄ ａｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ０ｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎ ｓｏｆｔ ｃｌａｙ［Ｍ］∥Ｓｏｆｔ Ｃｌａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｒｎｄａ Ｅ Ｗ， Ｂｒｅｎｎｅｒ Ｒ Ｐ（ｅｄｓ．）：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８１：５６９—６３４． ［４］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］．西部矿探工程，２００５（３）：１０８—１０９． ［５］牛宗涛．采动区建筑物变形特性研究与工程应用［Ｄ］．西安：西安科技大学，２００８． ［６］李围．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００７． ［７］侯爱军，崔国顺．煤矿地下开采对建筑物的变形和破坏机理研究［Ｊ］．实验研究，２００９（５）：１１—１３． ［８］孔秋珍，谢锋．城市浅埋隧道施工对地面房屋影响的数值计算［Ｊ］．重庆交通大学学报，２０Ｃｒ７（２６）：３０—３３． ［９］施成华，彭立敏，刘宝琛．浅埋隧道开挖对地表建筑物的影响［Ｊ］．岩石力学与工程学报，００４（１９）：２３３１０—３３１６． ［１Ｏ］乔世范，殷建华，刘宝琛．圆形断面隧道开挖引起的地表及岩土体的位移和变形计算研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报， ２００８（２７）：３６１１—３６１６． ｎ １ ｎ 』● ＇１ Ｊ ｌ ＵｒＩａｃｅ ｃＩｅ１０ｒｍａｎ０ｎ ｃａｕｓｅａ ＤＶ ｔｕｎｎｅｌ ・■ １■ｍ ｌ ■ １ ｅｘｃａｖａｔｉＯｎ ａｎｃＩ ｉｎＨＵｅｎＣｅ ０Ｖｅｒ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ Ｏｎ ｇｒｏｕｎａ ＣＨＥＮ Ｋｏｕ－ｉｕｎ ，ＬＩＵ Ｙ锄 （１． １２ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４１１００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｇ，Ｃｎｈｉａ Ｕｎｉｎｖｅｒｓｉｔｙ ｆＭｉｏｎｉｇ ａｎｄ Ｔｅｃｎｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００８，Ｃｈｉａ）ｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｗｅ ｃｏｕｌｄ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｄｉｍｅｎｔａ— ｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｂｙ，ｗｅ ｃａｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ．Ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ’Ｓ ｕｎｅｖｅｎ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｗｅ ｈａｖｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｓｏｍｅ ｒｕｌｅｓ ａｂｏｕｔ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｌｏｗ；ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｖｅｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ
