隧道開挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)位移影響分析

曹 文 胡永利

0 引言

地下空間開發(fā)是可持續(xù)發(fā)展理念感召下采取的一大深具戰(zhàn)略意義的決策。然而，由于起初對(duì)地下空間的開發(fā)缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，使得后續(xù)地下空間開發(fā)對(duì)先前建(構(gòu))筑物產(chǎn)生諸多影響。其中，隧道開挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響已是一個(gè)越發(fā)普遍的問題，亟待解決。欲解決問題，先認(rèn)識(shí)問題，只有認(rèn)識(shí)隧道開挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響，才能有效尋找解決問題的途徑?；诖耍疚慕⑺淼篱_挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響模型，以認(rèn)識(shí)隧道開挖對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響問題，從而為廣大工程技術(shù)人員提供認(rèn)識(shí)問題的途徑，并期能對(duì)類似工程問題的解決提供一定借鑒。

1 三維有限元模型建立

模型中的隧道截面為五心圓馬蹄形斷面，隧道軸線埋深10 m，外徑6.3 m，襯砌厚度0.3 m。隧道軸線距框架中軸線的距離6.6 m。框架結(jié)構(gòu)與隧道幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 框架結(jié)構(gòu)與隧道幾何關(guān)系圖（單位：mm）

框架結(jié)構(gòu)為3層，縱橫向均為3跨，采用一柱一樁的形式。平行于隧道軸線方向的框架跨度均為6 m，垂直于隧道軸線方向的框架跨度依次為 3.6 m，6 m，3.6 m，層高為 3.3 m，柱子和樁截面尺寸均為 0.4 m×0.4 m，梁的截面尺寸均為0.25 m×0.6 m，板厚為0.1 m，樁長(zhǎng)為5 m。柱、樁、梁均采用梁?jiǎn)卧M，樓板采用板單元模擬。土層自上而下共分四層，土體均采用摩爾—庫侖模型。模型建立中自上而下所用土層和框架結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

模型在豎直方向上取30 m，在垂直隧道軸線方向上取50 m，在平行于隧道軸線的方向上取38 m。模型上邊界為自由表面，下表面在豎向施加約束，側(cè)面在相應(yīng)水平方向施加約束[1-4]。為與實(shí)際情況相符，在樓板及地面上布置5 kN/m2的均布荷載。所建模型見圖2。

圖2 有限元模型

圖3 隧道開挖各階段施工長(zhǎng)度示意圖（單位：m）

2 施工階段模擬

為分析框架結(jié)構(gòu)位移隨施工階段的變化情況，模擬中將隧道分為10段進(jìn)行開挖，每段施工長(zhǎng)度除臨近結(jié)構(gòu)第一榀框架為2 m外，其余均為4 m。具體各施工段劃分如圖3所示。

模擬中將每施工段按土體開挖與襯砌支護(hù)兩步施工，加上原始階段，則共分21個(gè)施工階段。為便于分析框架位移隨施工階段的變化情況，將隧道開挖的施工階段以0～20進(jìn)行定義，其每段對(duì)應(yīng)施工工況如表2所示。

表2 施工階段與施工工況對(duì)應(yīng)表

3 框架結(jié)構(gòu)最終位移影響分析

因隧道軸線與框架結(jié)構(gòu)縱向平行，隧道開挖引起的框架位移主要是沉降以及與隧道軸線垂直方向的水平位移，故僅對(duì)這兩方向位移進(jìn)行分析。且因框架結(jié)構(gòu)各榀框架相互平行，則只對(duì)第一榀框架的位移進(jìn)行分析。

3.1 框架結(jié)構(gòu)沉降變化分析

隧道開挖完成后，第一榀框架的沉降數(shù)值如圖4所示。

圖4 施工引起框架結(jié)構(gòu)的最終沉降（單位：mm）

圖5 施工引起框架結(jié)構(gòu)的水平位移（單位：mm）

由圖4可以得出如下結(jié)論:

1)隧道開挖引起框架各層梁沉降的變化規(guī)律及沉降數(shù)值基本相同，各層梁均在靠近隧道一側(cè)沉降最大，在遠(yuǎn)離隧道一側(cè)沉降最小，差異沉降達(dá)33.2 mm。

2)隧道開挖引起框架每根柱的沉降亦有靠近隧道開挖側(cè)最大、遠(yuǎn)離隧道開挖側(cè)最小的規(guī)律，且每根柱通長(zhǎng)的沉降變化除在樁底小有差異外，其余均無變化。

分析可知，隧道開挖引起框架各部分不同程度的沉降，且因梁柱的連接作用，使框架同一豎向截面上的沉降基本一致。

3.2 框架結(jié)構(gòu)水平位移變化分析

隧道開挖完成后，第一榀框架的水平位移數(shù)值如圖5所示。

由圖5可以得出如下結(jié)論:

1)施工引起框架每根柱的水平位移均有上大下小的規(guī)律，且各柱在同一標(biāo)高處除樁基部分小有不同外，其余部分均無差異?？拷淼篱_挖側(cè)框架樁的水平位移方向與其余樁位移方向不同，這是因?yàn)榇藰短庨_挖隧道上方，由于土體開挖應(yīng)力釋放引起該樁底部向隧道拱頂以右發(fā)生位移。

2)施工引起梁的水平位移亦有上大下小的規(guī)律，且各層梁通長(zhǎng)范圍內(nèi)的水平位移相同。

分析可知，隧道開挖引起框架各部分不同程度的水平位移，且因梁柱的連接作用，使框架的地上部分在同一水平面上的位移基本一致。因框架樁間無梁連接，框架樁在同水平面上的位移便小有差異。

4 框架結(jié)構(gòu)位移隨施工階段變化分析

4.1 框架結(jié)構(gòu)沉降隨施工階段變化分析

因框架每層梁的沉降數(shù)值相差不大，故僅對(duì)第一榀框架如圖6所示四個(gè)節(jié)點(diǎn)的沉降隨施工階段的變化進(jìn)行分析，并得到節(jié)點(diǎn)沉降隨施工階段的變化曲線圖(如圖7所示)。

由圖7可以得出如下結(jié)論:

1)框架各點(diǎn)沉降隨施工階段的進(jìn)行逐漸增大，且其變化曲線隨施工階段的進(jìn)行逐漸變緩。這是由于隧道開挖引起應(yīng)力釋放，導(dǎo)致土體沉降，相應(yīng)引起框架沉降。隨著施工階段的進(jìn)行，隧道開挖位置距離該榀框架越來越遠(yuǎn)，土體開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放對(duì)該榀框架的沉降影響也會(huì)越來越小，從而使各點(diǎn)沉降隨施工階段的變化曲線漸趨平緩。

2)節(jié)點(diǎn)沉降隨施工階段的變化曲線因節(jié)點(diǎn)距離隧道軸線長(zhǎng)度的增加而變緩。這是由于節(jié)點(diǎn)距離隧道軸線越遠(yuǎn)，其受隧道開挖影響越小。

圖6 沉降分析四節(jié)點(diǎn)示意圖

圖7 框架沉降隨施工階段的變化曲線圖

4.2 框架結(jié)構(gòu)水平位移隨施工階段變化分析

因框架每根柱的水平位移相差極小，故僅對(duì)第一榀框架如圖8所示四個(gè)節(jié)點(diǎn)的水平位移隨施工階段的變化進(jìn)行分析，并得到各節(jié)點(diǎn)水平位移隨施工階段的變化曲線圖(如圖9所示)。

圖8 水平位移分析四節(jié)點(diǎn)示意圖

圖9 框架水平位移隨施工階段的變化曲線圖

由圖9可以得出如下結(jié)論:

1)地面以上框架各點(diǎn)水平位移隨施工階段的變化規(guī)律大致相同。高度越高，節(jié)點(diǎn)水平位移隨施工階段的變化程度越劇烈。樁底節(jié)點(diǎn)的水平位移方向與上部框架節(jié)點(diǎn)位移方向相反，且其水平位移隨施工階段的變化不大。

2)各條曲線在后期施工階段變緩，這與隧道開挖對(duì)該層框架的影響減弱有關(guān)。

5 結(jié)語

隧道開挖引起框架結(jié)構(gòu)的差異位移與距離隧道軸線的長(zhǎng)度和框架的基礎(chǔ)形式有關(guān)。因該框架為樁基，且各樁之間無相互連接，其在控制結(jié)構(gòu)差異位移方面較差。實(shí)際工程中如遇此類情況，應(yīng)在隧道開挖時(shí)采用注漿加固地層的方法控制框架沉降，或在施工結(jié)束后采取糾偏措施糾正框架的差異沉降。也可考慮對(duì)框架基礎(chǔ)進(jìn)行加固，使框架基礎(chǔ)成為各部分相互關(guān)聯(lián)的整體，從而減小框架結(jié)構(gòu)各部分的差異位移。

框架位移隨施工階段的變化規(guī)律說明施工階段對(duì)框架結(jié)構(gòu)的影響是有限的。故應(yīng)在影響較為明顯的施工階段采取相應(yīng)的工程措施控制框架結(jié)構(gòu)的位移，這對(duì)控制框架結(jié)構(gòu)的最終位移效果最明顯。

[1]魏 綱，裘新谷，魏新江，等.鄰近建筑物的暗挖隧道施工數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2009，30(2):547-552.

[2]王瑁成，邵 敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].第2版.北京:清華大學(xué)出版社，1997.

[3]王紹君，劉宗仁，陶夏新.淺埋暗挖隧道施工性態(tài)的數(shù)值模擬與分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40(6):76-79.

[4]李 浩，王 濤，徐日慶.隧道施工對(duì)框架結(jié)構(gòu)及地表位移影響的數(shù)值分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(9):58-61.