王云平 趙雅博 趙德深

摘? 要：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件MIDAS對(duì)不同形狀（平頂直墻形、馬蹄形、圓形）隧道開挖引起的地層及鄰近建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)3種施工斷面形狀進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果顯示：圓形隧道開挖引起地面沉降影響最小，其次是馬蹄形隧道，最后為平頂直墻形隧道;圓形隧道開挖引起的沉降槽寬度和深度較其他形狀要小;控制沉降及保證建筑結(jié)構(gòu)的沉降從優(yōu)至劣依次為圓形>馬蹄形>平頂直墻形。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;不同形狀隧道斷面;地表沉降

中圖分類號(hào)：TV223.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0067-04

Abstract： This study used the numerical simulation software MIDAS to study the stability of strata and adjacent buildings induced by excavation of tunnels with different shapes （flat-top straight wall， horseshoe， circular）. The results show that， the influence of ground subsidence caused by circular tunnel excavation is the smallest， followed by horseshoe tunnel， and finally flat-roofed straight wall tunnel; the width and depth of settlement trough are smaller than those of other shapes; the settlement of controlled and ensured building structures ranges from good to bad as circular > horseshoe > flat top straight wall.

Keywords： numerical simulation; tunnel sections with different shapes; ground settlement

1 概述

21世紀(jì)我國城市建設(shè)進(jìn)程加快，公共設(shè)施、隧道交通建設(shè)逐步齊全完善，這使得城市隧道建設(shè)規(guī)模不斷增大，為此對(duì)施工質(zhì)量提出了更高的要求[1-3]。隧道施工引起的地表、臨近建筑物的沉降不僅與圍巖、埋深、掘進(jìn)快慢有關(guān)，還和隧道的性狀有著密不可分的關(guān)系[4-7]。本文運(yùn)用數(shù)值軟件MIDAS對(duì)不同形狀（平頂直墻形、馬蹄形、圓形）隧道開挖引起的地層及鄰近建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對(duì)3種施工斷面形狀進(jìn)行優(yōu)選，為實(shí)際隧道工程設(shè)計(jì)、施工等提供借鑒。

2 數(shù)值模型建立

計(jì)算模型中土體的尺寸為長、寬、高分別為90m、90m、50m。建筑結(jié)構(gòu)為10層構(gòu)架結(jié)構(gòu)，每層高3m，橫向柱距為6m，內(nèi)廊柱距為3.0m，縱向柱距為4.5m，縱向共有5跨。建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為端承樁，樁長根據(jù)地質(zhì)情況取12m圓形樁（直徑0.6m），梁截面為0.3m×0.6m，柱截面為0.45m×0.45m，基礎(chǔ)嵌入地表，兩者間網(wǎng)格采取自然耦合技術(shù)。本次以σ1>σt作為巖石發(fā)生破壞的判據(jù)，采用Mohr-Coulomb屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則建立數(shù)值模型，模型參數(shù)詳見表1所示，框架結(jié)構(gòu)荷為8.8kN/m2，建筑結(jié)構(gòu)采C30混凝土材料，彈性模量為3×104MPa，容重25kN·m-3，泊松比取0.15。圓形隧道數(shù)值模型見圖1，圖2 平頂直墻形隧道數(shù)值模型見圖2，馬蹄形形隧道數(shù)值模型見圖3，建筑結(jié)構(gòu)見圖4。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土體分析

為研究不同隧洞形狀對(duì)上覆建筑結(jié)構(gòu)的影響，本次選取平頂直墻形隧道、馬蹄形隧道和圓形隧道進(jìn)行對(duì)比分析研究。從結(jié)果云圖5-圖7可以得到，平頂直墻形隧道開挖引起最大地表沉降值發(fā)生在建筑結(jié)構(gòu)所在的中心位置，其數(shù)值為34.7mm;同樣，在相同位置，馬蹄形隧道開挖引起最大地表沉降值為24.9mm;圓形隧道開挖引起最大地表沉降值為22.7mm。由此可知，圓形隧道開挖引起地面沉降影響最小，其次是馬蹄形隧道，最后為平頂直墻形隧道，分析其原因?yàn)閳A形隧道易形成土體壓力拱，進(jìn)而自身具有良好的自穩(wěn)能力。同時(shí)，根據(jù)測量得出平頂直墻形隧道的沉降槽影響范圍為32.6m;馬蹄形隧道的沉降槽影響范圍為32.8m;圓形隧道的沉降槽影響范圍為30m，其中平頂直墻形、馬蹄形斷面所影響的范圍值大致相同，最小的為圓形。

3.2 框架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖8-圖10可知，平頂直墻形隧道、馬蹄形隧道和圓形隧道開挖導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)最大沉降值依次為37.75mm、29.62mm、24.9mm。因此，根據(jù)斷面形狀方式控制沉降及保證建筑結(jié)構(gòu)的沉降從優(yōu)至劣依次為圓形>馬蹄形>平頂直墻形。但是從使用空間上來說，馬蹄形隧道空間和寬度較圓形更大，且其位移場、應(yīng)力場較平頂直墻形隧道更有力，因此在施工、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)條件允許的情況下，還是推薦首先考慮馬蹄形隧道斷面結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值軟件MIDAS對(duì)不同隧道形狀開挖引起的地層、建筑物變形進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）圓形隧道開挖引起地面沉降影響最小，其次是馬蹄形隧道，最后為平頂直墻形隧道，分析其原因?yàn)閳A形隧道易形成土體壓力拱，進(jìn)而自身具有良好的自穩(wěn)能力。

（2）對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)圓形隧道開挖引起的沉降槽寬度和深度較其他形狀要小。

（3）根據(jù)斷面形狀方式控制沉降及保證建筑結(jié)構(gòu)的沉降從優(yōu)至劣依次為圓形>馬蹄形>平頂直墻形。從使用空間上來說，馬蹄形隧道空間和寬度較圓形更大，且其位移場、應(yīng)力場較平頂直墻形隧道更有力，可以選擇馬蹄形隧道截面。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國隧道與地下工程的脊梁——紀(jì)念王夢(mèng)恕院士辭世一周年[J/OL].隧道建設(shè)（中英文）：1-7.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1745.U.20190927.1103.012.html.2019-09-27.

[2]徐迅雷.70年的時(shí)光隧道[N].杭州日?qǐng)?bào)，2019-09-25（004）.

[3]韓煊.隧道施工引起地層位移及建筑物變形預(yù)測的實(shí)用方法研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2006.

[4]李浩，朱向陽，徐永福，等.斷面形狀對(duì)隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響分析[J].隧道建設(shè)，2009，29（01）：38-44.

[5]董書明，辛全才，盧樹盛.斷面形狀對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性的影響分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2011（01）：102-104+107.

[6]張宇.斷面形狀對(duì)隧洞圍巖位移和應(yīng)力的影響分析[J].黑龍江水利科技，2015，43（03）：167-168+183.

[7]董書明.隧道最優(yōu)斷面形狀的有限元分析[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.