CN105220718A - 一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法：(1)按照拟建建筑空间布局设计与既有隧道空间位置关系，绘出建筑基坑与临近既有运营隧道剖面图；(2)依据《建筑地基基础设计规范》，结合地勘报告结果，绘出各岩土层应力扩散线；(3)如果岩土层应力扩散线与既有隧道没有相交，则建筑施工对临近既有运营隧道没有影响，认为空间布局可行；(4)如果岩土层应力扩散线与既有隧道相交，则建筑施工对临近既有运营隧道有影响，需进一步测定这种影响多大，采用Mindlin解在基坑开挖区域进行积分，获得建筑施工对邻近既有隧道产生的附加应力和附加位移。本发明能够为地面建筑规划对邻近既有隧道影响进行预测定，为城市规划和设计提供技术参考。

Description

一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及到地面建筑空间布局对城市既有地下空间的影响预测方法。

背景技术

目前我国已有10个城市开通地铁轨道交通，还有33个城市正在建设、筹建或规划中。越来越多的地下空间开发建设和使用，使得地面建筑工程不可避免的与既有运营隧道邻近或相交。建筑基坑开挖会对邻近既有运营隧道产生附加应力与附加变形，给隧道的结构安全与正常运行带来隐患，因此有必要在规划与空间布局中预先测定建筑施工对邻近既有隧道的影响，为规划、设计提供科学依据。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用定性与定量相结合的方法进行建筑施工对临近既有运营隧道的影响测定。

一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法，包括定性分析和定量分析，具体步骤如下：

(1)按照拟建建筑空间布局设计与既有隧道空间位置关系，绘出建筑基坑与临近既有运营隧道剖面图；

(2)依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)，结合地勘报告结果，按照规范要求，绘出各岩土层应力扩散线；

所述地勘报告结果包含地基土的物理力学参数，即压缩模量、压缩系数、地层平均厚度、地下水位深度、标准贯入数据、地基土承载力特征值，应力扩散线根据压缩模量得到，上层土压缩模量与下层土压缩模量的比值为3、5、10时，对应的应力扩散角分别为23°、25°、30°。

(3)如果岩土层应力扩散线与既有隧道没有相交，则建筑施工对临近既有运营隧道没有影响，认为空间布局可行；

(4)如果岩土层应力扩散线与既有隧道相交，则建筑施工对临近既有运营隧道有影响，需要进一步进行测定这种影响多大，采用Mindlin解在基坑开挖区域进行积分，获得建筑施工对邻近既有隧道产生的附加应力和附加位移。

以基坑地表中心为原点建立直角坐标系，隧道横断面的宽度为D，隧道中心线与基坑中心线距离为L₁,隧道中心线与地面的距离为z₀，基坑的开挖深度为d，长度为L，宽度为B。

基坑开挖完成后，坑底的应力释放，计算时可等效为在坑底施加向上等值反向荷载。根据基坑初始应力分布的特征，坑底应力是土体的自重，可以把均布荷载分割成微小集中力，基坑开挖坑底卸荷引起的隧道附加应力可将其转化为土体中某一范围内均布荷载条件下Mindlin的积分，从而得到隧道结构纵向的竖向附加应力。为此，在均布荷载中一点(ξ,η)上的力pdξdη作用下引起隧道轴线上一点(x₁,L₁,z₀)竖向应力可用积分计算，则隧道结构纵向的竖向附加应力可表述为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_z=\frac{yd}{8\mathrm{\π}(1-v)}\{(1-2v)(z_0-d)\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_1^5}-(1-2v)(z_0-d)\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_2^3}\\ +\[3(3-4v)z_0{(z_0+d)}^2-3d(z_0+d)(5z_0-d)\]\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_2^5}+30{\mathrm{dz}}_0{(z_0+d)}^3\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_2^7}\}\end{array}---\left(1\right)$

$T_1=\sqrt{{(x_1-\mathrm{\ξ})}^2+{(L_1-\mathrm{\η})}^2+{(z_0-d)}^2}$

其中： $T_2=\sqrt{{(x_1-\mathrm{\ξ})}^2+{(L_1-\mathrm{\η})}^2+{(z_0+d)}^2}---\left(2\right)$

式中：v为泊松比，Γ为基坑底部积分区域，y表示隧道在以基坑地表中心为原点建立的直角坐标系中的y坐标；

根据Winker弹性地基梁理论，采用一系列土弹簧来模拟土体与隧道结构之间的相互作用，建立隧道与土体相互作用的力学方程为：

$EI\frac{d^{4}w\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^4}+Kw\left(x\right)=q\left(x\right)---\left(3\right)$

式中：EI为隧道等效抗弯刚度，K是地基基床系数——k与隧道外径D的乘积，x表示在以隧道中心中心线为x坐标建立的直角坐标系中的x坐标，w(x)为隧道纵向水平或竖向位移，q(x)为基坑开挖引起作用在隧道上竖向分布荷载，由竖向附加应力式σ_z乘以隧道外径D得到。

(5)根据竖向位移和竖向附加应力的计算结果对施工进行指导：隧道拱顶沉降值控制标准为20-30mm，应力需按照具体工程设计标准来遵循，达到设计值的40％时，需要预警，达到50％以上需调整施工方案。

本发明结合定性及定量两种方式分析地面建筑空间布局对城市地下空间的影响问题，利用Mindlin解在基坑附加应力计算中的应用，结合应力扩散线，能够依据地勘报告初步计算出建筑施工对临近既有隧道产生的应力及位移影响程度，计算方法简单，计算结果可靠度较高，对建筑施工有具体的指导作用，能够为地面建筑规划对邻近既有隧道影响进行预测定，为城市规划和设计提供技术参考。

附图说明

图1本发明预测方法流程图；

图2本发明的定性分析示意图；

图3本发明实施例的基坑与隧道剖面示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步详细说明。

以青岛某临近已建隧道的基坑工程为例，对本发明的影响预测方法做具体介绍。

工程介绍：基坑南北长约130m，宽约100m，开挖深度约为6m，基坑东侧约13m处为某隧道接线端区间公路隧道，隧道埋深约16m，隧道几何尺寸高9.65m，跨度15.926m。洞身以微风化花岗岩为主，整体较为完整，透水性较弱，设计采用了Ⅳ-Ⅱ型衬砌，上下台阶法开挖隧道，二次衬砌做法-C35防水钢筋混凝土S10厚400mm。场区地层由第四系和基岩组成，岩土层从上到下顺序如下：(1)素填土，厚度约为4m；(2)粉质粘土，厚度约为2m；(3)含粘性土粗砾砂，厚度约为1m；(4)粗粒花岗岩强风化带，厚度约为4m；(5)粗粒花岗岩中等风化带，厚度约为7m；(6)粗粒花岗岩微风化带。各层主要物理力学参数如表1所示:

表1岩土层各层主要物理学参数

根据图1所示的流程对上述基坑工程对已有隧道的影响进行预测定。

1、按照上述工程信息，绘出建筑基坑与临近既有运营隧道剖面图。

2、依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)，结合表1中地勘报告结果，按照规范要求，绘出各岩土层应力扩散线；绘制标准如表2所示：

表2应力扩散线的绘制标准

ES1/ES2	应力扩散角
		3	23
5	25
		10	30

E_S1-上层土压缩模量，单位MPa；E_S2-下层土压缩模量，单位MPa。

由基坑埋深及表2可以得到应力扩散角为30°，基坑与隧道空间位置关系如图3所示。

3、从图3中可以看出，岩土层应力扩散线与既有隧道相交，说明基坑施工对隧道有影响，需要进一步测定这种影响多大，采用Mindlin解在基坑开挖区域进行积分，获得基坑施工对隧道产生的附加应力和附加位移。

以基坑地表中心为原点建立直角坐标系，隧道横断面的宽度为D，隧道中心线与基坑中心线距离为L₁,隧道中心线与地面的距离为z₀，基坑的开挖深度为d，长度为L，宽度为B。

基坑开挖完成后，坑底的应力释放，计算时可等效为在坑底施加向上等值反向荷载。根据基坑初始应力分布的特征，坑底应力是土体的自重，可以把均布荷载分割成微小集中力，基坑开挖坑底卸荷引起的隧道附加应力可将其转化为土体中某一范围内均布荷载条件下Mindlin的积分，从而得到隧道结构纵向的竖向附加应力。为此，在均布荷载中一点(ξ,η)上的力pdξdη作用下引起隧道轴线上一点(x₁,L₁,z₀)竖向应力可用积分计算，则隧道结构纵向的竖向附加应力可表述为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_z=\frac{yd}{8\mathrm{\π}(1-v)}\{(1-2v)(z_0-d)\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_1^3}+3(z_0-d)\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_1^5}-(1-2v)(z_0-d)\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_2^3}\\ +\[3(3-4v)z_0{(z_0+d)}^2-3d(z_0+d)(5z_0-d)\]\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_2^5}+30{\mathrm{dz}}_0{(z_0+d)}^3\∫{\∫}_{\mathrm{\Γ}}\frac{d\mathrm{\ξ}d\mathrm{\η}}{T_2^7}\}\end{array}---\left(1\right)$

$T_1=\sqrt{{(x_1-\mathrm{\ξ})}^2+{(L_1-\mathrm{\η})}^2+{(z_0-d)}^2}$

其中： $T_2=\sqrt{{(x_1-\mathrm{\ξ})}^2+{(L_1-\mathrm{\η})}^2+{(z_0+d)}^2}---\left(2\right)$

式中：v为泊松比，Γ为基坑底部积分区域，y表示隧道在以基坑地表中心为原点建立的直角坐标系中的y坐标。

根据Winker弹性地基梁理论，采用一系列土弹簧来模拟土体与隧道结构之间的相互作用，建立隧道与土体相互作用的力学方程为：

$EI\frac{d^{4}w\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^4}+Kw\left(x\right)=q\left(x\right)---\left(3\right)$

式中：EI为隧道等效抗弯刚度，K是地基基床系数——k与隧道外径D的乘积，x表示在以隧道中心中心线为x坐标建立的直角坐标系中的x坐标，w(x)为隧道纵向水平或竖向位移，q(x)为基坑开挖引起作用在隧道上竖向分布荷载，由竖向附加应力式σ_z乘以隧道外径D得到。

4、图3中的荷载即为基坑开挖引起作用在隧道上竖向分布荷载q(x)，应用公式(1)(2)(3)，得到隧道竖向附加应力1.23Mpa，竖向位移6.4mm，竖向位移没有超过标准值(20-30mm)，应力没有超过C35混凝土承受能力2.2Mpa。

基坑开挖过程中，在隧道上方地表布置监测点，实际监测数据中，沉降最大值为2.5mm<6.4mm，因此本发明在建筑施工对临近已建隧道的影响预测中是有效的，而且有一定的安全储备。

Claims (4)

1.一种建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法，其特征在于，包括定性分析和定量分析，具体步骤如下：

(1)按照拟建建筑空间布局设计与既有隧道空间位置关系，绘出建筑基坑与临近既有运营隧道剖面图；

(2)依据《建筑地基基础设计规范》，结合地勘报告结果，按照规范要求，绘出各岩土层应力扩散线；

(3)如果岩土层应力扩散线与既有隧道没有相交，则建筑施工对临近既有运营隧道没有影响，认为空间布局可行；

(4)如果岩土层应力扩散线与既有隧道相交，则建筑施工对临近既有运营隧道有影响，需要进一步进行测定这种影响多大，采用Mindlin解在基坑开挖区域进行积分，获得建筑施工对邻近既有隧道产生的附加应力和附加位移；

(5)根据竖向位移和竖向附加应力的计算结果对施工进行指导：隧道拱顶沉降值控制标准为20-30mm，应力需按照具体工程设计标准来遵循，达到设计值的40％时，需要预警，达到50％以上需调整施工方案。

2.根据权利要求1所述的建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法，其特征在于，所述地勘报告结果包含地基土的物理力学参数，即压缩模量、压缩系数、地层平均厚度、地下水位深度、标准贯入数据、地基土承载力特征值。

3.根据权利要求1所述的建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法，其特征在于，所述应力扩散线根据压缩模量得到，上层土压缩模量与下层土压缩模量的比值为3、5、10时，对应的应力扩散角分别为23°、25°、30°。

4.根据权利要求1所述的建筑施工对邻近既有隧道的影响预测定方法，其特征在于，Mindlin解在基坑开挖区域进行积分的方法为：

以基坑地表中心为原点建立直角坐标系，隧道横断面的宽度为D，隧道中心线与基坑中心线距离为L₁,隧道中心线与地面的距离为z₀，基坑的开挖深度为d，长度为L，宽度为B；在均布荷载中一点(ξ,η)上的力pdξdη作用下引起隧道轴线上一点(x₁,L_1,z₀)竖向应力用积分计算，则隧道结构纵向的竖向附加应力表述为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&sigma;}}_z=\frac{yd}{8\mathrm{\&pi;}(1-v)}\{(1-2v)(z_0-d)\&Integral;{\&Integral;}_{\mathrm{\&Gamma;}}\frac{d\mathrm{\&xi;}d\mathrm{\&eta;}}{T_1^3}+3(z_0-d)\&Integral;{\&Integral;}_{\mathrm{\&Gamma;}}\frac{d\mathrm{\&xi;}d\mathrm{\&eta;}}{T_1^5}-(1-2v)(z_0-d)\&Integral;{\&Integral;}_{\mathrm{\&Gamma;}}\frac{d\mathrm{\&xi;}d\mathrm{\&eta;}}{T_2^3}\\ +\&lsqb;3(3-4v)z_0{(z_0+d)}^2-3d(z_0+d)(5z_0-d)\&Integral;{\&Integral;}_{\mathrm{\&Gamma;}}\frac{d\mathrm{\&xi;}d\mathrm{\&eta;}}{T_1^5}+30{\mathrm{dz}}_0{(z_0-d)}^3\&Integral;{\&Integral;}_{\mathrm{\&Gamma;}}\frac{d\mathrm{\&xi;}d\mathrm{\&eta;}}{T_2^7}\}\end{array}---\left(1\right)$

其中： $\begin{array}{c}{T}_1=\sqrt{{(x_1-\mathrm{\&xi;})}^2+{(L_1-\mathrm{\&eta;})}^2+{(z_0-d)}^2}\\ T_2=\sqrt{{(x_1-\mathrm{\&xi;})}^2+{(L_1-\mathrm{\&eta;})}^2+{(z_0+d)}^2}\end{array}---\left(2\right)$

式中：v为泊松比，Γ为基坑底部积分区域，y表示隧道在以基坑地表中心为原点建立的直角坐标系中的y坐标；

根据Winker弹性地基梁理论，采用一系列土弹簧来模拟土体与隧道结构之间的相互作用，建立隧道与土体相互作用的力学方程为：

$EI\frac{d^{4}w\left(x\right)}{{\mathrm{dx}}^4}+Kw\left(x\right)=q\left(x\right)---\left(3\right)$

式中：EI为隧道等效抗弯刚度，K是地基基床系数——k与隧道外径D的乘积，x表示在以隧道中心中心线为x坐标建立的直角坐标系中的x坐标，w(x)为隧道纵向水平或竖向位移，q(x)为基坑开挖引起作用在隧道上竖向分布荷载，由竖向附加应力式σ_z乘以隧道外径D得到。