軟巖隧道中環(huán)形開挖方法控制沉降的主要影響因素

（重慶市渝中區(qū)第九建筑工程公司，重慶 400015）

軟巖隧道中環(huán)形開挖方法控制沉降的主要影響因素

伍川生

（重慶市渝中區(qū)第九建筑工程公司，重慶 400015）

文章介紹了離心模型試驗(yàn)和三維彈塑性有限元分析的結(jié)果對環(huán)形開挖法在約束前面隧道圍巖的地面沉降方面上的影響進(jìn)行了澄清。在軟土地及附近，利用離心加載狀態(tài)下的機(jī)器人開挖一個模型隧道，用一個高精度的圖像分析系統(tǒng)測量隧道表面在此過程中的沉降量。在兩種不同的力學(xué)性能的土質(zhì)中，將全斷面開挖方法產(chǎn)生的沉降與環(huán)形開挖方法產(chǎn)生的沉降兩者進(jìn)行比較。在低強(qiáng)度地面時，環(huán)形開挖方法造成的最大沉降為全斷面開挖方法產(chǎn)生的最大沉降的36%，在高強(qiáng)度地面時，環(huán)形開挖方法造成的最大沉降則為全斷面開挖方法的58%。應(yīng)用三維彈塑性有限元分析對這些現(xiàn)象進(jìn)行考慮。

沉降離心機(jī)；開挖試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；機(jī)器人挖掘；有限元方法

近年來，新奧法（NATM）已通過了關(guān)于深度淺的軟地基上建設(shè)城市隧道的相關(guān)規(guī)定。采用新奧法的原因主要是這種方式比原有的隧道開挖方法更節(jié)約成本，而且針對不同類型的地面條件深度淺的軟地基上建設(shè)城市隧道具有更靈活的應(yīng)用。在軟土地基上由隧道施工所產(chǎn)生的沉降可能會嚴(yán)重?fù)p害鄰近結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有的服務(wù)設(shè)施。建設(shè)城市隧道的施工環(huán)境變得越來越迫在眉睫。

1 概述

為了使新奧法更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，提出在地面條件復(fù)雜的城市地區(qū)通過環(huán)形開挖方法。該方法不需要任何額外的分析，將增加隧道表面的穩(wěn)定性并減少隧道表面前的沉降。環(huán)形開挖方法付諸使用之后，斷裂前清晰的位移值已由柳2009年給出。他針對一個多面新奧隧道在軟弱地基中的性能進(jìn)行了彈塑性三維有限元分析，并得出環(huán)形開挖方法在沉降發(fā)生特點(diǎn)方面的影響。

軟土地區(qū)可能出現(xiàn)一些機(jī)械特性、或者是依賴應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系產(chǎn)生的非線性圍壓關(guān)系，這些都會影響地面沉降值。一個適合適的本構(gòu)模型對于適當(dāng)?shù)奈灰祁A(yù)測是至關(guān)重要的。

為了用實(shí)驗(yàn)的方法澄清這一點(diǎn)，離心模型試驗(yàn)用機(jī)器人挖掘了兩種不同施工環(huán)境下的隧道進(jìn)行研究。將環(huán)形開挖方法所得的沉降量與全斷面開挖方法所得的沉降量進(jìn)行比較。補(bǔ)充三維彈塑性有限元方法的數(shù)值分析，并付諸試驗(yàn)，研究該環(huán)形開挖方法作為一種影響審查沉降的主要因素有哪些。

2 離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)體系

該裝置采用離心模型試驗(yàn)，即采用挖掘機(jī)器人控制的計算機(jī)程序、圖像分析系統(tǒng)測量的沉降點(diǎn)，該方法已經(jīng)被Hisatake和Ohno于2008年和Hisatake等人于 2009年所使用。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)場地不是在原位場地，試驗(yàn)場地進(jìn)行充分壓實(shí)。他們由石英砂，水泥，高嶺土和水組成。兩種養(yǎng)護(hù)方式，2天和4天，用于制造不同的機(jī)械特性的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為每一個案件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系都使用圖表進(jìn)行表明。它們強(qiáng)烈表明圍壓依賴和非線性。

2.3 開挖方法

兩種開挖方法，全斷面開挖方法和環(huán)形開挖方法，通過對比，驗(yàn)證環(huán)形開挖方法在減少沉降方面更有利。

2.3.1 全斷面開挖方法

應(yīng)用全斷面開挖方法從門開始挖，5mm一次，使總開挖深度40mm。

2.3.2 環(huán)形開挖開挖方法

在環(huán)形開挖中保證開挖深度為5mm，重復(fù)8次，以是總的開挖深度為40mm。場地核心預(yù)留在隧道的中心處。面積約為全斷面開挖面積的55%，因此，該地區(qū)的核心區(qū)域仍然保持在45%。

3 考慮三維彈塑性有限元分析——下沉對塑性區(qū)域的影響

進(jìn)行三維彈塑性有限元分析，并且補(bǔ)充一些考慮。分析輸入值，確定三軸壓縮試驗(yàn)的參考結(jié)果。地面應(yīng)該是一個完整的彈塑性材料，并且符合-莫爾庫侖破壞準(zhǔn)則以及相關(guān)流動法則。彈性模量的價值在于確定在隧道開挖前，在隧道中心、對應(yīng)于圍壓水平應(yīng)力的三軸壓縮試驗(yàn)的的壓縮系數(shù)。環(huán)形開挖和全斷面開挖方法分析顯示，在每種情況下，塑性區(qū)的研究分析都是必不可少的。仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)性場地轉(zhuǎn)換成重力場的分析模型。對應(yīng)于那些在實(shí)驗(yàn)中采用的分析方法，對隧道的幾何和開挖過程進(jìn)行分析。

在塑性區(qū)域的最后階段中。全斷面開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)域在隧道表面可以看出。另一方面，環(huán)形開挖方法開挖所產(chǎn)生的塑性區(qū)域在隧道表面很難看出。在隧道表面處塑料地區(qū)爆發(fā)受環(huán)形開挖核心抑制。因此，核心穩(wěn)定了隧道的表面，并且抑制了隧道表面的沉降。

同時對地面條件的情況進(jìn)行分析可以得到相應(yīng)的結(jié)果。全斷面開挖所產(chǎn)生的塑性區(qū)域可以再表面后部較低的地方看到，在表面處看不到。此外，環(huán)形開挖方法產(chǎn)生的塑性區(qū)發(fā)生輕微的核心部分，但他們沒有發(fā)生其他地方。簡而言之，在全斷面開挖中，塑性區(qū)在表面前的地面上不能發(fā)生，而且核心抑制爆發(fā)塑料區(qū)域的效果也不能指望地面有足夠的強(qiáng)度。

4 結(jié)論

4.1 離心模型試驗(yàn)用挖掘機(jī)器人已進(jìn)行了地面條件不同機(jī)械特性的隧道的挖掘。環(huán)形開挖和全斷面開挖的過程中已澄清了沉降特性。

4.2 在低強(qiáng)度方案中，環(huán)形開挖產(chǎn)生的最大下沉量約為全斷面開挖產(chǎn)生的36%。這表明，環(huán)形開挖方法在減小沉降方面是非常有效的。另外，在高強(qiáng)度的方案中，環(huán)形開挖產(chǎn)生的最大下沉量約為全斷面開挖產(chǎn)生的58%。

4.3 用三維彈塑性有限元分析離心模型試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較兩種方法的塑性區(qū)大小。通過分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、塑性區(qū)的比較來衡量沉降量的大小，并得出如下結(jié)論：（1）當(dāng)全斷面開挖的隧道表面出現(xiàn)塑性區(qū)域時，可采用環(huán)形開挖方法降低這種情況發(fā)生程度，環(huán)形開挖方法在減小沉降方面的效果是可以預(yù)見的。（2）核心區(qū)域的存在使環(huán)形開挖方法在隧道表面最小主應(yīng)力的減小受到限制，也導(dǎo)致了變形系數(shù)值的減小。核心有助于維持隧道開挖面軸向壓力。當(dāng)變形系數(shù)對圍壓的依賴性高的時候，核心對變形的影響是可以預(yù)測的。換句話說，環(huán)形開挖方法的影響，尤其是對于抑制下沉方面的影響，其影響程度隨著變形系數(shù)對圍壓的依賴性發(fā)生變化。

這項研究闡明了環(huán)形開挖方法影響了下沉隧道沉降量，在此項研究中，環(huán)形開挖方法與全斷面開挖方法之間的比例為55%。然而，環(huán)形開挖開挖的影響不僅由環(huán)形開挖面積比率控制，而且受核心區(qū)、隧道形狀等因素的制約?；谝陨系囊蛩兀瑢憝h(huán)形開挖方法在抑制地面下沉方面的影響是有望預(yù)見的。

[1] Aksoy， C．O．， Onargan， T．， 2010傘拱和面螺栓在支撐建筑物，防止建筑物變形方面所起的作用[J]．隧道與地下空間技術(shù)，553-559．

[2] Bernaud， D．， Maghous， S．， de Buhan， P．， Couto， E．， 2009 一個將隧道設(shè)計為一個均質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)值方法[J]．隧道及地下空間的技術(shù)，533-546．

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