盾构隧道下穿引起砌体结构建筑沉降损伤实例研究

陈仁朋; 曾巍; 吴怀娜; 吴文斌; 刘齐建

doi:10.11779/CJGE202012017

盾构隧道下穿引起砌体结构建筑沉降损伤实例研究 English Version

陈仁朋^{1, 2,},
曾巍^{1, 2},
吴怀娜^{1, 2},
吴文斌³,
刘齐建^{1, 2}

1.
建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南　长沙　410082
2.
湖南大学土木工程学院,湖南　长沙　410082
3.
广西交通设计集团有限公司,广西　南宁530029

基金项目:

国家自然科学基金重点项目 51938005

湖南省创新平台与人才计划-湖湘高层次人才聚集工程创新团队 2019RS1030

国家自然科学基金青年基金项目 41807512

湖南省自然科学基金优秀青年基金项目 2019JJ30006

详细信息

作者简介:
陈仁朋(1972—),男,教授,主要从事土的基本特性、城市地下空间开发、交通岩土工程的教学和科研工作。E-mail：chenrp@hnu.edu.cn

中图分类号: TU43
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出版历程
- 收稿日期: 2020-02-06
- 网络出版日期: 2022-12-05
- 刊出日期: 2020-11-30

Case study of tunneling-induced settlement and damage of masonry buildings

CHEN Ren-peng^{1, 2,},
ZENG Wei^{1, 2},
WU Huai-na^{1, 2},
WU Wen-bin³,
LIU Qi-jian^{1, 2}

1.
Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency,Ministry of Education, Changsha 410082, China
2.
College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082
3.
Guangxi Communications Design Group Co., Ltd., Nanning 530029, China

摘要

摘要: 盾构掘进引起地层变形过大极易导致上方沉降敏感结构物变形开裂。对某地铁盾构隧道正交下穿砌体结构建筑物进行研究。通过对建筑物沉降进行系统监测和对建筑物进行全面巡查,获得了双线盾构隧道施工过程引起建筑物沉降及裂缝开展状况。通过三维有限元模型研究了建筑物-地层变形相互作用规律,对比分析了墙体主拉应变云图与实测裂缝分布规律,发现当隧道下穿引起的主拉应变超过0.05%的墙体区域会产生裂缝,且墙体裂缝的发展角度与该处的主拉应变方向垂直。最后根据墙体最大主拉应变讨论了建筑物损伤程度和损伤等级。盾构掘进引起上方砌体建筑物损伤案例,对地铁施工过程中砌体建筑保护具有一定的指导作用和参考价值。
- 盾构隧道 /
- 砌体结构 /
- 损伤评估 /
- 有限元模型
Abstract: The excessive deformation caused by shield tunneling can easily lead to deformation and cracking of the above sensitive structures. A masonry building orthogonally under-passed by metro shield tunnels is studied. Through systematic settlement monitoring and comprehensive inspection of the building, the tunneling-induced settlements and crack development of the building are obtained. A finite element model is established to study the interaction of the building and the soils. By comparing the principal tensile strain and the measured crack distribution of the wall, it is found that when the principal tensile strain exceeds 0.05%, cracks will occur in the wall area and the development angle of the wall crack is perpendicular to the direction of the principal tensile strain there. Finally, the damage degree and level of the building are discussed according to the maximum principal tensile strain of the wall. The case study of masonry building damage caused by shield tunneling is of certain guiding and reference values for protection of masonry buildings during subway construction.
- shield tunnel /
- masonry building /
- damage assessment /
- finite element model

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0. 引言

地下空间工程建设中，承压水控制不当可能会引起突涌、渗漏等一系列工程问题，带来不同程度的生命财产损失。因此，准确获取承压水位对于深基坑、隧道等地下空间工程的设计施工具有重要指导意义。现阶段，承压水位测量一般通过观测井水位得出。然而，钻孔成井施工成本较高，且地层存在多个承压含水层时，观测井施工需分层止水，若分层止水效果差，会影响水位观测结果的准确性。

孔压静力触探(piezocone penetration test，CPTU)是一种多功能现代原位测试技术。CPTU测试可提供连续的原位土层参数，与室内试验相比，原位土体参数具有更高的可靠性。经过数十年的发展，目前，通过CPTU测试进行土体分类^[1]、土体参数评价^[2]、砂土液化评价^[3]、桩基承载力设计^[4-5]、基坑设计^[6]等相关工程应用的技术已经逐渐成熟。CPTU测试可在测量锥尖阻力q_c和侧壁摩阻力f_s的同时获取孔隙水压力，理论上可用来计算承压水位，同时，CPTU测试具有操作便捷、快速、施工成本低等优点。因此，工程中通过CPTU测试获取承压水位，可能具有较好的推广价值。然而，目前利用CPTU测试进行的相关研究较少。陈伟宏^[7]采用静力触探护管法进行承压水位观测，但原理与观测井法类似，且观测时间较长。Elsworth等^[8]利用CPTU测试研究了粉砂层中孔隙水压力的消散规律，发现在剪胀性较高的土中，孔隙水压力会逐渐升高并趋于稳定值，其研究虽未涉及承压水位测试，但其结论指出了可行性。因此，利用CPTU测试获取承压水位的有效性有待进一步的工程验证。

基于此，本文总结了江阴靖江过江隧道和海太过江通道工程中的CPTU测试资料，提出了一种基于CPTU的承压水位测试方法，可在获取CPTU原位测试参数的同时，通过测量的孔隙水压力计算承压水位。另外，本文将各场地CPTU测试获取的承压水位与观测井水位进行了对比，从而验证了该方法的有效性。

1. 场地与试验方法

1.1 场地描述

江阴靖江长江隧道工程位于江阴大桥与泰州大桥之间。场地土层自上而下依次为①₁杂填土、①₂素填土、②₁粉质黏土、②₂淤泥质粉质黏土、②_2-1粉质黏土夹粉土、②₃粉砂、②₄粉细砂、③₁粉质黏土、③_2-1粉质黏土、③₂粉土、③₃粉砂、③_3-1粉质黏土、③₄粉细砂、③_4-2中砂、④₂粉质黏土、④₃粉质黏土、④₄粉细砂等。场地共3层承压含水层，分别记为AqI、AqII、AqIII。其中，AqI赋存于②₃粉砂和②₄粉细砂层中，AqII赋存于③₂粉土至③_4-2砂层中，AqIII赋存于④₄粉细砂及下部深厚砂层中。AqI、AqII、AqIII承压水位高程分别为1.18，0.72，0.67 m，地表高程为3.50 m。海太过江通道工程位于苏通大桥下游约8 km处。场地土层自上而下依次为①₁杂填土、①₂素填土、②₁粉质黏土、③₅粉土夹粉砂、④₁淤泥质粉质黏土夹粉土、④_2-1粉砂、④₂粉质黏土夹粉土、④_3-1粉砂、④₃粉土夹淤泥质粉质黏土、⑤₂粉砂等。场地共1层承压含水层，赋存于④_3-1粉砂层及下部深厚砂层中，水位高程为-9.64 m，地表高程为2.79 m。表 1总结了各场地土层的物理力学参数。

表 1 试验场地土体主要物理力学参数

Table 1. Parameters of soil layers in different test sites

场地	层序	名称	γ/(kN·m^-3)	E_s/MPa	e	c/kPa	φ/(°)	K/(m·d^-1)
江阴靖江长江隧道工程	②₁	粉质黏土	19.3	5.06	0.81	22.2	14.8	0.0023
	②₂	淤泥质粉质黏土	18.1	3.59	1.08	10.5	16.5	0.0020
	②_2-1	粉质黏土夹粉土	18.8	5.02	0.91	10.2	18.2	0.0027
	②₃	粉砂	19.4	10.55	0.76	3.0	31.2	0.59
	②₄	粉细砂	19.6	11.03	0.74	3.4	32.3	0.56
	③₁	粉质黏土	19.9	6.60	0.72	30.7	22.4	0.0011
	③_2-1	粉质黏土	19.3	5.38	0.82	18.1	21.3	0.012
	③₂	粉土	19.3	8.38	0.81	6.4	29.1	0.28
	③₃	粉砂	19.8	10.77	0.70	3.2	32.7	0.48
	③_3-1	粉质黏土	19.2	5.92	0.83	16.0	15.2	0.053
	③₄	粉细砂	20.2	11.64	0.63	3.2	33.1	1.55
	③_4-2	中砂	20.5	12.07	0.57	2.8	33.2	1.67
	④₂	粉质黏土	19.5	5.67	0.79	24.0	15.1	0.0043
	④₃	粉质黏土	20.0	7.15	0.71	33.8	15.1	0.0011
	④₄	粉细砂	20.5	12.85	0.57	3.4	33.2	1.85
海太过江通道工程	②₁	粉质黏土	19.3	8.5	0.79	19.3	19.2	0.0065
	③₅	粉土夹粉砂	19.6	10.3	0.72	29.8	33.4	0.0075
	④₁	淤泥质粉质黏土夹粉土	18.1	4.2	1.03	12.0	17.2	0.016
	④₂	粉质黏土夹粉土	18.0	5.7	0.96	17.2	20.5	0.013
	④_2-1	粉砂	18.6	7.4	0.83	6.1	32.7	0.36
	④₃	粉土夹淤泥质粉质黏土	17.9	5.9	0.99	13.2	25.5	0.014
	④_3-1	粉砂	18.9	9.9	0.79	6.6	31.8	0.22
	⑤₂	粉砂	19.5	10.7	0.69	6.1	34.8	0.51
注：γ为天然重度；E_s为压缩模量；e为孔隙比；c为黏聚力；φ为内摩擦角；K为渗透系数。

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1.2 试验方法

现场测试仪器采用东南大学自主研发的SEU@CPTU-1型多功能数字式CPTU测试系统。该系统主要由多功能数字式探头、数据采集系统、测试数据分析软件及静力触探贯入装置四大部分构成。多功能数字式CPTU探头集成了锥尖阻力传感器、侧壁摩阻力传感器、孔隙水压力传感器与三向地震检波器，可以提供锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力、地震波等测试参数。测试设备如图 1（a）所示。

图 1 测试设备及测试原理

Figure 1. Testing devices and principles

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测试时，将探头在预定孔位以2 cm/s的速度贯入，沿深度每隔5 cm记录一组读数。结合工程初勘报告土体分层情况和区域经验，在贯入过程中实时观察实测锥尖阻力q_c和孔压u₂。在接近承压层深度时，若q_c突增且u₂突降，则可认为探头进入承压层。这是由于隔水层一般为细粒土，q_c值远低于承压层的粗粒土。另外，贯入细粒土时孔压一般表现为超孔压，因此探头经过隔水层进入承压层时，u₂会骤降。进入承压层后，在若干深度位置停止贯入，每次u₂稳定后，承压水位可通过式（1）计算，图 1（b）为测试原理。

H_{w} = H_{p} + u_{2} / 9.8,

${H_{\text{w}}} = {H_{\text{p}}} + {u_2}/9.8\;\;\;,$

(1)

式中：H_w为承压水位（m）；H_p为探头高程（m）。

2. 试验结果

2.1 典型CPTU测试结果

图 2给出了各场地典型CPTU测试结果。图 2中锥尖阻力为经孔压修正后的锥尖阻力q_t，见式（2）。

q_{t} = q_{c} + u_{2} (1 - a),

${q_{\text{t}}} = {q_{\text{c}}} + {u_2}(1 - a) \;\;,$

(2)

图 2 不同场地典型CPTU测试结果图

Figure 2. Typical piezocone profiles at different test sites

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式中，a为探头的有效面积比，取0.8。

由图 2可知，各场地淤泥质粉质黏土及粉质黏土层等弱透水层的q_t普遍较小。探头进入承压层后，q_t骤升。在弱透水层，实测u₂高于静水压力，这是因为弱透水层渗透系数小，探头贯入过程中的挤土效应产生的超孔压来不及消散；而在承压层，排除遇到黏土夹层的情况，u₂明显低于静孔压，这是因为测试场地承压层土体一般为稍密—密实的粉砂及粉细砂，探头对土体的剪切作用会引起剪胀，从而产生负孔压，同时，由于贯入速度较快，负孔压来不及消散，因此u₂略低于静水压力。该现象在Elsworth^[8]的成果中也有体现。

2.2 孔压测量结果

（1）孔压变化过程

图 3给出了各场地承压层部分测试深度的u₂稳定过程。可知，在承压层中探头贯入停止后，孔压均上升，并很快稳定。在对数坐标下，承压层的孔压-时间曲线为“S”形，曲线的前半段为凹函数，后半段为凸函数，区别于细粒土层孔压消散曲线的反“S”形。

图 3 各场地承压含水层典型孔压-时间示意图

Figure 3. Typical pore pressure-time curves at different testing sites

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图 4总结了所有测点的u₂稳定时间。可知，各测点孔压稳定时间具有一定差异。绝大多数情况下u₂可在3 min内稳定，个别测点稳定时间相对略长，如江阴靖江长江隧道工程场地测量深度为16.25 m的测点，孔压稳定时间约8 min，这可能是因为孔压传感器恰好位于砂层中的黏土夹层，土体渗透系数相对较低，因此孔压稳定时间相对略长，但仍处于较短水平，这表明CPTU测试具有便捷快速的优点。

图 4 CPTU测试孔压u₂稳定时间

Figure 4. Time to reach steady state of u₂ of CPTU tests

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可利用函数拟合孔压-时间曲线。Hill模型能够较好地拟合“S”形曲线，其标准形式见式（3）。由于孔压-时间曲线的横坐标为对数坐标，因此对Hill模型进行修正，如式（4）。利用式（4）拟合曲线，部分结果绘于图 3。可以看出，拟合曲线与测试结果吻合程度极高。

y = α + \frac{β \cdot x^{δ}}{γ^{δ} + x^{δ}},

$y = \alpha + \frac{{\beta \cdot {x^\delta }}}{{{\gamma ^\delta } + {x^\delta }}} \;\;,$

(3)

y = α + \frac{β \cdot {(\lg x)}^{δ}}{{(\lg γ)}^{δ} + {(\lg x)}^{δ}},

$y = \alpha + \frac{{\beta \cdot {{(\lg x)}^\delta }}}{{{{(\lg \gamma )}^\delta } + {{(\lg x)}^\delta }}} \;\;,$

(4)

式中，α、β、γ、δ为拟合参数。其中： $\alpha$ 为下渐近线值；α与β之和为上渐近线值；γ为拐点对应的x值，即曲线由凹函数转化为凸函数的x值；δ控制了曲线的陡度。

式（4）中参数γ和δ可反映孔压-时间曲线的形态，可在一定程度上反映土体性质，而CPTU参数与土性具有一定的关联，尤其是修正锥尖阻力q_t。图 5与图 6分别总结了各测点q_t与参数γ和δ的关系。其中，q_t为每个测点测试深度上下各20 cm范围内q_t的平均值。由图 5，6可知，参数γ和δ总体上随q_t的升高而降低，这说明随着q_t升高，孔压-时间曲线趋向于更快地从凹函数转化为凸函数，且曲线形态趋向于更平稳，这也在一定程度上反映了更短的稳定时间。将q_t与参数γ和δ的关系进行拟合，可得到预测关系式如下：

\lg (γ) = 0.7 + 1.71 e^{- 0 .14 q_{t}},

$\lg (\gamma ) = 0.7 + 1.71{{\text{e}}^{ - {\text{0}}{\text{.14}}{q_{\text{t}}}}} \;\;,$

(5)

δ = 7.43 - 0.13 q_{t} 。

$\delta = 7.43 - 0.13{q_{\text{t}}} \;\;。$

(6)

图 5 q_t与拟合参数γ关系

Figure 5. Relationship between q_t and γ

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图 6 q_t与拟合参数δ关系

Figure 6. Relationship between q_t and δ

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（2）孔压测试值与观测值对比

图 7为u₂稳定值与利用观测井得到的水位换算的静孔压对比图。从图 7可以看出，各场地u₂稳定值与观测值较为一致，均沿深度呈线性增长。图 7也给出了各测点孔压测试值与观测值的相对误差。可以看出，测点相对误差均在4%以内，处于较低水平。

图 7 孔压测试值与观测值

Figure 7. Tested and observed pore pressures

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2.3 承压水位计算结果

根据u₂稳定值，利用式（1）计算各测点承压水位，汇总于图 8。可以看出，通过CPTU测试得到的承压水位具有一定的离散性，和观测井水位有一定的差异，最大约1.5 m。各测点水位进行平均后，其数值与测点水位较为接近。因此在利用CPTU测试承压水位时，可在同一承压层获取多个测点的数据后取均值。

图 8 承压水位测试值与观测值

Figure 8. Tested and observed confined water levels

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3. 结论

本文主要结论如下：

（1）当探头位于承压含水层时，停止贯入后，孔压值u₂逐渐上升并稳定，一般3 min内可达到稳定状态，测量速度快。通过CPTU测试得到的稳定u₂值与观测井水位的静孔压值十分接近，相对误差低于4%。

（2）可利用Hill模型拟合CPTU测试得到的对数坐标下承压含水层中的孔压-时间曲线，q_t越大，拟合参数γ和δ越小，反映了更短的孔压稳定时间。

（3）利用稳定u₂值转换得到的承压水位具有一定的离散性，但多个测点的平均值较为接近观测井水位，因此该方法的有效性得以验证。

（4）利用CPTU法测试承压水位操作便捷、快速、准确，因此，在工程中值得推广使用。

图 1 建筑物与地铁隧道位置关系图

Figure 1. Relative position of building and metro tunnels

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图 2 外墙沉降量监测值与拟合曲线

Figure 2. Monitoring and fitting curves of external wall settlements

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图 3 内墙裂缝统计图

Figure 3. Crack statistics of internal wall

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图 4 墙体沉降与损伤对比图（由北向南观测）

Figure 4. Settlements of external walls and cracks of internal walls

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图 5 基础、建筑物和土体的有限元模型及网格

Figure 5. Grids of finite element model

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图 6 外墙沉降与有限元模型对比图

Figure 6. Comparison between settlements of external walls and FEM results

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图 7 内墙主应变云图（由北向南观测）

Figure 7. Principal strain nephogram of internal walls

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图 8 内墙主应变方向图（由北向南观测）

Figure 8. Principal strain direction of internal walls

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表 1 土体物理力学参数表

Table 1 Physical and mechanical parameters of soils

土层	$γ$ $γ$ /(kN·m^-³)	c/kPa	$φ$ $φ$ /(°)	E₀/MPa	K₀	K/(m·d^-¹)
杂填土	19.0	7	12	4.75	0.35	2
粉质黏土	20.0	30	20	20	0.52	0.05
强风化砂岩	22.6	15	30	100	—	0.15
强风化炭质泥岩	22.5	18	20	50	—	0.10
注： $γ$ $γ$ 为天然重度,c为黏聚力, $φ$ $φ$ 为内摩擦角,E₀为压缩模量,K₀为静止土压力系数,K为渗透系数。

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表 2 建筑物拟合沉降曲线参数

Table 2 Parameters of fitting settlement curves

北侧外墙	S_RT/mm	i_RT/m	d_RT/m	S_LT/mm	i_LT/m	d_LT/m
北侧外墙	6.3	9.2	+6.1	28.2	10.4	-8.8
南侧外墙	S_RT/mm	i_RT/m	d_RT/m	S_LT/mm	i_LT/m	d_LT/ m
南侧外墙	9.5	9.7	+6.1	33.7	10.1	-8.8

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表 3 损伤等级与损伤描述对应关系表^[7]

Table 3 Corresponding relations between damage level and description

损伤等级	裂缝宽度	损伤描述
可忽略的	< 0.1 mm	细小的裂缝
非常轻微	< 1 mm	正常维修时容易处理的细小裂缝
轻微	1~5 mm	容易修补的裂缝,建筑物内部有细小裂缝,外部可见裂缝
中等	5~15 mm或裂缝数>3条	裂缝需要用合适的材料进行修补,需要对少量的外墙砌砖进行修整和更换。门窗开闭受限,防风防雨功能受损。
严重	15~25 mm同时取决于裂缝数量	大范围的修理,包括部分墙体的重砌,特别是门和窗户需要修复。门窗框变形,地板倾斜明显,墙壁明显倾斜或凸出,梁的承重能力下降。
非常严重	>25 mm同时取决于裂缝数量	需要部分或全部重建的大修。横梁失去承重,墙壁严重倾斜,需要支撑。窗户因变形而破碎。

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表 4 模型土体物理力学参数表

Table 4 Physical and mechanical parameters of model soils

土层	层厚/m	$E_{50}^{ref}$ $E_{50}^{ref}$ /(kN·m^-2)	$E_{oed}^{ref}$ $E_{oed}^{ref}$ /(kN·m^-2)	$E_{ur}^{ref}$ $E_{ur}^{ref}$ /(kN·m^-2)	$G_{0}^{ref}$ $G_{0}^{ref}$ /(kN·m^-2)
①	1.1	4750	4750	23750	47500
②	3.9	20000	20000	60000	100000
③	5.2	100000	100000	300000	500000
④	29.8	50000	50000	150000	250000

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表 5 最大主拉应变与损伤等级对应关系表^[8]

Table 5 Corresponding relations between damage level and maximum principal tensile strain

损伤等级	最大主拉应变
可忽略	0~0.05%
非常轻微	0.05%~0.075%
轻微	0.075%~0.15%
中等	0.15%~0.3%
严重至非常严重	>0.3%

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0. 引言
1. 场地与试验方法
1.1 场地描述
1.2 试验方法
2. 试验结果
2.1 典型CPTU测试结果
2.2 孔压测量结果
2.3 承压水位计算结果
3. 结论

盾构隧道下穿引起砌体结构建筑沉降损伤实例研究 English Version

作者简介: 陈仁朋(1972—),男,教授,主要从事土的基本特性、城市地下空间开发、交通岩土工程的教学和科研工作。E-mail：chenrp@hnu.edu.cn

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