城市建筑物下隧道臺階法開挖數(shù)值分析

摘 要：文章運(yùn)用ANSYS有限元軟件，建立城市建筑物下隧道臺階法開挖的有限元模型，對不同圍巖等級、不同埋深法的條件下，比較和研究了建筑物、路面及基礎(chǔ)沉降、襯砌及錨桿受力等，得出在隧道設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)綜合考慮隧道埋深和土體特性等因素，在隧道修筑過程中，應(yīng)盡量使上下拱圈平滑相交，盡量避免出現(xiàn)應(yīng)力突變。

關(guān)鍵詞：隧道開挖；沉降；隧道埋深；圍巖等級

1 有限元模型的建立

隧道模型的基本數(shù)據(jù)如下：由兩同心圓斷面構(gòu)成，半徑分別為5.45m與4.55m，縱向長度取100m，巖體底部與隧道底部的距離約為30m。設(shè)置邊界條件如下：上邊界為自由邊界，至地表；其余三邊取為約束邊界，側(cè)邊限制水平向位移，對于底邊，限制其水平和豎向位移。建筑物樓層數(shù)取7層，每層3米，基礎(chǔ)混凝土標(biāo)號取為C20，彈性模量大小為25.5Gpa，泊松比0.2，密度2.5g/cm3，樓層采用C30混凝土，彈性模量為30Gpa，泊松比取0.2，密度為2.5g/cm3。使用三種單元進(jìn)行模擬：實(shí)體單元（Plane42），用于模擬圍巖；桿單元（Link1），用于模擬錨桿；梁單元（Beam3），用于模擬鋼拱架、噴射混凝土和建筑物的。

2 綜合對比分析

2.1 相同圍巖等級，不同埋深結(jié)果分析

由圖1中可知，在圍巖等級為Ⅰ類時(shí)，埋置深度不同時(shí)，隨隧道埋深增加，建筑物基礎(chǔ)沉降逐漸增大。圍巖等級越高就意味著圍巖質(zhì)量越差，基礎(chǔ)沉降也越大。

對隧道拱頂各節(jié)點(diǎn)沉降分析可知，均呈對稱光滑曲線分布。由圖和數(shù)據(jù)分析可得，在中心軸線處，路面隧道頂部沉降最大，最大路面沉降小于最大拱頂沉降，路面沉降小于拱頂沉降；對于位移，隧道側(cè)壁位移小于拱頂位移。

隧道埋置深度條件不同時(shí)，錨桿單元頂部由側(cè)壁中點(diǎn)到隧道拱頂處主要承受拉力，拱圈上半部與下半部銜接處，主要承受壓力，數(shù)值逐漸增大；對于Ⅰ類圍巖：埋置深度為3米和5米的錨桿頂部單元，在拱頂處，軸力突變現(xiàn)象會(huì)發(fā)生；當(dāng)埋置深度大于10米后，隨著軸力的逐漸增大，軸力突變現(xiàn)象逐漸消失。由圖可見，錨桿底部單元均受拉力，受力大小比錨桿頂部所受拉力大，以隧道鉛垂方向直徑為軸呈對稱分布，隨著隧道埋深的增加，錨桿頂部和底部單元應(yīng)力均逐漸增大。

由圖1可知，隨著隧道埋深的增加，襯砌單元應(yīng)力數(shù)值逐漸增大，不同的是，隧道頂部和底襯砌單元以受拉為主，而側(cè)壁單元以受壓為主。不同埋深條件下，各單元所受彎矩相差不大。

相同圍巖種類，埋置深度不同時(shí)，由圖示可知，隧道埋深增加的同時(shí)，路面沉降逐漸增大。另外，對地表的影響范圍以及所引起的路面沉降槽，隨著隧道深度越大而逐漸變大。

由圖1數(shù)據(jù)分析可以得出：對應(yīng)不同得隧道埋置深度時(shí)，在其他各類圍巖等級條件下，得出了與Ⅰ類圍巖相似的數(shù)據(jù)，所不同的是，隨著圍巖等級的不斷提高，隧道埋置深度的增加，路面沉降、隧道拱頂沉降均逐漸增大。所以，在城市隧道施工過程中，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)隧道拱頂和側(cè)壁中點(diǎn)處。隨著圍巖等級的不斷提高，隧道埋置深度的增加，所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)也相應(yīng)有所增大。

在同樣圍巖級別下，建筑物基礎(chǔ)及隧道沉降變形的差異在不同的隧道埋置深度條件下也是很大的。所以只采用圍巖等級來進(jìn)行設(shè)計(jì)是不夠的，土體特性還應(yīng)該充分考慮，而對于地質(zhì)條件非常復(fù)雜的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)隨圍巖性質(zhì)的不同，及時(shí)調(diào)整施工方法。

2.2 隧道相同埋置深度，不同圍巖等級條件下的結(jié)果分析

不同類型圍巖結(jié)果對比分析，從圖2可得：隨著圍巖等級的逐漸提高，路面沉降值逐漸增大，尤其，較前三類圍巖，路面沉降值在Ⅳ、Ⅴ類圍巖等級時(shí)顯著增加。

由于建筑物基礎(chǔ)與拱頂上周無任何接觸，所以不存在位移突變，城市隧道拱頂節(jié)點(diǎn)沉降至所成曲線，為一條光滑對稱曲線，形成的拋物線比較光滑。

從圖2可以得出，隨圍巖等級的增大，建筑物的基礎(chǔ)表面節(jié)點(diǎn)沉降值逐漸增大。在中心軸線處，路面、建筑物基礎(chǔ)和隧道頂部的沉降值最大，隨圍巖等級的增大，圍巖質(zhì)量越差，沉降值越大。

由圖1可以看出：埋深為5m、10m、15m、20m時(shí)，所得數(shù)據(jù)在不同種類圍巖條件下，在形式上與埋深3m時(shí)的相似，所不同的是，路面沉降值、基礎(chǔ)表面沉降值和拱頂沉降值，隨著圍巖等級的增加均逐漸增大；而對于應(yīng)力突變現(xiàn)象，在錨桿頂部的拱頂中央處，此現(xiàn)象也逐漸消失，越靠近隧道頂部，錨桿的拉力越大；在隧道上下半部交匯處，錨桿底部的應(yīng)力突變現(xiàn)象還是存在，越靠近隧道頂部錨桿的拉力越大；在隧道上下半部交匯處，襯砌單元的軸力和矩也存在應(yīng)力突變現(xiàn)象。所以，在城市隧道施工過程中，應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)隧道側(cè)壁中點(diǎn)處。隨著圍巖等級的增加，在不同埋深時(shí)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的相應(yīng)值逐漸增大。

3 結(jié)束語

當(dāng)隧道埋置深度相同時(shí)，降隨圍巖等級的提高，地表沉降值、建筑物基礎(chǔ)表面沉降值和隧道圍巖拱頂沉降值逐漸增大；支護(hù)體系中，降隨圍巖等級的提高，錨桿的軸力和襯砌的彎矩也逐漸增大。隧道側(cè)壁中點(diǎn)處有應(yīng)力突變現(xiàn)象，因此，在隧道修筑過程中，應(yīng)盡量使上下拱圈平滑相交。

參考文獻(xiàn)

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