高層建筑物下隧道圍巖應力的分析

摘要：現(xiàn)代化城市合理利用地下空間來解決人們生活中存在的交通擁堵問題。因此更加合理的開發(fā)項目，就顯得尤為重要。本文結(jié)合某開發(fā)項目中，綜合分析城市高層建筑物的地基基礎(chǔ)，探索地下隧道圍巖，使其二者相互作用。通過數(shù)據(jù)模擬，運用隧道圍巖應力分布曲線，得到應力集中作用范圍，為今后發(fā)展地下空間工程項目、工程設(shè)計提供有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道施工 應力 高層建筑

0 引言

城市綜合癥的存在嚴重影響著社會的發(fā)展和城市化進程，諸如環(huán)境污染、交通阻塞、基礎(chǔ)建設(shè)不完善以及生態(tài)平衡的破壞對一個城市的正常運行起到了阻礙作用。為了保證人們的正常生存、治療城市綜合癥，我們要充分的利用好城市的地下空間，以確保城市的順利發(fā)展。由于城市用地嚴重稀缺，工業(yè)化占地日益嚴重，所以高層建設(shè)是現(xiàn)代化城市必須的產(chǎn)物。深層施工基礎(chǔ)工藝隨著高層建筑的發(fā)展而迅速壯大，在整個施工中，基礎(chǔ)工程的好壞直接影響著工程造價和工期。

筆者參與了某城市地下空間建設(shè)項目的整個施工過程。該項目是在城市高層建筑下20米打通一個鐵路運輸隧道。該隧道高7.5米，跨度為6米，從隧道的結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定角度加以分析，考慮到該隧道沒經(jīng)過天然和人工擾動，總結(jié)了隧道開挖后的四種狀態(tài)。利用2D-σ有限元結(jié)構(gòu)分析程序，分析了地面高層建筑的地基變形特點、受力情況以及隧道圍巖的應力。

1 工程介紹

該工程位于某繁華城市中心地段，施工面積23萬平方米，該面積內(nèi)有12座高層建筑和8座多層建筑。其中多層建筑為5-8層，56米長，這些建筑的上層結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，底層為框架結(jié)構(gòu)，采用樁深6.5米，樁徑600毫米，樁距為2米的挖空樁作為地基，該建筑建設(shè)在砂巖層上。高層建筑為18-25層不等，建筑跨度為長42米，寬18米，將框架剪力墻結(jié)構(gòu)作為其上層結(jié)構(gòu)，地基仍采用挖孔樁。其中樁深12.5米，樁徑1米，樁距為4米，采用端承樁作為其地基結(jié)構(gòu)，也就是說可以忽略不計樁側(cè)收到的阻力情況，樁端承受了大部分的樁頂負荷，還建筑同樣建立在砂巖層上。根據(jù)城市規(guī)劃需要，要在該面積區(qū)域地下打通一條鐵路隧道，該隧道高7.5米，跨度為6米，距地面20米。隧道距離多層建筑地基最近水平距離為7.5米，最近垂直距離為16.5米，距離高層建筑地基最近水平距離為8米，最近垂直距離為12米。

根據(jù)上面實際勘察的數(shù)據(jù)資料顯示，我們總結(jié)如下數(shù)據(jù)：a.地質(zhì)狀況：良好；b.地勢：相對平緩，南高北低；c絕對標高：+254米至+270米。其組成和各層特性簡述如下：

1.1 雜填土:主要由建筑垃圾、炭灰渣、生活垃圾等組成，厚度由1.2-28米不等，其中夾石塊，硬質(zhì)物塊徑一般為10-100毫米，含量22%-31%，結(jié)構(gòu)松弛，需地基處理。

1.2 粉質(zhì)粘土:褐黃色，厚度為0.8-1米不等，夾少量碎石，粘粒含量30%～50%，塑性指數(shù)12，可塑。

1.3 泥巖:層理不明顯，呈塊狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，黃色或紫紅色，厚度1.4-4.6m不等，砂質(zhì)含量重。強風化巖芯多呈碎塊狀，質(zhì)軟，強度低；中風化巖芯多呈柱狀，質(zhì)硬，完整性好。碎石土，漂石、塊石，顆粒含量59%。

1.4 砂巖:厚度勘察從4.6米以下全部為砂眼，淡褐色或紅色。中粒結(jié)構(gòu)，中等厚度狀構(gòu)造.巖芯多呈柱狀，質(zhì)較硬，完整。

2 計算模型的建立

2.1 計算范圍的確定。我們以地表作為重點，從兩方面考慮應力狀態(tài)和變形情況。一是建筑物基礎(chǔ)，二是地下隧道圍巖范圍。通過有限元計算范圍，其重點考慮分為以下幾個方面：

2.1.1 水平方向。我們通過數(shù)據(jù)采集、計算，得到研究對象范圍寬度為55米左右。因為地下隧道位于兩棟多層或高層建筑物之間，其距離為55米左右。

2.1.2 深度方面。我們通過實際數(shù)據(jù)、計算，得到研究對象范圍為54米。因為地下隧道頂板距地表為20米，高7.5米，我們研究的實際區(qū)域范圍在洞高4倍范圍內(nèi)。

2.1.3 為了減少通過有限元結(jié)構(gòu)分析出現(xiàn)的誤差，我們根據(jù)水平方向左右延伸30米左右距離和隧道地板在深度方向延伸30米這樣一個規(guī)定范圍內(nèi)，來確定計算范圍在斷面的水平方向為110米，深度方向為75米。此數(shù)據(jù)來源，是我們避免了由于有限元結(jié)構(gòu)分析所采用的邊界條件與實際地層巖體的真實邊界條件之間的差異多帶來的計算誤差。

2.2 力學模型與計算邊界約束條件的確定。為了簡化分析問題，我們可以采用巖體原始地應力勘察檢測數(shù)據(jù)，結(jié)合對應區(qū)域的實際地址構(gòu)造狀況，近似的將三維問題轉(zhuǎn)化為平面問題來進行處理。我們在研究區(qū)域進行有限元數(shù)值分析，其分析對象是一個非常復雜的三維地質(zhì)體。我們可以通過選定的區(qū)域數(shù)值計算方法，來分析、計算、解決問題。我們將所選擇的研究區(qū)域的泥巖和砂巖作為主題研究對象，利用其非勻質(zhì)、低抗拉的介質(zhì)特性，利用一定泥巖和砂巖的線性變形特征，較長的變形彈性段，采用各向同性的線彈性模型，來進行邊界約束條件的確定，盡管在其最后得出的計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)存在誤差。

2.3 不同計算工況的考慮。作者根據(jù)實際情況對工程的施工情況做了4種情況分析，每種情況都具有一定的意義，以下為描述：①在地面沒有建筑物的情況下，也沒有對地下隧道進行支護。該階段表示，地面不存在高層建筑物的情況下對地下硐室、隧道等項目施工。②在地面具有高層建筑物的情況下，沒有對地下隧道進行支護。該階段表示，在地面存在高層建筑物的情況下對無支護地下隧道、硐室進行施工。③在地面沒有高層建筑的情況，對地下隧道及硐室進行支護操作。該階段表示了沒有地面高層建筑的狀態(tài)下，對地下隧道及硐室的建設(shè)施工完成。④在地面具有高層建筑的情況下，地下隧道及硐室進行支護操作。該階段表示了地面具有高層建筑，地下隧道或硐室完成建筑施工。

本文從位移變形及圍巖應力變化的角度分析隧道的關(guān)鍵部位，重點研究了隧道的三個垂直剖面和四個水平剖面，如圖1所示。

3 計算結(jié)果分析

通過對施工情況的四結(jié)點等參數(shù)的分析，利用2D-σ有限元結(jié)構(gòu)分析程序?qū)W(wǎng)格進行的自動剖析，研究了該區(qū)域內(nèi)的數(shù)值模擬問題，通過計算生成了1352個單元。數(shù)據(jù)輸入卡片的運用使得結(jié)構(gòu)分析過程節(jié)省了大量的人力及誤差，提高了該分析結(jié)果的可靠性。上述四種情況中，有支護有高層建筑狀態(tài)下，分析結(jié)果如圖2，圖3所示。

在本文的計算范圍內(nèi)對第一主應力σ1的分布規(guī)律加以分析，得出以下結(jié)論：該工程的計算范圍內(nèi)，壓應力是該第一主應力σ1的主要部分；應力集中效應在硐室附近表現(xiàn)非常突出，其第一主應力σ1要遠大于其他部分；壓應力是硐室周圍墻體所受到的第一主應力，隧道拱形頂部受到的第一主應力為拉應力；從隧道硐室向外并逐漸增大的分布著第一主應力σ1。

4 結(jié)論

高層建筑下隧道的穩(wěn)定性取決于高層建筑物地面負載以及圍巖的自重，其中起決定作用的是高層建筑的負載。開挖的隧道硐室周圍會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：墻體第一主應力為壓應力，洞頂拱形部分第一主應力為拉應力。應力傳遞不規(guī)則且應力梯度分布在以硐室為中心的部分，即離硐室越近受到的應力越大，反之越小。文章中只考慮了隧道硐室支護處理上的襯砌的作用，忽視了錨桿的加固支護效果，希望在以后的研究中對錨桿支護加以著重分析。

參考文獻：

[1]郭瑞，方勇，何川.隧道開挖過程中應力釋放及位移釋放的相關(guān)關(guān)系研究[J].鐵道工程學報.2010(09).

[2]楊樹新，李宏，白明洲，許兆義.高地應力環(huán)境下硐室開挖圍巖應力釋放規(guī)律[J].煤炭學報.2010(01).

[3]李俊鵬，段小強，閆小虎.開挖過程中隧洞圍巖應力釋放規(guī)律的數(shù)值研究[J].水利與建筑工程學報.2007(04).

[4]潘岳，王志強，吳敏應.巷道開挖圍巖能量釋放與偏應力應變能生成的分析計算[J].巖土力學.2007(04).

[5]夏永旭，王文正，胡慶安.圍巖應力釋放率對雙聯(lián)拱隧道施工影響研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù).2005(03).

作者簡介：張兵兵（1979-），男，遼寧沈陽人，碩士學位，工程師，研究方向為城市橋梁及隧道的設(shè)計工作。