溫偉銃 譚消 陸飛 沈亮 周強

摘 要：有限元數(shù)值模擬某擬新建隧道下穿建筑物的施工過程，分析其應(yīng)力和位移，驗證施工方法的可行性，對之進行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：下穿施工;數(shù)值模擬;優(yōu)化

0 引言

隧道的開挖，會引起圍巖應(yīng)力重分布，即圍巖會發(fā)生變形甚至失穩(wěn)。隧道下穿施工，也將導(dǎo)致上部建筑物產(chǎn)生豎直沉降和水平位移，為確保施工過程中隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)及建筑物的穩(wěn)定與安全，需對隧道的下穿施工進行研究。

國內(nèi)外有關(guān)隧道下穿建筑物施工的主要有：李文江等通過研究隧道下穿既有構(gòu)造物的影響，總結(jié)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。Tang采用數(shù)值模擬方法研究隧道施工應(yīng)力路徑，分析施工過程中圍巖的變化規(guī)律。靳曉光等采用有限元模擬施工過程的方法分析圍巖位移，選擇最合理的方法。

本文采用有限元數(shù)值模擬隧道下穿建筑物的施工過程，分析其應(yīng)力和位移，驗證施工方法的可行性，對之進行優(yōu)化。

1 計算模型力學(xué)參數(shù)

本文應(yīng)用MIDAS/GTS有限元軟件，采用理想彈塑性本構(gòu)巖體力學(xué)模型，服從Mohr—Coulomb屈服破壞準(zhǔn)則，進行隧道下穿施工模擬計算。圍巖及支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

數(shù)值模擬時，把上部建筑作為一個剛體，采用基礎(chǔ)+上部荷載的方式。上部荷載計算，主要考慮：（1）樓面結(jié)構(gòu)和隔墻重量，按框架結(jié)構(gòu)磚墻體材料取值計算;（2）活荷載按民用建筑均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)取值;（3）所有荷載均由柱基礎(chǔ)承擔(dān)，均布總荷載按樁最大間距計算柱基礎(chǔ)軸力。

有限元數(shù)值模擬模型左水平邊界距離襯砌外邊墻60 m，右水平邊界距離襯砌外邊墻60 m，水平邊界采用位移約束;下部豎向邊界距離襯砌底部60 m，其采用豎向位移約束;頂部為建筑基礎(chǔ)+上部荷載，其他的采用自由約束。沿隧道掘進方向取80 m。

開挖方法：（1）右洞先行，右洞開挖掌子面領(lǐng)先左洞開挖掌子面;（2）右洞采用臺階法;（3）左洞采用環(huán)形開挖留核心土法。

2 計算結(jié)果分析

2.1 建筑物豎直沉降和水平位移分析

該段隧道施工完成后，建筑物最大豎向沉降出現(xiàn)在左洞隧道的正上方，為7.3 mm;最大水平位移出現(xiàn)在左洞左上方，為4.2 mm;各相鄰建筑物柱基礎(chǔ)間沉降差異最大為1.0 mm<0.002 L=10.0 mm（其中L為相鄰兩柱基礎(chǔ)間距離，為5.1 m）。該建筑物變形較穩(wěn)定，且變形量較小，基本滿足穩(wěn)定性要求。

2.2 圍巖豎直沉降和水平位移分析

右洞掌子面開挖至首排建筑物柱基礎(chǔ)下方時，圍巖最大豎向位移為2.3 mm，圍巖最大水平位移為1.1 mm;右洞掌子面開挖至末排建筑物柱基礎(chǔ)下方時，圍巖最大豎向位移為2.5 mm，圍巖最大水平位移為1.6 mm;右洞貫通后，圍巖最大豎向位移為7.4 mm，圍巖最大水平位移為2.4 mm。

左洞掌子面開挖至首排建筑物柱基礎(chǔ)下方時，圍巖最大豎向位移為5.3 mm，圍巖最大水平位移為1.7 mm;左洞掌子面開挖至末排建筑物柱基礎(chǔ)下方時，圍巖最大豎向位移為6.7 mm，圍巖最大水平位移為2.5 mm;左洞貫通后，圍巖最大豎向位移為9.2 mm，圍巖最大水平位移為2.9 mm。

2.3 圍巖應(yīng)力分析

對開挖過程中，圍巖應(yīng)力云圖進行分析，圍巖最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂和仰拱處，且隨著開挖掌子面的推進，其數(shù)值變化較小。

2.4 二次襯砌支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

二次襯砌支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力位于右洞左邊墻墻腳處，二次襯砌支護結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力位于右洞左邊起拱點出。支護結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力云圖如圖1所示。

3 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析可得：

（1）數(shù)值模擬計算各階段位移收斂，說明該隧道掘進方法符合技術(shù)要求;

（2）隧道施工過程中，上方建筑物最大豎直沉降、最大水平位移、各相鄰建筑物柱基礎(chǔ)間沉降差異均較小，基本滿足穩(wěn)定性要求，但影響隧道施工的因素較多，在數(shù)值模擬計算中考慮不周全，施工過程中應(yīng)對建筑物進行實時變形監(jiān)測;

（3）隧道圍巖的變形與隧道掘進工序及開挖位置密切相關(guān)，建議嚴(yán)格控制左洞開挖掌子面與右洞開挖掌子面間的距離;開挖至建筑物下方時，應(yīng)縮短開挖進尺，并及時進行支護。

參考文獻：

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