平行隧道施工對(duì)路面基礎(chǔ)沉降的影響

高　飛，李長(zhǎng)慶，倪　博，查傳明

(1.中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)第一公路工程局 第五工程有限公司，北京 100024；2.國(guó)家電網(wǎng)新 疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011)

平行隧道施工對(duì)路面基礎(chǔ)沉降的影響

高飛1，李長(zhǎng)慶2，倪博2，查傳明2

(1.中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)第一公路工程局 第五工程有限公司，北京 100024；2.國(guó)家電網(wǎng)新 疆經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，烏魯木齊 830011)

摘要：城市中修建隧道不可避免會(huì)對(duì)地面建筑產(chǎn)生影響，所以需要對(duì)隧道施工產(chǎn)生的地表位移進(jìn)行研究。以雙孔大小隧道為例,垂直穿越地表基礎(chǔ)，利用Midas/gts模擬兩個(gè)隧道施工對(duì)地表基礎(chǔ)的影響，分別分析出了施工沉降和固結(jié)沉降。結(jié)果表明，大小隧道同時(shí)施工沉降值比單獨(dú)隧道施工時(shí)大，固結(jié)沉降在總沉降中占主要比例，大隧道施工對(duì)沉降的影響比小隧道大，總沉降最大值出現(xiàn)在大小隧道交界區(qū)域。需要定期監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：隧道；沉降；固結(jié)

我國(guó)隧道及地下工程事業(yè)自20世紀(jì)80年代，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)隨著綜合國(guó)力的不斷提升、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及高新技術(shù)的不斷應(yīng)用得到了前所未有的迅速發(fā)展。我國(guó)正處于社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要時(shí)期，而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一直占有舉足輕重的地位。土地資源的合理運(yùn)用制約著城市的發(fā)展，合理開(kāi)發(fā)土地空間不僅可以滿足人文景觀的要求，還可以緩解土地資源稀缺和城市發(fā)展之間的矛盾。近年來(lái)，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、城市人口的急劇增長(zhǎng)以及復(fù)雜的國(guó)際局勢(shì)和我國(guó)周邊態(tài)勢(shì)，為解決人口流動(dòng)與就業(yè)點(diǎn)相對(duì)集中給交通、環(huán)境等帶來(lái)的壓力，滿足國(guó)家環(huán)境和局勢(shì)變化需求，修建各種各樣的隧道及地下工程已成為必然趨勢(shì)，這給隧道及地下工程(如城市地鐵、電纜隧道、公路隧道、鐵路隧道、市政管道)的發(fā)展建設(shè)帶來(lái)了機(jī)遇。隧道及地下工程事業(yè)的發(fā)展有利于國(guó)土資源的充分開(kāi)發(fā)利用，具有環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢(shì)，特別是在改變我國(guó)水資源條件及油氣能源儲(chǔ)備等方面，具有重要的作用[1-5]。

隧道施工會(huì)引起地層應(yīng)力變化，其中包括土層擾動(dòng)，地層損失以及地質(zhì)力學(xué)的參數(shù)變化，這些因素都會(huì)引起地層沉降,嚴(yán)重的地層沉降會(huì)導(dǎo)致建筑物的傾斜，甚至?xí)顾戎卮笫鹿?，并且黏土和粉土完成的固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，土體固結(jié)沉降在后期沉降中占有主要比例，粉土和粉質(zhì)黏土特性較差，土的靈敏度高，擾動(dòng)固結(jié)導(dǎo)致沉降量大，因此有必要對(duì)固結(jié)引起的沉降做出一定分析。在平行隧道施工條件下，比單個(gè)隧道施工影響更大。為了對(duì)工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒作用,有必要對(duì)雙孔平行隧道施工地表位移進(jìn)行研究。因此研究平行隧道下穿路面基礎(chǔ)所引起的沉降的大小具一定的現(xiàn)實(shí)意義[6,7]。

1三維有限元模擬

由于土體材料力學(xué)性能及初始應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性，越來(lái)越多的地下工程分析應(yīng)用了數(shù)值模擬的方法。數(shù)值模擬在定義土體材料、施工階段、結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性等方面比較容易，而且可以模擬開(kāi)挖隧道的施工全過(guò)程。數(shù)值模擬為隧道模擬提供了很大的便利。

結(jié)合有限元分析軟件Midas/Gts對(duì)平行隧道下穿路面基礎(chǔ)所引起的變形進(jìn)行分析，提高了施工過(guò)程中的可預(yù)見(jiàn)性，減少了施工所存在的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)以后類(lèi)似的工程具有一定的借鑒意義。

1.1工程概況

某地區(qū)要開(kāi)挖兩個(gè)隧道，用于敷設(shè)220 kV電纜，地表土層為黏土，下層土為粉土土層，路面基礎(chǔ)寬2 m，隧道半徑分別為1 m和1.5 m，襯砌規(guī)格為0.25 m，采用人工暗挖法，開(kāi)挖深度定為5 m，地表路面為瀝青混凝土路面。

1.2基本參數(shù)

利用有限元軟件Midas/Gts建立土體-隧道-基礎(chǔ)三維模型，土體、基礎(chǔ)采用實(shí)體單元，襯砌采用板單元，土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，基礎(chǔ)和襯砌為彈性本構(gòu)關(guān)系[8,9]，范圍取20×20×20 m3，其中上層為粘土厚度2m，下層為粉土，地表均布荷載為20 kN/M2。具體參數(shù)如表1。

表1　基本參數(shù)

1.3邊界條件

施加法向約束條件及自重條件，根據(jù)工程建設(shè)的實(shí)際情況，選用位移邊界，即:XY平面上只施加Z向的約束，XZ面上只施加Y向的約束，YZ面上只施加X(jué)向的約束，自重方向及大小分別為Z方向及-1。

1.4數(shù)值模擬

利用以下步驟模擬隧道掘進(jìn)的施工過(guò)程：

(1)先將需要激活的單元及荷載、約束條件激活；

(2)將開(kāi)挖范圍的土體單元鈍化，同時(shí)生成襯砌。

網(wǎng)格劃分如圖1。隧道單獨(dú)施工及一起施工情況下的沉降圖如圖2-圖5。

圖1 網(wǎng)格劃分圖2 大隧道單獨(dú)施工時(shí)的沉降圖圖3 小隧道單獨(dú)施工時(shí)的沉降圖圖4 兩隧道平行施工時(shí)的沉降圖

名稱大隧道單獨(dú)小隧道氮素平行施工(大/小)交叉區(qū)域地表施工沉降-6.3-3.5-8.47/-6.9-8.5

對(duì)以上數(shù)據(jù)(包括表2)進(jìn)行分析可以看出，大隧道單獨(dú)施工時(shí)對(duì)路基基礎(chǔ)的位移影響是6.3 mm,而小隧道單獨(dú)施工時(shí)對(duì)路基基礎(chǔ)的位移影響是3.5 mm，當(dāng)兩個(gè)隧道平行施工時(shí)，大小隧道頂部的沉降值分別增加到6.9 mm和8.47 mm，可見(jiàn)當(dāng)兩個(gè)隧道平行施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)較大，地表沉降較大，地表沉降的最大值出現(xiàn)在兩個(gè)隧道交界區(qū)域可達(dá)到8.5 mm(如圖5)。

2二維固結(jié)分析

隧道施工對(duì)土體的擾動(dòng)是由于施工產(chǎn)生的附加應(yīng)力施加于土體中改變了土體的力學(xué)性能。離地表越近，對(duì)土體擾動(dòng)越大。固結(jié)過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是有效應(yīng)力的增長(zhǎng)和孔隙水壓力的消散。為了分析土體后期固結(jié)沉降，采用二維平面應(yīng)變單元分析土體固結(jié)。

2.1基本參數(shù)

基礎(chǔ)、土體為平面單元，襯砌為線單元，黏土和粉土的滲透系數(shù)分別為0.000 36 m/d和0.048 m/d(kx=ky=kz)，水位為0米，取膨脹角等于摩擦角，由于二維分析是X-Y平面，所以自重方向是Y軸，其他參數(shù)如表1。

2.2網(wǎng)格劃分及邊界條件

定義排水邊界條件，我們認(rèn)為土體四周是不排水的，在黏土與基礎(chǔ)接觸面是排水的，且節(jié)點(diǎn)水頭數(shù)值為其相應(yīng)的高度即19.5 m，襯砌排水條件為壓力水頭為0 m，表面支撐條件為法向約束。網(wǎng)格劃分如圖6。

圖6 網(wǎng)格劃分圖7 地表基礎(chǔ)中心后期固結(jié)沉降圖8 隧道上方地表基礎(chǔ)固結(jié)沉降圖9 Peck地層橫向沉降曲線

圖10　施工沉降折線圖

從圖7-圖8可以看出，大小隧道正上方地表基礎(chǔ)固結(jié)沉降值分別為28.7 mm、30 mm,兩個(gè)隧道中間區(qū)域地表基礎(chǔ)沉降達(dá)到31.2 mm，這是由于兩個(gè)隧道中間區(qū)域土體擾動(dòng)較大造成的。

目前計(jì)算隧道施工引起的地面沉降的諸多方法中以Peck公式最為著名[10]。根據(jù)沉降槽的形狀和Peck曲線進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的正確性，形狀大體吻合，由此推出模擬的正確性。折線圖如圖10-圖12，Peck沉降槽曲線如圖9。

圖11 固結(jié)沉降折線圖圖12 總沉降折線圖

提取節(jié)點(diǎn)的沉降值如下表：

表3　節(jié)點(diǎn)沉降值

3沉降分析

從表4中可以看出總沉降值都超出了30 mm，大隧道對(duì)土體的擾動(dòng)程度明顯大于小隧道，這才導(dǎo)致沉降從小隧道向大隧道方向遞增，在交叉區(qū)域地表沉降達(dá)到了39.7 mm，沉降較大，后期固結(jié)沉降占有很大比例，所以要特別注意后期沉降。

表4　沉降匯總(單位：mm)

4結(jié)論

本文通過(guò)以平行隧道下穿既有路面基礎(chǔ)為背景，利用Midas/Gts有限元軟件，對(duì)基礎(chǔ)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的變形進(jìn)行總結(jié)。隨后采用有限元軟件對(duì)該過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，本文主要結(jié)論如下:

(1)在平行隧道施工的情況下，大小隧道上方路面基礎(chǔ)施工沉降分別是8.5 mm和6.9 mm，沉降不是特別明顯，大口徑隧道對(duì)沉降影響較大；固結(jié)沉降分別達(dá)到30 mm和28.7 mm，分別占總沉降的78%和81%，后期沉降比例較大。

(2)兩個(gè)隧道施工比單個(gè)隧道施工對(duì)土體的影響大,并且施工對(duì)兩個(gè)隧道交界區(qū)域的沉降影響較大，在此區(qū)域總沉降最大，路面基礎(chǔ)總沉降超過(guò)了30 mm，最大達(dá)到39.7 mm，需要進(jìn)行加固。

5結(jié)束語(yǔ)

21世紀(jì)將是隧道及地下工程建設(shè)的高峰期，土地資源的稀缺及人口的增加都會(huì)促使地下工程的發(fā)展。尤其是電纜隧道的地下化將會(huì)成為一種趨勢(shì)。未來(lái)，隧道及地下工程建設(shè)面臨重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。我國(guó)的隧道及地下工程建設(shè)己經(jīng)取得了輝煌的成就，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，施工技術(shù)、方法和設(shè)備的不斷進(jìn)步，管理和各類(lèi)規(guī)范的不斷完善，展望未來(lái)，我國(guó)隧道及地下工程事業(yè)將會(huì)有更大的進(jìn)步及更為廣闊的發(fā)展空間。面對(duì)機(jī)遇和挑戰(zhàn)，分析我國(guó)隧道及地下工程的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)近年來(lái)的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新，對(duì)推動(dòng)我國(guó)隧道及地下工程的進(jìn)一步發(fā)展有積極的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]郭陜?cè)?隧道及地下工程的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向[J].隧道建設(shè)，2005,25(6)：1-3.

[2]葛榮良.從電纜隧道建設(shè)看城市地下空間的利用[J].上海電力，2006(03)：243-245.

[3]崔曙平.國(guó)外地下空間開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].城鄉(xiāng)建設(shè)，2007(06)：68-71.

[4]魏剛.頂管工程技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：33-126.

[5]賀長(zhǎng)俊，蔣中庸，劉昌用.淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)的發(fā)展[J].市政技術(shù)，2009(S3)：1-18.

[6]邵華，張子新.盾構(gòu)近距離穿越施工對(duì)已運(yùn)營(yíng)隧道的擾動(dòng)影響分析[J].巖土力學(xué)，2004(S2)：1-20.

[7]Park K.H.Elastic Solution for Tunneling-induced Ground movements in Clays[J].International Journal of Geomechanics，2004，4(4)：310-380.

[8]李治.Midas/GTS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：107-120.

[9]王海濤等.Midas/GTS巖土工程數(shù)值分析與設(shè)計(jì)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，2013：21-250.

[10] Peck R B.Deep excavations and tunneling in soft ground，state of art report[C]//Proceedings of the 7th International Conference of Soil Mechanics and Foundation Engineering.Mexico City：[s.n]，1969：225-290.

TheInfluence of Parallel Tunnel Construction of Road Foundation Settlement

GAO Fei1,LI Chang-qing2,NI Bo2,ZHA Chuan-ming2

(1.The Fifth Engineering Company,LTD of China Transportation First Company,Beijing10024;2.Economic Institute of Technology of State Grid in Xinjiang,Wulumuqi,83011)

Abstract：In the city，building the tunnel will inevitably affect the ground buildings,so tunnel construction of surface displacement needing to be studied.Taking double orifice size tunnel as an example,vertical through the earth’s surface,using Midas/GTS simulates the influence of both the foundation of the earth’s surface caused by tunnel construction,analysing the construction settlement and consolidation settlement respectively.Results show that two tunnel construction settlement value is larger than the single tunnel construction at the same time,consolidation settlement is in a major proportion of the total settlement,tunnel construction settlement is larger than that of small tunnel,the maximum of total settlement appears during two tunnel border area.

Key words：Tunnel；Settlement；Consolidation

收稿日期：2016-04-15

作者簡(jiǎn)介：高飛(1979-)，吉林省吉林市人，中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)第一公路工程局第五工程有限公司總工程師，碩士，主要研究方向：工程施工管理.

文章編號(hào)：1005-2992(2016)03-0096-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TU9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A