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原文传递地铁施工变形对邻近建筑物安全影响分析

论文题名：	地铁施工变形对邻近建筑物安全影响分析
关键词：	地铁施工;邻近建筑物;差异沉降;安全性评价;变形控制指标
摘要：	近年来，城市轨道交通建设飞速发展。已有36个城市规划建设城市轨道交通，预计2020年，我国城市轨道交通累计营业里程将达到7400公里。在城市轨道交通的建设中不可避免的穿越大量邻近既有建（构）筑物风险源工程。如何有效地确保环境风险源（近距离侧穿或下穿的市政道路、桥梁、民用建构筑物、铁路、地铁及河湖等一些敏感性建筑物）的安全，保证地铁车站与区间隧道工程在施工过程中不发生重大安全事故，成为轨道交通发展过程中需要迫切解决的问题。　　论文结合地铁下穿或临近既有建筑物工程案例，选择三种典型既有结构:框架结构、钢塔结构以及砌体结构，结合结构特点分析了地铁施工引起的地层差异沉降对既有建筑物的变形和受力影响及其抵抗差异变形的能力。通过理论分析及现场实测验证，得到以下主要研究成果: 　　(1)给出了地铁隧道施工扰动对邻近建筑物影响及安全评价研究方法，即结合隧道施工地层变形规律，根据其影响范围及既有建筑物基础可能产生的差异沉降进行结构受力和安全性分析，确定地铁邻近建筑物不发生结构损伤或破坏的变形控制指标，通过实际工程案例分析及现场监测，进行了验证和完善。　　(2)研究表明，隧道施工影响半径不仅与隧道埋深有关，同时与拱顶沉降控制水平有关，拱顶沉降越大，施工影响范围越大，并趋向定值，表明过大的拱顶沉降导致地层破坏，此时影响半径达到极值。给出了粉土和粉砂土复合地层隧道施工影响半径与拱顶沉降及埋深之间的函数关系以及地表沉降与拱顶沉降及埋深的函数关系，指出随地表沉降量增大，地表平均沉降斜率增大，且隧道埋深越浅，沉降斜率越大。地表沉降斜率与地表最大沉降量的关系，可用幂指数关系表示。　　(3)框架结构基础不均匀沉降，导致沉降较大的柱所承受的上部荷载减小甚至出现拉力状况，相邻柱承受的轴压力和弯矩增大。框架柱之间差异沉降越大，则连接两柱的横梁所产生的弯矩也越大。根据实际工程分析表明，对于建造年代早的建筑物，由于当时设计要求低，配筋较少，所能抵抗的差异沉降变形能力极差，如本文所选框架结构，单柱沉降下沉2mm、纵向差异沉降率0.32mm/m、横向差异沉降率0.37mm/m，框架结构中仍然存在由于差异沉降所引起的承载力不足问题。在隧道施工具体实施中，通过粘钢法加固了受影响较大的梁，保证了施工安全通过。因此，不能简单地应用常规经验2‰倾斜率作为判断结构可允许的沉降差，具体问题还需具体分析。　　(4)由于风荷载是高耸钢塔结构的主要荷载，在地铁施工中保证钢塔结构各独立基础共处一个平面内条件下（即结构的整体倾斜），则钢结构塔内力受差异沉降影响不大。对所选72m高钢塔结构，即使基础存在60mm的差异沉降（斜率4.8‰)，钢塔构件最大应力为139.41MPa，也能满足强度安全要求。但是，施工过程中由于实施注浆抬升，穿越工程完成后，4个塔基础不再处于同一个平面内，塔基础最大沉降尽管只有24.09mm，东西最大差异沉降10.26mm（斜率0.82‰），南北最大差异沉降16.87mm（斜率1.35‰），由于塔基处于不同平面的空间状态，导致塔结构受力处于拉（压）、弯和扭共存状态，增大了结构构件的内力，钢构件最大正应力增大到173.6MPa。为此，建议地铁穿越类似高耸钢结构塔时尽可能保持塔基沉降处在同一个平面内（该平面倾斜率可达4.8‰），如各塔基的沉降处于空间位置变异状态，则要求塔基最大沉降小于24mm，最大差异沉降斜率小于0.82‰。　　(5)结合地铁车站施工临近六层砌体居民楼房实际工程案例研究发现，地铁施工引起的差异沉降易造成沉降较大一侧外部墙体及其邻近墙体产生受拉裂缝。差异沉降较小情况下，如沉降差10mm（地表倾斜率0.57mm/m）时，拉应力出现在楼房结构的首层沉降的墙体上，与首层紧连基础部分的局部墙体可能会产生细微裂纹，不影响结构的安全使用。随着沉降差异的增大，则会在二层甚至更高层墙体出现过大的拉应力。如差异沉降为41mm（地表倾斜率2.34mm/m）时，在一层和二层墙体上大面积出现拉应力超限情况，将导致沉降过大一侧墙体上出现水平向裂缝，与之垂直的邻近墙体则产生竖向拉伸裂缝。随着差异沉降的增大，砌体结构的最大压应力亦随之增大，当沉降差达到41mm（地表倾斜率2.34mm/m）时砌体结构承受的压应力达到了砌体抗压强度1.89MPa。因此，对所选砌体结构案例，从结构整体安全上考虑，能承受的最大沉降差为41mm，即地表斜率为2.34mm/m，在此差异沉降下，砌体结构墙体上会出现较多裂缝并影响结构整体安全。理论分析计算及现场实测证明，砌体结构差异沉降值小于10mm(地表倾斜率0.57mm/m)，楼房结构墙体不会新增较大裂缝，结构是安全的。
作者：	秦东平
专业：	地下工程
导师：	何平
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文