隧道施工對鄰近擴大基礎(chǔ)橋梁結(jié)構(gòu)的影響研究

褚要武

摘 要：近年來，國家對鐵路發(fā)展的遠景規(guī)劃也擴展到山區(qū)、農(nóng)村，出現(xiàn)新建的鐵路越來越多，同時加之城市規(guī)劃和生態(tài)環(huán)保的需求，社會對環(huán)、水保工作要求的也越來越高，這使得隧道工程所占的比例不斷增大。由于隧道施工，會對周邊環(huán)境造成較大影響，土體結(jié)構(gòu)隨之改變，同時也很大程度上影響了周邊建筑物的安全性。

關(guān)鍵詞：隧道；地表位移；理論分析；建模

在隧道施工的過程十分艱難復(fù)雜，其中會遇到許多難解之題，這樣的情況下，有很大的可能會造成地層損失、局部地區(qū)地下水位大幅下降、地層表面及內(nèi)部穩(wěn)定性受到干擾，等等。這些嚴重的問題導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯且大幅度的變化，造成地面下沉的后果，嚴重影響附近地區(qū)和隧道施工建設(shè)的安全程度。為不再進行大面積拆遷，不建議采取明挖法。在隧道的施工過程中，比較常用的是暗挖施工.隧道礦山法施工，尤其在特殊地質(zhì)地段，礦山法已成為一種難以取代的方法由于其工程造價明顯低于盾構(gòu)法.對于很多城市采用礦山法進行隧道施工的情況來說，如何做到高效率的提高工程質(zhì)量，是隧道施工的重中之重，只有工程質(zhì)量提高，才能營造一個安全放心的隧道施工環(huán)境。因此，正確合理的計算出地表沉降的控制指標(biāo)對工程施工非常重要，因為地表沉降會對環(huán)境造成許多嚴重影響，如果能夠合理的得出指標(biāo)就能有效避免對環(huán)境的傷害。判斷地面變形程度主要是參考地層損失參數(shù)。地層損失包括兩種情況：造成地層損失的第一種情況是由于地表無法排水，原因是隧道在開挖初期或者剛剛通過盾構(gòu)時產(chǎn)生地層損失；第二種是因為土層進行緩慢改變且逐漸固結(jié)所產(chǎn)生地層損失。研究至今，已經(jīng)得出很多關(guān)于計算地面沉降的公式，遺憾的是，絕大多數(shù)的公式僅僅考慮了在不排水情況下產(chǎn)生的地層損失，并沒有考慮土層固結(jié)等引起的地面變形，通過初步計算再進行修正，使得結(jié)果盡可能地接近實測值.主要是因為很難全面考慮固結(jié)后的情況，因而始終不能有效解決由于固結(jié)產(chǎn)生沉降變形的問題。

1 理論探討和計算

現(xiàn)今存在許多影響隧道地層移動的因素，主要是由于隧道施工參數(shù)、開挖的深淺程度和隧道截面直徑、支護構(gòu)造、地理力學(xué)特點及其周邊環(huán)境共同造成的。一般來說，地表沉降槽的寬度隨著開挖隧道的深度增加而增加，從而地表沉降程度變小，結(jié)論為：

經(jīng)過多年研究，得出由于開挖隧道造成地面沉降變形的原因主要分為以下兩方面 ：一是因為隧道施工會使盆地沉降，但通過計算可以推算出地面沉降程度，該計算方法是以地面最大沉降量公式為基礎(chǔ)并假設(shè)地面沉降曲線滿足高斯分布的條件，計算公式為：

式中，為沉降槽的最大沉降量值， J代表到中心軸線的水平距離.為了使土壓達到平衡狀態(tài)，得出一個公式用來避免土層受干擾變形， 并通過隨即預(yù)測的方式

計算地面沉降程度，其計算公式為

另一方面，因為隧道施工使周邊環(huán)境發(fā)生變化，損害了環(huán)境的整體性，一定程度上影響了研究結(jié)果。為了能夠更加精準的計算出由于隧道施工造成的地面沉降，在不考慮固結(jié)帶來的影響的前提下，完善了高斯函數(shù)與屈服密度公式的缺憾，對比土層的構(gòu)造模型，采用有限元法得出沉降結(jié)果

觀察圖示1，由計算得出結(jié)論，實際測量結(jié)果與固結(jié)造成的地面沉降的結(jié)果相吻合。

圖1 沿隧道橫斷面地表沉降曲線

2 構(gòu)建模型

由于建筑的土體受重力影響，土層下沉已成為事實，假設(shè)新的沉降都是因為施工干擾了土體的穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^使用ANSYA10.0 軟件計算并設(shè)計模型。

2.1 基本假定

2.1.1 建立模型時，沒有全面考慮填充墻會對框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度所造成的的影響，錯誤的計算填充墻的數(shù)值，將填充墻荷載誤算成10 kN/m，樓板面的荷載規(guī)定為5 kN/m2。

2.1.2 假設(shè)一種情況，在進行隧道施工時，十字交叉梁基礎(chǔ)與附近土層表面之間產(chǎn)生相互作用

2.1.3 在工程實施中，柱子和基礎(chǔ)都是固接的，并且基礎(chǔ)采用了實體單元二柱子采用了梁單元，所以在二者之間需要建立了96個耦合約束方程，以便協(xié)調(diào)位移，傳遞彎矩。

3 有限元模型尺寸和邊界約束條件的確定

（1）依據(jù)PECK 的沉降槽理論，計算寬為：

其中，Z代表隧道深度；□代表土體中形成的摩擦角度，依據(jù)實地測量的報告估算出各層土體的內(nèi)摩擦角平均值，計算后沉降槽半寬為 17.5 m，在隧道軸線左側(cè)取30 m，若另一邊有建筑物，取50 m，這樣有效避模型邊界效應(yīng)的影響。

4 空間分析模型

為了正確，科學(xué)，合理的分析模型結(jié)果，以平面分析為基礎(chǔ)，應(yīng)該結(jié)合空間分析模型進行計算，這個主要原因有兩個方面：第一方面，平面模型具有一定的局限性。因為平面模型并不能全方位的反映出需要的信息，無法考慮不同構(gòu)造物的空間工作狀況，只能反映出最不利位置和工況的可能結(jié)果，構(gòu)造物與構(gòu)造物之間的聯(lián)系較繁雜，不能僅僅根據(jù)片面的分析就得出設(shè)計結(jié)論；第二方面，因為隧道內(nèi)部的橫豎曲線的半徑很小，因此應(yīng)該在分析模型中考慮該因素的影響。

5 關(guān)于力學(xué)模型的參數(shù)取值

本文采用計算機軟件進行建模和受力分析，并且是進行了平面應(yīng)變的受力分析計算，將道路下沉隧道、隧道管片襯砌的鋼筋混凝土假設(shè)為線彈性材料，圍巖考慮為彈塑性材料，對于平面模型和空間模型，力學(xué)參數(shù)取值是按照附近地段的工程地質(zhì)詳勘報告提供的巖土計算，如表1所示。

表1 某城市大道工程下沉隧道力學(xué)模型中巖土力學(xué)參數(shù)取值表

模型號 鉆孔號 土層名稱 土層代號 彈性模量

（Pa） 泊松比 密度（kg/m3） 內(nèi)聚力（Pa） 摩擦角（°）

1 MEZ3-SY-22 粉質(zhì)粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40endprint

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

2 MEZ3-SY-24 雜填土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

3 MEZ3-SY-26 淤泥質(zhì)土 <2-1B> 2.75E+06 0.00 1670 9600 10.40

粉細砂 <3-1> 1.00E+10 0.00 1890 0 0.00

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

4 MEZ3-SY-28 粉質(zhì)粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

6 結(jié)語

據(jù)試驗得出，隧道在施工時，會受到不同程度干擾形成固結(jié)，在分析地面沉降的同時要充分考慮土層固結(jié)狀況和損失情況，在推理得出計算土層孔隙水壓消散的公式，算出沉降變值，對比分析實際沉降值，當(dāng)土層固結(jié)變形與實際測量的結(jié)果相同時，會有利于提高工程實施的安全性。

參考文獻

[1] 姜忻良，趙志民，李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態(tài)的分析與計算叨[J].巖土力學(xué)，2004（10），25（10）：1542-1544.

[2] 劉洪震，趙運臣.廣州地鐵“越～三”區(qū)間盾構(gòu)工程地表沉降原因分析叨[J].隧道建設(shè)2002（3）.

[3] 裘伯永，盛興旺，喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國鐵道出版社， 2002.endprint

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

2 MEZ3-SY-24 雜填土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

3 MEZ3-SY-26 淤泥質(zhì)土 <2-1B> 2.75E+06 0.00 1670 9600 10.40

粉細砂 <3-1> 1.00E+10 0.00 1890 0 0.00

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

4 MEZ3-SY-28 粉質(zhì)粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

6 結(jié)語

據(jù)試驗得出，隧道在施工時，會受到不同程度干擾形成固結(jié)，在分析地面沉降的同時要充分考慮土層固結(jié)狀況和損失情況，在推理得出計算土層孔隙水壓消散的公式，算出沉降變值，對比分析實際沉降值，當(dāng)土層固結(jié)變形與實際測量的結(jié)果相同時，會有利于提高工程實施的安全性。

參考文獻

[1] 姜忻良，趙志民，李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態(tài)的分析與計算叨[J].巖土力學(xué)，2004（10），25（10）：1542-1544.

[2] 劉洪震，趙運臣.廣州地鐵“越～三”區(qū)間盾構(gòu)工程地表沉降原因分析叨[J].隧道建設(shè)2002（3）.

[3] 裘伯永，盛興旺，喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國鐵道出版社， 2002.endprint

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

2 MEZ3-SY-24 雜填土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

3 MEZ3-SY-26 淤泥質(zhì)土 <2-1B> 2.75E+06 0.00 1670 9600 10.40

粉細砂 <3-1> 1.00E+10 0.00 1890 0 0.00

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

4 MEZ3-SY-28 粉質(zhì)粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質(zhì)粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

微風(fēng)化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

強風(fēng)化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風(fēng)化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

6 結(jié)語

據(jù)試驗得出，隧道在施工時，會受到不同程度干擾形成固結(jié)，在分析地面沉降的同時要充分考慮土層固結(jié)狀況和損失情況，在推理得出計算土層孔隙水壓消散的公式，算出沉降變值，對比分析實際沉降值，當(dāng)土層固結(jié)變形與實際測量的結(jié)果相同時，會有利于提高工程實施的安全性。

參考文獻

[1] 姜忻良，趙志民，李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態(tài)的分析與計算叨[J].巖土力學(xué)，2004（10），25（10）：1542-1544.

[2] 劉洪震，趙運臣.廣州地鐵“越～三”區(qū)間盾構(gòu)工程地表沉降原因分析叨[J].隧道建設(shè)2002（3）.

[3] 裘伯永，盛興旺，喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國鐵道出版社， 2002.endprint