緊鄰重要結(jié)構(gòu)物隧道施工力學(xué)分析與控制技術(shù)

王 猛 張艷艷

(1.北車建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100078； 2.重慶隧源建筑勞務(wù)有限公司，重慶 400000)

緊鄰重要結(jié)構(gòu)物隧道施工力學(xué)分析與控制技術(shù)

王 猛1張艷艷2

(1.北車建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100078； 2.重慶隧源建筑勞務(wù)有限公司，重慶 400000)

以重慶軌道交通三號(hào)線華新街至觀音橋區(qū)間隧道工程為背景，利用ANSYS有限元軟件對(duì)隧道開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了力學(xué)模擬，重點(diǎn)分析了地面建筑密集地段隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工的穩(wěn)定性，并以隧道施工安全為目標(biāo)、控制沉降為基本條件，分析了開(kāi)挖中產(chǎn)生應(yīng)力、位移的原因，據(jù)此提出了安全的施工控制措施。

軌道交通，隧道開(kāi)挖，力學(xué)分析，有限元分析

0 引言

城市土地資源日趨緊張，發(fā)展地下空間成為人類在地球上生活的第二空間[1]。城市軌道交通多數(shù)位于繁華地段，對(duì)隧道建設(shè)提出了更高要求，處理不當(dāng)將造成土體不均勻沉降，從而引發(fā)隧道安全隱患，以及建筑結(jié)構(gòu)的變形甚至破壞。施工中處理好隧道開(kāi)挖與緊鄰結(jié)構(gòu)物的關(guān)系成為研究的重點(diǎn)。許多文獻(xiàn)中以建筑物安全為目標(biāo)，充分研究施工對(duì)建筑物基礎(chǔ)沉降、結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大小[2，3]。因隧道下穿施工引起結(jié)構(gòu)物的局部?jī)A斜是影響其安全和穩(wěn)定的主要因素，按國(guó)家規(guī)定傾斜率3/1 000為最大局部?jī)A斜值[4]。而地表構(gòu)筑物與地下隧道施工之間會(huì)產(chǎn)生彼此相互影響，地表構(gòu)筑物地基對(duì)地表上部荷載的傳遞是向下逐漸擴(kuò)散的[5]。鑒于緊鄰結(jié)構(gòu)物的隧道施工由于圍巖及覆蓋結(jié)構(gòu)物的不同，而產(chǎn)生應(yīng)力的不確定性，很多研究都只是針對(duì)自己實(shí)際面對(duì)的模型進(jìn)行的數(shù)值模擬研究[6-10]，結(jié)論也不一而終。

本文將上部結(jié)構(gòu)物換算為等效荷載施加在基礎(chǔ)上，并且著重考慮施工工法在隧道施工中的穩(wěn)定性以及對(duì)結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的沉降分析。

1 工程概況

重慶軌道交通三號(hào)線華新街—觀音橋區(qū)間隧道共長(zhǎng)929.407 m，其中隧道臨近終點(diǎn)段位于觀音橋步行街下穿道西側(cè)，緊鄰黃金海岸，周邊主要有愛(ài)爾眼科醫(yī)院、405車站以及觀音橋商業(yè)步行街多家商場(chǎng)，交通及人流量十分大，管線星羅密布，隧道開(kāi)挖輪廓線距黃金海岸商鋪地下室僅0.7 m；隧道拱頂給水管、排水管、燃?xì)夤?、光纜等各種管線密布，并且老化陳舊，部分管線位于隧道開(kāi)挖輪廓線2 m范圍內(nèi)；區(qū)間地質(zhì)條件較差，該段隧道長(zhǎng)約45 m，斷面寬11.9 m，高10.95 m，埋深5 m，暗挖法施工，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖。

隧道與周邊結(jié)構(gòu)物的關(guān)系如圖1所示。

2 力學(xué)分析

力學(xué)分析采用ANSYS大型有限元分析軟件，在計(jì)算中做如下假設(shè)：

1)使用二維平面應(yīng)變模型進(jìn)行數(shù)值模擬；

2)在計(jì)算范圍內(nèi)的圍巖為均勻的土層；

3)將隧道頂部施加豎向附加應(yīng)力等效為上部結(jié)構(gòu)物。

2.1 計(jì)算條件

1)橫向計(jì)算范圍：隧道開(kāi)挖左右邊線外各取75 m；

2)豎向計(jì)算范圍：隧道拱部及底部開(kāi)挖邊線外各取15 m；

3)約束條件：底部加豎向約束，左右各加水平約束；

4)計(jì)算中材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

1)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

各開(kāi)挖步驟圍巖的應(yīng)力場(chǎng)。開(kāi)挖第一部分的應(yīng)力場(chǎng)，如圖2a)所示；開(kāi)挖第二部分的應(yīng)力場(chǎng)，如圖2b)所示；開(kāi)挖第三部分的應(yīng)力場(chǎng)，如圖2c)所示；開(kāi)挖第四部分的應(yīng)力場(chǎng)，如圖2d)所示。

2)位移計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵點(diǎn)位移。拱頂豎向位移變化曲線，如圖3a)所示；拱底豎向位移變化曲線，如圖3b)所示；左側(cè)邊墻中點(diǎn)水平位移變化曲線，如圖3c)所示；右側(cè)邊墻中點(diǎn)水平位移變化曲線，如圖3d)所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)圍巖主應(yīng)力場(chǎng)分析。

從施工過(guò)程中各開(kāi)挖步中圍巖的第一和第三主應(yīng)力圖我們可以看出，圍巖在整個(gè)過(guò)程中承受的最大壓應(yīng)力為5.33 MPa，它小于Ⅴ級(jí)圍巖的抗壓強(qiáng)度。在中隔壁支撐的圍巖處出現(xiàn)了很大的拉應(yīng)力，最大達(dá)到2.69 MPa，在圍巖的抗拉強(qiáng)度以內(nèi)，其處于安全狀態(tài)。

2)位移變化分析。

拱頂在初始自重場(chǎng)中的沉降量為1.405 cm，到二襯施作完畢后沉降量為1.445 cm，在整個(gè)施工過(guò)程中共下沉0.04 cm；拱底在整個(gè)施工過(guò)程中上升了0.25 cm；拱墻左側(cè)邊緣點(diǎn)在整個(gè)施工過(guò)程中向右偏移了0.03 cm；拱墻右側(cè)邊緣點(diǎn)在整個(gè)施工過(guò)程中向左偏移了0.04 cm。

3 施工控制措施

根據(jù)本工程緊鄰重要結(jié)構(gòu)物的顯著特點(diǎn)及以上力學(xué)分析，在施工中提出以下施工控制措施：

1)WSS超前預(yù)注漿。

在隧道進(jìn)行開(kāi)挖之前，通過(guò)采用WSS超前預(yù)注漿技術(shù)，對(duì)掌子面前方開(kāi)挖輪廓線2 m范圍以內(nèi)的土體進(jìn)行全斷面預(yù)加固，注漿孔進(jìn)行全斷面(回填土范圍)布置，掌子面間距為1 000 mm(根據(jù)土層情況及注漿效果可采取動(dòng)態(tài)調(diào)整)，周邊孔間距為400 mm，外插角確保開(kāi)挖輪廓線外固結(jié)圈不小于2 m，每6 m施作一循環(huán)，鉆孔深8 m，搭接2 m。

2)開(kāi)挖及支護(hù)。

按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，隧道分成四個(gè)部分開(kāi)挖，各部分開(kāi)挖施工間隔為3 m～4 m，每次開(kāi)挖進(jìn)尺為一榀拱架間距，嚴(yán)禁多榀一次開(kāi)挖。拱部支護(hù)采用φ51超前自進(jìn)式錨桿，錨桿長(zhǎng)L=5 000 mm、環(huán)向間距為300 mm、縱向?yàn)?.5 m，錨桿施工完畢后應(yīng)立即注漿。

3)緊鄰結(jié)構(gòu)物的保護(hù)。

加強(qiáng)施工過(guò)程中對(duì)緊鄰結(jié)構(gòu)物的監(jiān)控量測(cè)，加大對(duì)擋墻基礎(chǔ)注漿加固，嚴(yán)格控制緊鄰結(jié)構(gòu)物、人行通道、擋墻及路面的下沉，確保隧道自身及周邊結(jié)構(gòu)物的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)力學(xué)分析表明，本工程隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖是可行的；數(shù)值分析施工過(guò)程中拱頂及其他關(guān)鍵點(diǎn)的變形量都比較小，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)；同時(shí)，在拱頂處初襯可能會(huì)出現(xiàn)小范圍的開(kāi)裂，施工中應(yīng)加以注意，采取應(yīng)對(duì)措施加以控制。

2)在緊鄰結(jié)構(gòu)物的淺埋暗挖地段進(jìn)行隧道施工中，本工程提出了WSS超前預(yù)注漿、控制進(jìn)尺、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、嚴(yán)控變形等等施工控制措施來(lái)確保在施工過(guò)程中隧道自身以及周邊結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定。

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[4] GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

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Mechanical analysis and control technology of tunnel construction near important structures

Wang Meng1Zhang Yanyan2

(1.BeicheConstructionEngineeringCo.,Ltd,Beijing100078,China;2.ChongqingSuiyuanBuildingandLaborServiceCo.,Ltd,Chongqing400000,China)

Taking the tunnel engineering of Huaxin street-Guanyin bridge of Chongqing rail transit No.3 line as an example, the paper carries out mechanical simulation of tunnel excavation impact with ANSYS finite software, analyzes construction stability of double-side-drift method at crowded buildings section, takes tunnel construction safety as target and subsidence control as basic conditions, analyzes excavation stress and displacing causes, and finally puts forward construction safety controlling measures.

rail transit, tunnel excavation, mechanical analysis, finite element analysis

2014-12-19

王 猛(1979- )，男，碩士，工程師； 張艷艷(1986- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)06-0157-03

U455

A