馮文剛
(北京中水利德科技發(fā)展有限公司山東分公司,山東 臨沂 276000)
隧道施工過(guò)程中由于巖土體的開(kāi)挖,原有應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,巖土體會(huì)達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài),這個(gè)過(guò)程中會(huì)引起隧道周?chē)鷰r土體及建構(gòu)筑物的變形,其中土體的沉降一直受到隧道設(shè)計(jì)和施工者的高度關(guān)注。邵俊杰等基于變形分級(jí)提出了一種隧道變形計(jì)算方法。江杰等分析了地面堆載對(duì)地鐵隧道變形的影響。郭小龍等分析了高地應(yīng)力陡傾層狀軟巖隧道變形破壞機(jī)理[1-3]。陳秀義分析了高地應(yīng)力狀態(tài)下硬質(zhì)碎裂巖隧道變形機(jī)理。肖宗榮分析了軟弱圍巖隧道變形。肖宗榮提出了軟弱圍巖隧道變形控制方法[4-6]。濮居一等研究了軟弱地層中基坑土體加固對(duì)隧道變形影響。范雪輝等研究了軟弱地層中內(nèi)撐式基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形的影響。徐國(guó)元等分析了基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響[7-9]。朱國(guó)權(quán)等探索了基坑開(kāi)挖順序?qū)λ淼赖挠绊憽9诘确治隽说孛娑演d對(duì)隧道的影響。劉士海等研究了新建隧道斜交下穿既有盾構(gòu)隧道的變形[10-12]。李釗等分析了隧道臺(tái)階法施工上臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧道變形的影響。郭海峰等分析了建筑施工荷載引起鄰近地鐵隧道變形機(jī)理。姚宏波等分析了考慮空間效應(yīng)的軟土隧道上方卸荷變形[13-15]。文章通過(guò)建立有限元模型,分析涉水隧道開(kāi)挖對(duì)土體沉降的影響,為隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考。
某隧道開(kāi)挖半徑2.5m,埋深15m,襯砌厚度0.35m,地層自上至下分布為:黏土,厚度5.0m,余下均為粉土。巖土工程勘察資料顯示,本場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深為4.5-5.6m,地下水平均埋深5.0m。室內(nèi)水質(zhì)分析結(jié)果表明,場(chǎng)地地下水不具有腐蝕性。
為提高分析結(jié)果的精度,文章采用15節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元的離散模型。為消除邊界影響,通過(guò)試算,建模時(shí),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。有限元模型如圖1所示。模型參數(shù)詳見(jiàn)表1和表2。
圖1 有限元模型示意圖
隧道開(kāi)挖過(guò)程中不僅會(huì)引起地面的沉降,同時(shí)還會(huì)引起隧道周?chē)馏w的變形,為全面地反映隧道開(kāi)挖過(guò)程中土體的沉降變化規(guī)律,鑒于模型的幾何對(duì)稱(chēng)性,文章于地面上以A點(diǎn)(隧道頂部在地面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn))為中心,間隔1m設(shè)置地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C;以D點(diǎn)(隧道頂部對(duì)應(yīng)點(diǎn))為中心,間隔1m設(shè)置隧道頂部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E、F;以G點(diǎn)(隧道底部對(duì)應(yīng)點(diǎn))為中心,間隔1m設(shè)置隧道底部沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)G、H、I。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置相對(duì)位置詳見(jiàn)圖2。
表1 土層參數(shù)
表2 初襯材料參數(shù)
圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系圖
3.2.1 地面沉降模擬
地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降,見(jiàn)圖3。
由圖3可知,地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C在隧道與周?chē)馏w作用前后均呈現(xiàn)出沉降的規(guī)律,作用前三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降均約為1.6mm,作用后均約為0.3mm,三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)及變化量趨于一致,這與地面沉降量相對(duì)較小有關(guān),同時(shí)還表明隧道支護(hù)作用后,有利于大幅度改善地面沉降,從而減少地面建構(gòu)筑物的開(kāi)裂和沉降。
圖3 地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降
3.2.2 隧道頂部沉降模擬
隧道頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降,見(jiàn)圖4。
圖4 隧道頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降
由圖4可知,隧道頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E、F在隧道與周?chē)馏w作用前后均呈現(xiàn)出沉降的規(guī)律,且三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化趨勢(shì)和變化量不一致,且距離隧道頂部越近,沉降變化越快、沉降量越大,表明沉降趨勢(shì)及沉降量與距離隧道頂部遠(yuǎn)近有關(guān)。隧道支護(hù)作用后,D點(diǎn)沉降量由3.6mm減小為0.9mm、E點(diǎn)沉降量由2.8mm減小為0.5mm、F點(diǎn)沉降量由1.8mm減小為0.2mm,表明隧道支護(hù)作用后,有利于大幅度改善隧道頂部區(qū)域沉降。
3.2.3 隧道底部沉降模擬
隧道底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降,見(jiàn)圖5。
圖5 隧道底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降
由圖5可知,隧道底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)G、H、I在隧道與周?chē)馏w作用前后均呈現(xiàn)出隆起的規(guī)律,且三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隆起變化趨勢(shì)和變化量不一致,且距離隧道頂部越近,隆起變化越快、隆起量越大,表明隆起趨勢(shì)及隆起量與距離隧道底部遠(yuǎn)近有關(guān)。隧道支護(hù)作用后,G點(diǎn)隆起量由7.0mm減小為0.1mm、H點(diǎn)隆起量由5.0mm減小為0.05mm、I點(diǎn)隆起量由1.8mm減小為-0.1mm,呈現(xiàn)出沉降的趨勢(shì),表明隧道支護(hù)作用后,有利于大幅度改善隧道底部區(qū)域隆起。
3.2.4 總體沉降模擬
隧道與周?chē)馏w作用前(土體開(kāi)挖未支護(hù))總體沉降,見(jiàn)圖6;隧道與周?chē)馏w作用后總體沉降,見(jiàn)圖7。
由圖6和圖7可知,隧道與周?chē)馏w作用前后,隧道豎直面上均表現(xiàn)出隧道頂部至地面呈現(xiàn)沉降趨勢(shì),且隨著深度增加,沉降量不斷增大,隧道頂部沉降量最大(分別為-10mm、-1mm),隧道底部向下呈現(xiàn)土體隆起的趨勢(shì),且距離隧道底部越遠(yuǎn)隆起量越小,隧道底部最大隆起量分別為6mm、0.8mm,即豎直面上靠近隧道的土體受隧道開(kāi)挖影響較大。隧道與周?chē)馏w作用前,以隧道頂部至地面對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心,地面變形均呈現(xiàn)沉降趨勢(shì),且越靠近中心點(diǎn)沉降量越大。隧道與周?chē)馏w作用后,土體的沉降及隆起影響范圍及數(shù)值皆大幅減小,地面沉降亦呈現(xiàn)越靠近中心點(diǎn)沉降量越大的趨勢(shì),且遠(yuǎn)離中心點(diǎn)處還呈現(xiàn)出微微隆起的趨勢(shì),這與上述各部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)一致。
圖6 隧道與周?chē)馏w作用前(土體開(kāi)挖未支護(hù))總體沉降
圖7 隧道與周?chē)馏w作用后總體沉降
1)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C在隧道與周?chē)馏w作用前后均呈現(xiàn)出沉降的規(guī)律,作用前三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降均約為1.6mm,作用后均約為0.3mm,三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)及變化量趨于一致,這與地面沉降量相對(duì)較小有關(guān)。
2)隧道頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)D、E、F在隧道與周?chē)馏w作用前后均呈現(xiàn)出沉降的規(guī)律,且三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化趨勢(shì)和變化量不一致,且距離隧道頂部越近,沉降變化越快、沉降量越大,表明沉降趨勢(shì)及沉降量與距離隧道頂部遠(yuǎn)近有關(guān)。
3)隧道底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)G、H、I在隧道與周?chē)馏w作用前后均呈現(xiàn)出隆起的規(guī)律,且三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隆起變化趨勢(shì)和變化量不一致,且距離隧道底部越近,隆起變化越快、隆起量越大,表明隆起趨勢(shì)及隆起量與距離隧道底部遠(yuǎn)近有關(guān)。
4)隧道與周?chē)馏w作用前后,隧道豎直面上均表現(xiàn)出隧道頂部至地面呈現(xiàn)沉降趨勢(shì),且隨著深度增加,沉降量不斷增大,隧道頂部沉降量最大,隧道底部向下呈現(xiàn)土體隆起的趨勢(shì),且距離隧道底部越遠(yuǎn)隆起量越小,即豎直面上靠近隧道的土體受隧道開(kāi)挖影響較大。
5)隧道與周?chē)馏w作用前,以隧道頂部至地面對(duì)應(yīng)點(diǎn)為中心,地面變形均呈現(xiàn)沉降趨勢(shì),且越靠近中心點(diǎn)沉降量越大。隧道與周?chē)馏w作用后,土體的沉降及隆起影響范圍及數(shù)值皆大幅減小,地面沉降亦呈現(xiàn)越靠近中心點(diǎn)沉降量越大的趨勢(shì),且遠(yuǎn)離中心點(diǎn)處還呈現(xiàn)出微微隆起的趨勢(shì)。