地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物稳定性分析.pdf
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1、第3 7 卷第6 期2023年11月文章编号:16 7 1-3 559(2 0 2 3)0 6-0 7 11-0 9济南大学学报(自然科学版)Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.6Nov.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230807.001地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物稳定性分析王立新2,王强3 4,施王帅胤4,窦磊明*,江腾飞4,汪珂2,邱军领*,杨桃5.6(1中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安7 10 0 43;2.西安理工大学土木建筑工程学院,陕西西安7 10 0 4
2、8;3.内蒙古自治区地震局,内蒙古呼和浩特0 10 0 10;4.长安大学公路学院,陕西西安7 10 0 6 4;5.四川都金山地轨道交通有限责任公司,四川成都6 118 3 0;6.四川蜀道新制式轨道集团有限责任公司,四川成都6 10 0 2 3)摘要:为了考察饱和黄土地层暗挖地铁隧道下穿玻璃幕墙建筑物时建筑物及玻璃幕墙的稳定性特征,利用有限元软件MIDASGTSNX对西安某地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物进行数值模拟分析,并对比采取注浆加固与未采取注浆加固工况时有限元分析结果与现场实测数据。结果表明:周围土体的沉降主要集中在隧道附近,在地表形成沉降槽;玻璃幕墙的沉降主要在开挖过程中形成,约占
3、总体沉降的9 5%;未采取注浆加固时地表及建筑物的最大沉降达到7 9.7 4mm,而采取注浆加固后最大整体沉降为13.7 5mm,通过全断面注浆和合理的施工工序可以使沉降有效减少8 2.7 6%;选取的测点实测平均沉降为13.57 mm,有限元分析中对应测点的平均沉降为10.9 4mm,二者误差为2.6 3 mm,数值模拟与实际工况基本吻合。关键词:隧道工程;有限元分析;数值模拟;玻璃幕墙;注浆加固中图分类号:U121;U 45文献标志码:AStability Analysis on Subway Tunnel Concealed ExcavationThrough Glass Curtain
4、 Wall BuildingsWANG Lixin-2,WANG Qiang,SHI-WANG Shuaiyin,OU Leiming,JIANG Tenget,WANG Kel2,QIU Junling,YAN Tao.(1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi an 710043,Shanxi,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Xi an University of Technology,Xi an 710048,Shaanx
5、i,China;3.Earthquake Agency of Inner Mongolia Autonomous Region,Hohhot 010010,Inner Mongolia,China;4.School of Highway,Chang an University,Xian 710064,Shaanxi,China;5.Sichuan Dujin Mountain Rail Transit Co.,Ltd.,Chengdu 611830,Sichuan,China;6.Sichuan Shudao New System Rail Group Co.,Ld.,Chengdu 6100
6、23,Sichuan,China)Abstract:To investigate stability characteristics of buildings and glass curtain walls when a subway tunnel in saturatedloess strata concealed excavation through glass curtain wall buildings,numerical simulation analyses were carried out on asubway tunnel concealed excavation throug
7、h glass curtain wall buildings in Xian city by using finite element softwareMIDAS GTS NX.Finite element analysis results and field measured data at grouting reinforcement and non-grouting rein-forcement working conditions were compared.The results show that the settlement of surrounding soil mass is
8、 mainly con-centrated near the tunnel,forming a settlement trough on the surface.The settlement of glass curtain walls is mainlyformed during the excavation process,accounting for about 95%of the overall setlement.The maximum setlement of开放科学识别码(OSID码):告效收稿日期:2 0 2 2-0 5-18基金项目:国家自然科学基金项目(52 0 7 8 4
9、2 1);陕西省高层次人才特殊支持计划青年拔尖人才项目(陕组通字2 0 18 3 3 号);中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目(院科19-7 5-0 1)第一作者简介:王立新(19 8 3 一),男,吉林德惠人。教授级高级工程师、教授,博士,博士生导师,研究方向为隧道与地下工程。E-mail:。通信作者简介:邱军领(19 8 9 一),男,山东潍坊人。讲师,博士,硕士生导师,研究方向为隧道工程。E-mail:j u n l i n g q i u c h d.e d u.c n。网络首发地址:https:/ 0 2 3-0 8-0 7 T18:3 7:18712surface and bu
10、ildings reaches 79.74 mm without taking grouting reinforcement,while the maximum overall settlementafter taking grouting reinforcement is 13.75 mm,and 82.76%of the settlement can be effectively reduced through fullsection grouting and reasonable construction procedures.The measured average settlemen
11、t at selected measurement pointsis 13.57 mm and the average settlement at corresponding measurement points in finite element analysis is 10.94 mm,with an error of 2.63 mm.The numerical simulation is basically consistent with the actual working conditions.Keywords:tunnel engineering;finite element an
12、alysis;numerical simulation;glass curtain wall;grouting reinforcement随着西安地铁线路越来越密集,地铁修建过程中的问题不断暴露出来1-4。西安地区主要为黄土地质,低强度和遇水不稳定性使得西安地铁在下穿既有建筑物时更容易对周围土体产生扰动,土体失稳破坏导致错位沉降,危及上部建筑物结构的稳定性5-6 。在施工过程中采取合理的加固措施和适当的施工工序,对确保地铁隧道掘进下穿建筑物结构的稳定性和安全性具有重要的意义7-10 分析隧道等地下工程的掘进对既有建筑物影响的方法大体分为2 种,即经典的建筑物一土体结构分部法和现在新兴的全面分析
13、法。黄生文等1结合实际工程,通过数值模拟分析了不同工况条件下隧道开挖对上部建筑物结构受力分布形态的影响;朱根桥等12 利用有限元软件模拟了隧道改建对邻近建筑物的影响,并将结果与现场监测数据进行对比,推算隧道开挖对邻近建筑物的影响半径;黄茂松等13 基于Peck沉降公式,采取上下结构分部理论,利用有限元软件模拟分析了浅埋隧道暗挖造成土体沉降对建筑物桩基础的影响;唐新权14 采用数值模拟方法对新建隧道下穿机场地下通道进行沉降分析,给出了控制沉降的关键施工步序;冯立等15 以黄土垂直节理为研究对象,总结了黄土垂直节理在横、纵方向的发育规律,探讨了垂直节理的垂向发育机制;陈敬军16 采用地面位移模型,
14、根据开挖过程中建筑物结构的沉降结果分析地下工程开挖过程中上部建筑物的安全性。地铁隧道下穿施工会导致地表产生不同形式的变形,使建筑物产生下沉、倾斜、拉伸或压缩破坏。地表沉降对玻璃幕墙的扣件固定装置和支撑体系也产生很大的影响。螺栓、预埋件、连接件松动或型材变形都可能造成玻璃幕墙脱落破坏,危害极大。关于盾构隧道下穿玻璃幕墙建筑的现有研究较少。本文中依托西安地铁3 号线通化门一长乐公园区间段工程,利用有限元软件MIDASGTSNX对地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物进行数值模拟分析,对比采取注浆加固与未采取注浆加固工况,分析开挖过程中玻璃幕墙的安全性及现场测试结果。济南大学学报(自然科学版)1工程概况西安
15、地铁3 号线通化门一长乐公园区间段土质主要为黄土,施工场区地裂缝发育良好,上下盘错动量较大,超过了常规盾构管片承受极限,显著的环间错动会造成地裂缝跨越段的管片开裂破坏,此外场区地裂缝活动性较强,盾构斜穿地裂缝的过程中易对管片形成偏压,因此场区改用浅埋暗挖法双向掘进施工。由于金花北路有高架桥,因此为了避开高架桥,地铁线路整体位置偏西,左线地铁隧道下穿玻璃幕墙建筑物。该建筑物主要承重结构为框架剪力墙,外墙立面为玻璃幕墙,厚度仅为0.6 mm。建筑物下部为条形基础,地基采用水泥-灰土挤密桩满排布置,长度为6 m,桩径为0.4 m,东西向桩间距为0.5m,南北向桩间距为0.8 6 m。地铁隧道与玻璃幕
16、墙建筑物的相对位置关系如图1所示。通化门站某玻璃幕墙建筑暗挖段地铁3 号线长乐公园站(a)平面位置关系40m玻璃幕墙建筑物=人工填土层地下新黄土层水位线饱和新黄土层古土壤层暗挖段7.0m(b)面位置关系图1西西安地铁3 号线隧道与玻璃幕墙建筑物的相对位置关系第3 7 卷长乐中路盾构段金花北路北软岩层第6 期根据现场地质勘察结果,区间土层由下而上依次为软岩、古土壤、饱和新黄土、新黄土及人工填土层。地铁隧道埋深约为11m,拱顶与饱和新黄土层距离约为1m,地铁隧道底板位于软岩层。饱和新黄土层在地下水位以下,液性指数为0.9 5,远大于黄土的液限,处于流动状态,因此该富水层自稳能力极差,开挖易受扰动,
17、难以在拱顶区域形成有效应力区,极易发生失稳破坏,危及上部建筑物外墙结构。双线暗挖地铁隧道均为马蹄形截面,截面高度、宽度分别为6.8、7 m,双洞相距10 m。由于隧表1西安地铁3 号线隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物区间段土体参数土体种类厚度/m重度/(kN/m)素填土1.2新黄土7.6饱和新黄土1.1古土壤4.2软岩18.02有限元模型建立2.1基基本假定三维模型由土体及建筑物结构2 个部分组成,土体结构目前较多采用莫尔-库仑本构模型16 ,原因是土体参数相对较少且容易获取,通过设置合适的土体参数能够准确模拟黄土地层中地铁隧道的开挖过程。上部建筑物的桩基础、主体结构、玻璃幕墙部分和下部地铁隧道的衬
18、砌结构、超前大管棚、锚杆、注浆加固部分的强度和刚度均较大,应力状态较简单,满足连续性、均匀性及各向同性的假定,材料的应力-应变关系呈线性,因此采用线弹性本构模型进行计算,该模型的应力-应变关系与实际情况基本吻合。在本工程中,为了体现黄土的固有特性,根据已有研究17 ,选用修正莫尔-库仑本构模型进行黄土地层数值模拟更贴近实际条件,弹性模量、应力水平相关幂指数、侧压力系数等参数可按照以往案例和经验进行修正。黄土的湿陷性可通过设置2 种土体参数并在施工阶段中修改材料属性,模拟黄土湿陷前、后的不同状态。在模拟地铁隧道开挖时,通过设置荷载释放系数模拟土体累积弹性能的释放,以避免开挖产生的不平衡内力一次性
19、加载到开挖阶段。依据同地区工程经验,按照总围岩压力的50%、3 0%、2 0%,本工王立新,等:地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物稳定性分析土体参数如表1所示。弹性模量/MPa内摩擦角/()16.56.019.36.519.85.519.87.020.38.2程中将围岩压力加载到不同施工阶段,分次逐步降低施加比例,最终完全释放。2.2模型属性及材料参数玻璃幕墙建筑物适当简化为五跨建筑,钢架设置为植入式梁单元。采用二维板单元模拟玻璃外墙、地铁隧道的喷射混凝土层及二次衬砌。采用三维实体网格对地铁隧道的仰拱结构及超前大管棚进行建模。采用一维圆形梁单元模拟玻璃幕墙建筑物地基中的水泥-灰土桩。地铁隧道初支和
20、二次衬砌结构所采用的混凝土强度等级为 C35,钢化玻璃参数设定以参考相似工程经验为主,模型结构静力荷载只考虑自重应力的影响。边界条件考虑各成层土间的相互作用、土层对桩身的作用及建筑物主体结构与玻璃幕墙的相互作用。2.3模型建立采用有限元软件MIDASGTSNX,根据现有地质勘查和工程资料,建立地铁隧道及玻璃幕墙建筑的三维数值模型,模拟浅埋地铁隧道暗挖施工过程中引起的地表沉降对上部建筑物玻璃幕墙的影响。左线隧洞下穿金花饭店一期工程,该建筑为7 层建筑,长度、宽度、高度分别为40、3 5、2 1m,玻璃幕墙厚度为6 mm,建筑物地基中的水泥-灰土桩长度为6m,穿过厚度分别为1.2、7.6 m的素填
21、土层和新黄土层。饱和新黄土层的厚度为1.1m,地铁隧道主要713道左线下穿玻璃幕墙建筑物,因此采用上下台阶法开挖时,为了确保施工安全,减少对上部建筑物的影响,开挖前对掌子面使用直径为10 8 mm的钢管大管棚进行超前加固,并搭配小导管进行注浆;对整个施工面采用无收缩双液(WSS)全断面注浆,浆液选用水泥-水玻璃混合浆液,每隔10 m循环注浆,搭接处预留2 m施作止水盘,混凝土喷射厚度约为3.5mm。初支采用喷锚支护,以减小围岩及地表变形。地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物区间段10.017.017.517.517.5泊松比0.370.330.330.320.32714位于厚度分别为4.2、18 m
22、的古土壤层和软岩层。根据圣维南原理,需要充分考虑基坑施工对基坑周边的影响。为了消除边界效应影响,扰动范围取大于开挖洞径的3 5倍,在结合建筑物尺寸的基础上,最终确定整个模型的长度、宽度、高度分别为9 0、6 0、53.1m。地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物有限元模型如图2 所示。济南大学学报(自然科学版)第3 7 卷(a)超前大管棚(b)上台阶开挖及初期支护(c)下台阶开挖及初期支护90.0m图3 地铁隧道施工开挖步骤模拟60.0m列图2 地铁隧道暗挖下穿玻璃幕墙建筑物有限元模型2.4模拟施工阶段划分整个开挖阶段由超前加固、上下台阶开挖、锚喷支护及注浆加固4个步骤组成。采用三维实体单元和一维梁单
23、元分别模拟超前大管棚和锚杆,数值模拟过程中通过钝化、激活不同参数土体单元模拟全断面注浆加固。具体的施工步骤如下:首先确定开挖土层的初始应力状态,清零土体的初始沉降,第4n+1(n 为开挖阶段步骤循环次数,n=0,1,5;施工阶段共有50 个步骤)步施作长度为10 m的全断面注浆加固及超前大管棚,第4n+2步激活上台阶土体开挖并立刻封闭围岩进行锚喷支护,第4n+3步激活下台阶开挖并喷射混凝土,第4n+4步在开挖完成后钝化初支结构,激活二次衬砌结构。地铁隧道施工开挖步骤模拟如图3 所示。3计算结果分析3.1建筑物桩基础稳定性考虑到地铁隧道下穿开挖对桩基础的作用机制十分复杂,从开挖后建筑物桩基础位移
24、及相应的内力变化2 个角度,分析地铁隧道下穿施工对建筑物桩基础安全性的影响。地铁隧道开挖后,典型部位6 排6 列桩的桩身竖向位移、水平位移云图如图4所示。由图4(a)可知,地铁隧道暗挖施工使建筑物的桩基础产生明显的沉降。竖向位移最大的桩位于左线地铁隧道上方地表沉降最明显处,桩身最大、最小竖向位移分别为10.48、1.3 7 mm,二者(d)锚喷及二次衬砌施作竖向位移/m+1.048 54e-002+9.72613e-003+8.96683e-003+8.20753e-003+7.44824e-003+6.68894e-003+5.92964e-003+5.17034e-003+4.41104e
25、-003排+3.65174e-003+2.89244e-003+2.13314e-003+1.37384e-003第3 列桩(a)竖向位移列排第3 列桩(b)水平位移,一典型部位桩的排、列序号。图4地铁隧道开挖后桩身竖向位移、水平位移云图差异达到9.11 mm。对于第3 列桩,随着桩基础与地铁隧道中轴线距离的增大,桩身竖向位移显著减小。由图4(b)可知,桩基础水平方向受影响最剧烈的区域分布在南、北两侧,中间部分的桩水平位移仅为0.7 9 mm,桩基础整体的水平位移量并不显著,最大水平位移为2.56 mm。水平位移/m+2.56133e-003+2.41404e-003+2.26675e-003
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