一种盾构隧道施工引起地表建筑物沉降的预测方法与流程

本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种盾构隧道施工引起地表建筑物沉降的预测方法。

背景技术：

随着我国经济建设的高速发展，城市现代化进程加快，许多城市都面临着日益严重的交通问题。由于地下铁道具有安全、正点、舒适、大容量、快捷、低成本等优点，据统计截至到2017年12月34日，我国北京、上海、天津、重庆、成都、广州、深圳等已建成长达5021.69千米的地下铁道。由于城市地铁多采用浅埋的地下线路，在施工过程往往下穿或侧穿地上建筑物，而盾构隧道的施工会引起地层位移的地面沉降导致地表建筑物的沉降、变形、开裂、损坏等问题，这也是隧道建设者最为关心的工程问题。因此在盾构隧道施工之间有必要对地表建筑物的沉降进行预测。

目前的建筑物损坏风险评价体系之中，一般都是应用peck公式得到天然地表的沉降槽曲线，然后假定建筑物产生了与地面相同的沉降，从而得到建筑物的沉降值，然后用此来评估建筑物损坏的风险等级，完全忽略了建筑物刚度的作用，所得到的沉降值往往偏大。采用peck公式来预测建筑物的沉降值在评价建筑物损坏的风险，是偏于安全的一种做法，但多数时候这种做法明显过于保守，因此会引起不必要的浪费。诚然，如果通过编制较高精度的有限元程序进行数值模拟可对建筑物沉降进行计算，但显然这一计算过程比较复杂，不便于推广和应用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种盾构隧道施工引起地表建筑物沉降的预测方法，根据现有的国内外建筑物沉降的观测数据，考虑了复杂建筑物与地基、隧道相互作用对建筑物沉降的影响，为工程提供一种简便实用的计算方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种盾构隧道施工引起地表建筑物沉降的预测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定建筑物横截面的剪切刚度。对于多层建筑物来说，隧道施工时建筑物的挠曲变形主要是由建筑物的竖向剪切刚度引起的，而非弯曲变形。计算表达式为：

其中，m为结构的截面剪切刚度，单位为n；gi为截面上第i个结构构件材料的剪切模量，单位为pa，e一般可根据表选取，钢筋混凝土材料泊松比取0.20(混凝土0.15～0.20，钢筋0.30)；ai为截面上第i个结构构件截面面积，单位为m²；为截面上第i个结构构件的刚度折减系数，主要是考虑实际的建筑物各种开洞的影响，通过折减系数来表示，根据图2取值；n为截面上构件总数。

步骤2：计算修正刚度系数η^m。刚度修正系数的定义为其中，k^m为在结构刚度影响下沉降槽宽度系数；k为天然地面的沉降槽宽度系数。本发明根据实测数据点的分布特点，采用幂函数拟合剪切刚度m与修正刚度之间的关系曲线，得到η^m＝0.70m^0.20。

步骤3：计算地层损失修正系数vls。通过对天然地面的值与隧道夹角的修正得到vl为天然地层的地层损失率，通过现场试验或经验获得；为考虑隧道和建筑物夹角的地层损失率修正系数，α表示隧道轴线与建筑物轴线之间的夹角，如果隧道轴线与建筑物轴线成正交关系，则α＝0。

步骤4：计算建筑物的沉降槽宽度系数ks。通过天然地表的取值，考虑隧道与建筑物之间的夹角、基础埋深以及建筑物刚度的影响而得到。其中k为天然地层的沉降槽宽度系数，k^m＝0＝1-0.02φ，也可根据图4方法选取；为考虑隧道轴线和建筑物轴线夹角的影响的修正系数，本发明建议取为1；η^d：考虑建筑物基础埋深的修正系数，z0表示隧道的埋深，z表示基础的埋深；η^m为考虑建筑物结构刚度的修正系数，η^m＝0.70m^0.2其拟合过程如图3所示。

步骤5、计算建筑物的沉降槽曲线。采用高斯曲线来描述沉降槽曲线，即：

，沉降槽曲线可用matlab、excel、origin等绘图软件实现，本发明采用origin制图。

步骤6：评估建筑物的安全性。建筑物沉降过大会影响建筑物的安全，我国规定沉隆基准为“+10mm～-30mm”以确保建筑物的安全，将本发明所计算出来的结果与沉降基准相比可判断建筑物的安全性。

本发明的有益效果是：

本发明所述的一种盾构隧道施工引起地表建筑物沉降的预测方法，综合考虑了隧道轴线与建筑物夹角的影响、隧道与建筑物偏心的影响、基础埋深的影响、地层损失率、地表建筑物刚度等因素对地层位移的影响，较准确修正出地表沉降槽的数据，此预测方法简便实用，避免了直接采用peck公式对建筑物沉降进行计算导致沉降过大的不足。

附图说明

图1是本发明实施例中传统peck公式预测值、本发明预测值与现场实测数据的对比图；

图2是本发明中建筑材料弹性模量取值；

图3是本发明中考虑结构开洞影响的刚度折减系数；

图4是本发明中截面剪切刚度与刚度修正系数之间的拟合曲线；

图5是本发明中土的摩擦角和沉降槽宽度系数k的关系；

图6是本发明实施例中开挖隧道与地表建筑物之间位置关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例

xx城市地铁x号线是从中医院站到人民医院站，本区间采用盾构法施工，隧道直径为8.6m，隧道埋深约为z0＝12m。开挖隧道与地表建筑物之间位置关系见图6所示。区间隧道地基持力层主要为砂卵石，由于目前右线下穿人民医院，而左线还未施工，至此，实测数据只显示右线盾构隧道施工造成的建筑物沉降。根据地勘资料，土体内摩擦角的加权平均值计算得k＝0.24；基础埋深为3m，而隧道中心线至地表的距离为18m，应用发明公式计算得η^d＝1.07，不考虑隧道夹角的影响，取；建筑物为3层砖混结构，按照三层计算其截面剪切刚度，考虑其内外墙体、楼板、基础，计算得到的截面剪切刚度m＝13×10⁹n，刚度修正系数η^m＝1.17，将上诉数值代入公式得到ks＝0.3，最后采用origin绘图软件绘制沉降槽曲线图，为了更形象地说明本发明的优点，本发明将实施例中传统peck公式预测值、本发明预测值与现场实测数据进行对比，对比图详见图1。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。