數(shù)值模擬方法在設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)和預(yù)測地面沉降中的應(yīng)用

列寧格勒（今圣彼得堡）地鐵設(shè)計(jì)院隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部?70?年來實(shí)際上設(shè)計(jì)了圣彼得堡地鐵的所有承載結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了采用拼裝式鋼筋混凝土襯砌的車站和區(qū)間隧道，包括使用鋼筋混凝土構(gòu)件的立柱式車站、使用鋼構(gòu)件過梁的塔柱式車站、無旁側(cè)站臺的車站、單拱雙層車站、使用擠入地層的高質(zhì)量防水襯砌的區(qū)間隧道、運(yùn)河水下公路懸浮隧道，以及設(shè)計(jì)了鐵路、公路整體式鋼筋混凝土襯砌。

近些年來，積極利用各種程序包?3D?模擬，特別是常用?PLAXIS?3D?程序包，進(jìn)行土壤地基中空間結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性的三維計(jì)算（圖?1～圖?4）。

圖1 兩地鐵車站及其換乘通道的計(jì)算圖式

圖2 新建地鐵車站與既有通風(fēng)豎井結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖式

借助?PLAXIS?3D?可以解決與地鐵隧道結(jié)構(gòu)有關(guān)的復(fù)雜的土工問題：

（1）設(shè)計(jì)地下建筑物，考慮土壤與地下建筑物的相互作用；

（2）評價(jià)新建的與既有的地下建筑物的相互作用；

（3）地鐵隧道在路基和立交橋下掘進(jìn)施工的影響；

（4）計(jì)算地鐵隧道施工引起的地面沉降。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)文件指出，采用這些程序包有助于在解決綜合土工問題時(shí)避免錯(cuò)誤和缺點(diǎn)。但這還不夠，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部通過設(shè)計(jì)實(shí)踐，積累了設(shè)計(jì)地下建筑物的經(jīng)驗(yàn)，收集和總結(jié)了地下建筑物施工引起地面沉降的資料，以及已建成的隧道襯砌內(nèi)力實(shí)際值和計(jì)算值的對比。這些經(jīng)驗(yàn)完善了計(jì)算方法，利用這些方法可以設(shè)計(jì)出更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)，提高了評價(jià)新建結(jié)構(gòu)對既有結(jié)構(gòu)影響的精度。

圖?3? 通向“電廠”車站進(jìn)行換乘的斜隧道、張拉室、既有車站旁側(cè)隧道的聯(lián)結(jié)節(jié)點(diǎn)計(jì)算圖式

圖?4? 區(qū)間雙線隧道的計(jì)算圖式

使用?PLAXIS?程序包進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，一些普遍發(fā)生而又頗費(fèi)思量的問題是：①確定計(jì)算范圍邊界；②確定界面參數(shù)值；③選擇土壤模型。

確定計(jì)算范圍邊界是一個(gè)很重要的問題，它在很大程度上取決于建筑物的類型，以及在計(jì)算中需要完成的任務(wù)。正確確定計(jì)算范圍邊界旨在不影響計(jì)算結(jié)果，一般可以分為下列主要任務(wù)：確定襯砌承載能力的計(jì)算；確定地下建筑物施工引起土體沉降的計(jì)算。第?1?種情況要求確定結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力，因此，必須確定土體邊界不影響襯砌中的應(yīng)力，確定容許誤差為?5%，在此基礎(chǔ)上，得出邊界距離隧道襯砌邊緣左右兩側(cè)各為?2?倍隧道直徑。第?2?種情況確定在建的地下建筑物引起土體的沉降問題，這個(gè)問題總體來說比較復(fù)雜，因?yàn)楸仨毧紤]隧道的開挖、掌子面前方土體的沉降，所得資料還應(yīng)與實(shí)測資料相比較。隧道下部邊界通常采取可壓縮的土層深度，或者通過與類似地下結(jié)構(gòu)物施工時(shí)地面變形觀測資料相比較來確定隧道下部邊界。如果隧道下面的土壤區(qū)不恰當(dāng)?shù)厝〉锰?，則可能得出錯(cuò)誤結(jié)果。因?yàn)橥寥雷冃文Ａ渴请S深度的增加而增大的，即使是卸載時(shí)的變形模量也高于初次加載時(shí)的變形模量。因此，過大確定計(jì)算范圍的錯(cuò)誤，會導(dǎo)致計(jì)算地下結(jié)構(gòu)物時(shí)其上方的土壤“隆起”，計(jì)算房屋時(shí)其基礎(chǔ)“沉降過大”。

界面是指土壤和建筑物之間的接觸面，它應(yīng)模擬折減的摩擦力和黏聚力。隧道與土壤之間的界面參數(shù)值取決于不同的隧道施工方法，采用鉆爆法時(shí)巖土表面是不平整的，從巖土傳給襯砌的是全部切向應(yīng)力，采用噴混凝土?xí)r觀察到的情況也是這樣。建筑豎井時(shí)，在襯砌和土壤之間采用觸變性泥漿，則必須模擬其物理力學(xué)特性折減的范圍。在一般情況下，襯砌與土壤之間接觸強(qiáng)度應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場測定。如果沒有這些資料，通過查?PLAXIS?程序包參考資料，可以查到土壤與結(jié)構(gòu)之間內(nèi)摩擦角和黏聚力的折減系數(shù)。如：黏土與混凝土的界面，折減系數(shù)為?0.7～1；砂與混凝土的界面，折減系數(shù)為?0.8～1。

預(yù)報(bào)地鐵隧道施工引起的地面沉降是地鐵設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容。通?？梢园训孛娉两档陌l(fā)展分為下列?3?個(gè)階段。

第?1?個(gè)階段由隧道施工引起地面的瞬時(shí)沉降，其大小決定于掌子面的穩(wěn)定性、掘進(jìn)速度、建立襯砌所需的時(shí)間、盾構(gòu)施工時(shí)襯砌與土壤之間空隙的充填注漿所需的時(shí)間。沿隧道縱軸方向的瞬時(shí)沉降開始發(fā)生在掌子面前方某一距離，在充填注漿結(jié)硬和獲得強(qiáng)度之后停止。

第?2?個(gè)階段的地面沉降是由隧道襯砌變形引起的，要特別注意大斷面隧道的襯砌變形，然而這類沉降可能被忽略，應(yīng)通過合理選擇襯砌厚度防止產(chǎn)生過大變形。

第?3?個(gè)階段的地面沉降是由土壤初次、二次固結(jié)引起的。土壤的初次固結(jié)引起的地面沉降，通常認(rèn)為與土壤的黏性和硬化有關(guān)。土壤的二次固結(jié)與硬化土壤骨架被壓實(shí)產(chǎn)生的徐變（塑流）有關(guān)。

經(jīng)驗(yàn)證明，地面沉降的發(fā)展主要是第?1、第?2?階段的作用，第?3?階段的作用是使沉降槽的曲率趨緩。

目前預(yù)測地鐵隧道施工引起的地面沉降，俄羅斯繼續(xù)廣泛采用佩克提出的高斯正態(tài)分布函數(shù)公式，同時(shí)由里曼諾夫教授提出的用“當(dāng)量材料”研究地鐵隧道施工引起地面沉降的實(shí)驗(yàn)室方法擴(kuò)大了實(shí)際應(yīng)用范圍。采用數(shù)值模擬方法研究土工問題是近幾十年來的新發(fā)展，是用以研究地鐵隧道施工引起地面沉降預(yù)測的一個(gè)新途徑、新手段。因?yàn)椴捎脭?shù)值模擬方法分析，不存在經(jīng)驗(yàn)法和解析法固有的缺點(diǎn)。與經(jīng)驗(yàn)法相比，數(shù)值模擬的適用范圍寬廣，可用于各種工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及地下建筑物不同的施工方法和技術(shù)條件；與解析法相比，數(shù)值模擬方法能在很大程度上表達(dá)巖（土）地質(zhì)行為規(guī)律、地下建筑物幾何參數(shù)，考慮施工順序和步驟所受限制較少。有專門完成預(yù)測地質(zhì)力學(xué)行為過程的程序包，例如?PLAXIS、Z-Soil、FEM-models、Flac、RS2/3、DIANA、SOFiSTiK?等，還有專門完成工程領(lǐng)域有關(guān)強(qiáng)度分析的程序包，例如?Abaqus、Ansys、Adina?等。

采用數(shù)值模擬預(yù)測地面沉降，應(yīng)考慮?3?個(gè)基本要素：第1個(gè)要素是巖（土）地質(zhì)行為的力學(xué)模型，它描述巖（土）體的地質(zhì)力學(xué)行為，包括地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖（土）結(jié)構(gòu)破壞判據(jù)（條件），以及巖（土）地質(zhì)力學(xué)行為的基本方程等信息；第?2?個(gè)要素是為了正確實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬，必須研究巖（土）體的初始應(yīng)力場，對于復(fù)雜情況的應(yīng)力狀態(tài)可采用現(xiàn)場方法研究巖（土）體的應(yīng)力狀態(tài)；第?3?個(gè)要素是建立“地下建筑物-巖（土）體-地面建筑物”體系模型，這個(gè)模型應(yīng)該反映地下建筑物的施工方法和施工技術(shù)，考慮房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的位置和服役狀況，對房屋建筑和基礎(chǔ)設(shè)施是否需要采取加固措施進(jìn)行評估。

土體行為的地質(zhì)力學(xué)模型要考慮土體應(yīng)力、應(yīng)變在變化期間的特點(diǎn)，從彈性變形發(fā)展到塑性變形，在此期間，其變形特性的變化完全是非線性的，可能達(dá)到改變形狀的大變形值，需要用剪切模量變化函數(shù)的形式來表示。

必須指出，從事這一問題研究的學(xué)者解決了大量問題，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，做出了他們的貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在他們的注意力集中在與提高數(shù)值模擬計(jì)算可信度有關(guān)的問題上，諸如：工程地質(zhì)條件、地下建筑物參數(shù)以及如何施工等，因?yàn)樘岣邤?shù)值模擬計(jì)算可信度仍是當(dāng)前存在的主要問題。另外，計(jì)算地面變形方法的發(fā)展，已從預(yù)測不利情況進(jìn)而探索降低地下結(jié)構(gòu)施工的不利影響，或是在施工區(qū)段直接采取結(jié)構(gòu)上和技術(shù)上的措施，或是采取綜合措施，加固既有房屋和基礎(chǔ)設(shè)施建筑物。

邵根大?編譯