徐新星

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑學(xué)院，廣東東莞 523808)

地鐵隧道開(kāi)挖施工，會(huì)對(duì)原有土層造成一定程度的擾動(dòng)，這是導(dǎo)致地面變形的重要原因，會(huì)引起一定范圍內(nèi)土體移動(dòng)和地表沉陷[1]。它將影響到鄰近建筑物及地下管線的安全，影響周圍的環(huán)境。地鐵施工采用較多的盾構(gòu)法區(qū)間隧道、暗挖法隧道日益增多，往往需要穿越建筑物密集、地下管網(wǎng)豐富、地質(zhì)情況復(fù)雜的城市中心地帶，故能滿足相當(dāng)精度的隧道施工引起的土體變形預(yù)測(cè)方法愈加受到關(guān)注。

隧道開(kāi)挖施工對(duì)鄰近土體變形的影響已引起行業(yè)專家的重視并開(kāi)展了相關(guān)的研究：何清[2]開(kāi)發(fā)了二維擋土結(jié)構(gòu)土壓力與活動(dòng)門模擬試驗(yàn)裝置；黃鑫等[3]對(duì)加固綜合管廊斷面寬度范圍內(nèi)的土體進(jìn)行仿真模擬；雷華陽(yáng)等[4]基于透明黏土盾構(gòu)隧道開(kāi)挖面失穩(wěn)模型試驗(yàn)，探究了開(kāi)挖面失穩(wěn)擴(kuò)展過(guò)程和失穩(wěn)特征；賀恒煒[5]以通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段對(duì)地下鐵道開(kāi)挖作用于既有臨近建筑沉降影響進(jìn)行分析；范德偉等[6]基于Winkler彈性地基梁理論,分析了地下管線在地鐵開(kāi)挖作用下的受力情況；鄧祥輝[7]等研究了地鐵隧道爆破施工對(duì)鄰近居民樓帶來(lái)的影響；岳長(zhǎng)城[8]利用有限元軟件數(shù)值模擬，對(duì)地鐵車站暗挖廳施工土體變形進(jìn)行了研究。

根據(jù)實(shí)際工程案列，建立有限元模型，綜合考慮土體位移及隧道受力變形的耦合分析成為研究隧道施工對(duì)鄰近土體變形影響的有效方法[9-10]。本文基于ANSYS 軟件建立相關(guān)模型進(jìn)行了數(shù)值分析，分析了隧道兩種斷面開(kāi)挖引起不同方向的土體變形，將為類似工程施工提供參考。

1 隧道開(kāi)挖對(duì)臨近土體變形影響的數(shù)值分析

1.1 工程背景

廣州市軌道交通地鐵某區(qū)間段采用淺埋暗挖法施工，設(shè)置施工豎井，施工橫通道與使用期間聯(lián)絡(luò)通道結(jié)合設(shè)置。根據(jù)斷面的特點(diǎn)及斷面周圍的圍巖情況，確定實(shí)際中斷面的開(kāi)挖方法。其中，標(biāo)準(zhǔn)斷面跨度較小、圍巖較差，考慮到既要實(shí)現(xiàn)分臺(tái)階開(kāi)挖，又要實(shí)現(xiàn)支護(hù)及早封閉，所以可選擇短臺(tái)階法進(jìn)行施工，這種方法將臺(tái)階長(zhǎng)度定為10～15 m，即1～2倍開(kāi)挖寬度；大跨斷面，由于其跨度較大，所以無(wú)法采用全斷面法或臺(tái)階法開(kāi)挖，可采用施工安全，且控制地表沉降較好的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行斷面開(kāi)挖，這種方法相當(dāng)于先開(kāi)挖2個(gè)小跨度隧道，并可及時(shí)施作導(dǎo)坑周圍初期支護(hù)。本文主要研究以上兩種類型斷面：一種是區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面；一種是區(qū)間隧道大跨斷面。

1.2 區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面地層參數(shù)

根據(jù)廣州地鐵隧道某區(qū)間連接段工程勘察資料，地質(zhì)情況自上至下大致分布如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)斷面地層分布及參數(shù)表

1.3 區(qū)間大跨斷面地層參數(shù)

根據(jù)廣州地鐵隧道某區(qū)間連接段工程勘察資料，自上至下大致分布如表2所示。

表2 大跨斷面地層分布及參數(shù)表

1.4 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

本文選用Mohr-Coulomb來(lái)模擬土體，利用ANSYS軟件建立相關(guān)模型進(jìn)行了數(shù)值分析，計(jì)算采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行模擬，單元類型為二維梁?jiǎn)卧?，梁?jiǎn)卧獙挾葹閱挝粚挾?，梁高按二次襯砌實(shí)際厚度考慮。計(jì)算參數(shù)具體見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算參數(shù)

1.4.1 標(biāo)準(zhǔn)斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)斷面施工階段的計(jì)算模型及單元?jiǎng)澐帧⒂?jì)算彎矩圖和軸力圖分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 彎距圖(N·m)

圖3 軸力圖(N)

由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，最大彎矩出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)斷面的左右側(cè)下部，約為69 KN·m，最大軸力也是出現(xiàn)在該位置，約為875 KN；這個(gè)位置在實(shí)際工程中也是容易出現(xiàn)破壞的薄弱點(diǎn)，說(shuō)明了模型建立的合理性。

1.4.2 大跨斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

大跨面施工階段的計(jì)算模型及單元?jiǎng)澐?、?jì)算彎矩圖和軸力圖分別如如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 計(jì)算模型

圖5 彎距圖(N·m)

圖6 軸力圖(N)

與標(biāo)準(zhǔn)斷面類似，由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，最大彎矩出現(xiàn)在大跨斷面的左右側(cè)下部，約為330 KN·m，最大軸力也是出現(xiàn)在該位置，約為1 500 KN；這個(gè)數(shù)值比標(biāo)準(zhǔn)斷面大很多，這是因?yàn)閿嗝娉叽鐜?lái)的差異。

1.5 位移計(jì)算結(jié)果分析

在進(jìn)行位移分析時(shí)分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)斷面與大跨斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明建立的模型是合理的，且無(wú)論是大跨斷面還是標(biāo)準(zhǔn)斷面的位移都是極小的，不會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生影響。在此過(guò)程中采用了兩種方法進(jìn)行計(jì)算，其一是將馬蹄形斷面設(shè)為直墻拱形斷面進(jìn)行計(jì)算：這也是數(shù)值計(jì)算中經(jīng)常采用的方法；其二仍是按馬蹄形斷面進(jìn)行計(jì)算。兩種方法計(jì)算結(jié)果的差別可忽略不計(jì)，文中在上述兩種方法中分別只取一種類型的斷面進(jìn)行敘述，方法一采用的是標(biāo)準(zhǔn)斷面，方法二采用的是大跨斷面。

1.5.1 區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面位移計(jì)算

在此計(jì)算中采用地層-荷載方法，將地層由地表至隧道底部依次建入模型中，取一半斷面進(jìn)行分析，分別給出x方向與y方向的計(jì)算云圖。計(jì)算模型圖見(jiàn)圖7，x方向的位移云圖見(jiàn)圖8，y方向的位移云圖見(jiàn)圖9。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)斷面位移計(jì)算模型圖

圖8 標(biāo)準(zhǔn)斷面x方向位移計(jì)算圖

圖9 標(biāo)準(zhǔn)斷面y方向位移計(jì)算圖

由計(jì)算分析可知，標(biāo)準(zhǔn)斷面在開(kāi)挖后x方向的最大位移為2.2 mm，y方向的最大位移為1.5 mm，兩者均不會(huì)對(duì)實(shí)際施工產(chǎn)生影響，并且在施加混凝土襯砌后，位移值還將進(jìn)一步減小，由此可知，在前述外力條件下，標(biāo)準(zhǔn)斷面的位移值對(duì)實(shí)際施工是安全的。

如圖10所示為實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比圖。從圖可知，由于地表實(shí)際沉降值本身很小，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值總體分布規(guī)律相近，數(shù)值也相差不大，總體吻合的較好，但是由于數(shù)值模擬過(guò)程中一些假設(shè)存在計(jì)算值總體上比實(shí)測(cè)值大。另外，隧道開(kāi)挖對(duì)臨近土體變形影響主要體現(xiàn)在臨近隧道一定范圍內(nèi)，在x、y方向均有影響，這是由于斷面開(kāi)挖開(kāi)挖，使得臨近土體應(yīng)力發(fā)生釋放及重分布，引起一定范圍的土體產(chǎn)生附加應(yīng)力及位移。

圖10 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

1.5.2 區(qū)間大跨斷面位移計(jì)算

與標(biāo)準(zhǔn)斷面同理，計(jì)算仍采用地層-荷載方法，將地層由地表至隧道底部依次建入模型中，取一半斷面進(jìn)行分析，分別給出x方向與y方向的計(jì)算云圖。計(jì)算模型圖見(jiàn)圖11，x方向的位移云圖見(jiàn)圖12，y方向的位移云圖見(jiàn)圖13。

圖11 大跨斷面位移計(jì)算模型圖

圖12 標(biāo)準(zhǔn)斷面x方向位移計(jì)算

圖13 大跨斷面y方向位移計(jì)算圖

由計(jì)算分析可知，標(biāo)準(zhǔn)斷面在開(kāi)挖后x方向的最大位移為4.4 mm，y方向的最大位移為8.1 mm，相比標(biāo)準(zhǔn)斷面，大跨斷面位移相對(duì)較大，這是由于大跨斷面的跨度較大而造成的，但是該位移相比起大跨斷面的跨度是很小的，因此，此位移值不會(huì)對(duì)實(shí)際施工產(chǎn)生影響，并且在施加混凝土襯砌后，位移值還將進(jìn)一步減小，由此可知，在前述外力條件下，大跨斷面的位移值對(duì)實(shí)際施工也是安全的

如圖14所示為大跨度斷面地表沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比圖。圖中地表沉降實(shí)測(cè)值與計(jì)算值總體的趨勢(shì)是一樣的，數(shù)值也相近，在離隧道3.4 m處，也就是第一個(gè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)處相差稍大，相差約為8.3%，在容許(±10%)誤差之內(nèi)，故該模型的建立比較合理。

圖14 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

2 結(jié)語(yǔ)

1)本文結(jié)合城市地鐵隧道在施工中需考慮的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和地質(zhì)情況，利用ANSYS軟件建立相關(guān)模型進(jìn)行了數(shù)值分析，對(duì)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，將計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示計(jì)算值和實(shí)測(cè)值分布規(guī)律非常接近，由于本構(gòu)模型的建立過(guò)程中一些假設(shè)存在，使得計(jì)算值總體上比實(shí)測(cè)值大。

2)標(biāo)準(zhǔn)斷面和大跨段面在施工過(guò)程中，位移變形都是在容許的范圍內(nèi)，位移值不會(huì)對(duì)實(shí)際施工產(chǎn)生影響，并且在施加混凝土襯砌后，位移值還將進(jìn)一步減小，兩種施工方法的選擇都是安全可靠的。

3)在某些隧道工程施工中，還需要考慮隧道開(kāi)挖與鄰近地下構(gòu)筑物的相互作用。如暗挖隧道施工過(guò)程中或者工后沉降引起的土體變形對(duì)鄰近原有建筑物基礎(chǔ)和地下室的影響等，需要進(jìn)一步研究。