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        并排差時施工涉水隧道開挖變形影響模擬分析

        2022-08-03 01:30:16艾麥爾江麥麥提敏
        黑龍江水利科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:土體隧道變形

        艾麥爾江·麥麥提敏

        (和田鼎晟工程試驗檢測有限公司,新疆 和田 848000)

        0 引 言

        隧道工程中的土體開挖會導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布,進而引起隧道周圍土體及建構(gòu)筑物的變形,已引起隧道建設(shè)者的高度關(guān)注。李釗等等分析了隧道臺階法施工上臺階長度對隧道變形的影響[1]。邵俊杰等等基于變形分級推導(dǎo)了一種隧道變形計算方法[2]。姚宏波等提出了考慮空間效應(yīng)的軟土隧道上方卸荷變形分析方法[3]。羅躍春等分析了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道變形特征[4]。江杰等分析了地面堆載對鄰近地鐵隧道變形的影響[5]。郭磊等分析了地面堆載條件下,軟土地層盾構(gòu)隧道變形特征[6]。郭海峰等研究了施工荷載作用下鄰近地鐵隧道變形機理[7]。劉士海等研究了新建斜交下穿隧道對既有盾構(gòu)隧道的變形影響[8]。然而,上述研究對并排差時施工隧道開挖變形影響卻鮮有報道,文章通過有限元模擬分析,探究并排差時施工涉水隧道開挖變形影響,為隧道工程設(shè)計和施工提供參考。

        1 工程概況

        某差時施工雙隧道開挖半徑均為2.5m,埋深均為12.5m,襯砌厚度0.35m,地層自上至下分布為:黏土,厚度5.0m,粉土、厚度15.0m,余下為砂卵石。現(xiàn)場勘察結(jié)果表明,該場地地下水穩(wěn)定水位埋深為4.1-6.0m,平均埋深5.0m。室內(nèi)水質(zhì)分析結(jié)果表明,場地地下水不具有腐蝕性。

        2 數(shù)值模擬

        為提供分析精度,采用15節(jié)點高精度三角形單元的離散模型,同時使用中等粗糙程度的網(wǎng)格進行模擬,并將隧道開挖過程中對周圍土體的擾動計算到模型中??紤]到模型邊界的影響,建模時,模型寬度取為40m,高度為30m,襯砌厚度為0.35m,地下水位取5.0m。數(shù)值模型邊界變形條件為:模型左、右兩側(cè)僅允許發(fā)生豎向變形,底部為固定邊界(不發(fā)生變形)。有限元模型示意圖如圖1所示。模型參數(shù)詳見表1和表2。

        圖1 有限元模型示意圖

        表1 土層參數(shù)

        表2 初襯材料參數(shù)

        3 模擬結(jié)果分析

        3.1 左側(cè)隧道施工后變形結(jié)果分析

        圖2為左側(cè)隧道施工后豎向變形圖。圖3左側(cè)隧道施工后水平向變形圖。

        圖2 左側(cè)隧道施工后豎向變形圖

        由圖2可知,左側(cè)隧道施工后,隧道上方土體出現(xiàn)沉降,且越靠近隧道頂部土體沉降越大,達到1mm,以隧道頂部頂點對應(yīng)的豎直面為對稱軸,豎向變形呈對稱分布規(guī)律,沉降數(shù)值較大的區(qū)域集中在隧道頂部上方較窄區(qū)域,離隧道豎直面越遠(yuǎn)沉降量越小,甚至在較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)隆起的趨勢(變形量為正值)。隧道下方土體出現(xiàn)隆起,隆起區(qū)域集中于隧道下方較小區(qū)域,且離隧道下方越近,土體隆起量越大,最大隆起量為1.4mm,這是隧道土體開挖后應(yīng)力釋放土體出現(xiàn)反彈的緣故。

        圖3 左側(cè)隧道施工后水平向變形圖

        由圖3可知,左側(cè)隧道土體開挖后,隧道水平向土體向開挖土體區(qū)域移動,當(dāng)隧道施加襯砌后,隧道水平向土體分別出現(xiàn)背離土體挖除區(qū)域方向水平位移的趨勢,且距離隧道越遠(yuǎn)水平位移量越小,約為1mm,且以隧道為中心,水平方向上位移呈對稱分布的規(guī)律,這是隧道襯砌與土體相互作用的結(jié)果。

        3.2 右側(cè)隧道施工后變形結(jié)果分析

        圖4為右側(cè)隧道施工后豎向變形圖。圖5右側(cè)隧道施工后水平向變形圖。

        圖4 右側(cè)隧道施工后豎向變形圖

        由圖4可知,右側(cè)隧道施工后,右側(cè)隧道上方土體出現(xiàn)沉降,且越靠近隧道頂部土體沉降越大,達到0.8mm,以隧道頂部頂點對應(yīng)的豎直面為對稱軸,豎向變形未呈現(xiàn)明顯地對稱規(guī)律,沉降數(shù)值較大的區(qū)域集中在隧道頂部上方較窄區(qū)域,離隧道豎直面越遠(yuǎn)沉降量越小,甚至在較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)隆起的趨勢(變形量為正值)。隧道下方土體出現(xiàn)隆起,隆起區(qū)域集中于隧道下方較小區(qū)域,且離隧道下方越近,土體隆起量越大,最大隆起量為1.6mm,這是隧道土體開挖后應(yīng)力釋放土體出現(xiàn)反彈的緣故。

        圖5 右側(cè)隧道施工后水平向變形圖

        由圖5可知,右側(cè)隧道土體開挖后,隧道水平向土體向開挖土體區(qū)域移動,當(dāng)隧道施加襯砌后,隧道水平向土體分別出現(xiàn)背離土體挖除區(qū)域方向水平位移的趨勢,且距離隧道越遠(yuǎn)水平位移量越小,左右側(cè)隧道最大水平位移量分別為為1.4mm和1.2mm,且位移主要發(fā)生在隧道的外側(cè)且呈對稱分布。

        3.3 差時隧道施工后變形總體分析

        由于左右側(cè)隧道開挖時存在時差,右側(cè)隧道的開挖導(dǎo)致左側(cè)隧道同一位置沉降量略有增加,并且左側(cè)隧道上方沉降無明顯對稱分布規(guī)律,這是左右側(cè)隧道襯砌與土體相互作用的結(jié)果。左右側(cè)隧道上方共同作用區(qū)域還出現(xiàn)了明顯的土拱,該土拱區(qū)域土體表現(xiàn)出明顯的隆起,即土拱的出現(xiàn)對對應(yīng)位置上方土體的沉降起到了緩沖作用,進而減小了襯砌上部壓應(yīng)力。差時隧道施工時,水平方向變形影響>豎直方向。

        4 結(jié) 論

        1)右側(cè)隧道(后施工隧道)施工后,右側(cè)隧道上方土體出現(xiàn)沉降,且越靠近隧道頂部土體沉降越大,以隧道頂部頂點對應(yīng)的豎直面為對稱軸,豎向變形未呈現(xiàn)明顯地對稱規(guī)律,沉降數(shù)值較大的區(qū)域集中在隧道頂部上方較窄區(qū)域,離隧道豎直面越遠(yuǎn)沉降量越小,甚至在較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)隆起的趨勢(變形量為正值)。隧道下方土體出現(xiàn)隆起,隆起區(qū)域集中于隧道下方較小區(qū)域,且離隧道下方越近,土體隆起量越大,這是隧道土體開挖后應(yīng)力釋放土體出現(xiàn)反彈的緣故。右側(cè)隧道土體開挖后,隧道水平向土體向開挖土體區(qū)域移動,當(dāng)隧道施加襯砌后,隧道水平向土體分別出現(xiàn)背離土體挖除區(qū)域方向水平位移的趨勢,且距離隧道越遠(yuǎn)水平位移量越小且位移主要發(fā)生在隧道的外側(cè)且呈對稱分布。

        2)左右側(cè)隧道開挖時存在時差,右側(cè)隧道的開挖導(dǎo)致左側(cè)隧道同一位置沉降量略有增加,并且左側(cè)隧道上方沉降無明顯對稱分布規(guī)律,這是左右側(cè)隧道襯砌與土體相互作用的結(jié)果。

        3)左右側(cè)隧道上方共同作用區(qū)域出現(xiàn)了明顯的土拱,該土拱區(qū)域土體表現(xiàn)出明顯的隆起,即土拱的出現(xiàn)對對應(yīng)位置上方土體的沉降起到了緩沖作用,進而減小了襯砌上部壓應(yīng)力。

        4)差時隧道施工時,水平方向變形影響>豎直方向。

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