穿越高層建筑群淺埋軟弱巖體隧道施工力學(xué)數(shù)值模擬研究

王欣欣，胡小勇

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，陜西 西安 710077)

0 前 言

隨著城市發(fā)展進(jìn)步，各類地下工程尤其是地鐵工程已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。城市地鐵建設(shè)常伴隨穿越高層建筑群與軟弱圍巖施工現(xiàn)狀，高層建筑基礎(chǔ)承載力較大，臨近高層建筑群地下開挖洞口伴隨的沉降問題必須嚴(yán)正以待，力求最大限度的減少沉降量[1]。傳統(tǒng)隧道開挖引起的高層建筑物損傷研究方法分為兩種[2]：其一為實(shí)際檢測法，在項(xiàng)目施工同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，此法說服力較高，但是難以提前預(yù)測，一旦發(fā)生事故將造成不可挽回的損失；其二為考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)法，此法缺乏實(shí)際情況的考慮，說服力不高。青島城市地層較為軟弱，屬于山城，地表起伏不平，地表之下為軟弱圍巖，又面臨眾多高層建筑，地鐵洞口開挖施工難度巨大。本項(xiàng)目依托青島在建地鐵二號(hào)線，采用midas GTS軟件進(jìn)行模擬施工，計(jì)算了高層建筑群附近的隧道洞口圍巖應(yīng)力、初支應(yīng)力以及二襯應(yīng)力。

1 施工力學(xué)數(shù)值模擬

近年來隧道領(lǐng)域各種數(shù)值模擬方法得到逐步推廣，其中有限元法、離散元法和有限差分法在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的成果，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)與復(fù)雜邊界條件問題中，數(shù)值模擬已經(jīng)成為重要的研究施工的輔助手段。本文采用有限元法研究隧道施工過程造成的周圍圍巖以及支護(hù)應(yīng)力變化等施工力學(xué)問題，首先對(duì)地層變形及應(yīng)力傳播問題研究，進(jìn)而建立數(shù)值模擬模型，最后進(jìn)行結(jié)果分析。

1.1 地層變形及傳播規(guī)律

在穿越高層建筑群隧道施工過程中，隧道開挖前存在初始應(yīng)力場，隧道開挖后地層釋放應(yīng)力場，形成二次應(yīng)力場，支護(hù)施工完畢后形成三次應(yīng)力場。與普通隧道施工不同，穿越高層建筑群必須考慮高層建筑對(duì)地基產(chǎn)生的應(yīng)力重分布影響，施工過程中產(chǎn)生的微小不均勻沉降都可能導(dǎo)致重大事故發(fā)生[3]。隧道開挖后應(yīng)力重分布局限于一定范圍內(nèi)，越鄰近高層施工，隧道自身及周邊建筑應(yīng)力重分布將越發(fā)劇烈，地層產(chǎn)生沉降，包括應(yīng)力與應(yīng)變傳遞，見圖1。

隧道開挖過程中，地層變形誘發(fā)地表沉降，地層變形具有空間三維性，地表沉降三維效果如圖2所示。隧道施工引起地表移動(dòng)對(duì)高層建筑物影響因素諸多[4-5]，除地層特征外，與建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式以及自重有關(guān)，隧道開挖對(duì)高層建筑物損傷主要有以下兩種形式[6-8]：其一為沉降對(duì)建筑物的影響；其二為地表曲率對(duì)建筑物影響。地表沉降分為均勻沉降與不均勻沉降，一般均勻沉降不會(huì)對(duì)高層建筑物產(chǎn)生損傷。不均勻沉降導(dǎo)致地表傾斜，尤其針對(duì)高層建筑，微小的傾斜即可使建筑物重心偏離基地形心，對(duì)地基產(chǎn)生極大傾覆力矩[9-10]。地表傾斜改變建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部承載力平衡狀態(tài)，使傾斜下部墻體受到偏心力作用產(chǎn)生水平剪力，導(dǎo)致剪切裂縫產(chǎn)生。曲率對(duì)建筑物影響較大，分為正曲率變形區(qū)與負(fù)曲率變形區(qū)，地表由平面變成曲面導(dǎo)致荷載與基礎(chǔ)初始平衡狀態(tài)遭破壞[11]。

圖1 上覆地層運(yùn)動(dòng)模式

圖2 地表沉降三維簡圖

1.2 力學(xué)模型建立

隧道挖掘?qū)嶋H上是一個(gè)三維動(dòng)態(tài)過程，圍巖受力及隧道支護(hù)隨施工推進(jìn)而不斷變化，這就需要采取數(shù)值模擬的辦法來記錄這一不斷變化的過程。本文選取建設(shè)銀行青島分行辦公樓與行政樓前后斷面30 m區(qū)域建立三維有限元模型，在midas GTS軟件中構(gòu)件幾何模型，并依據(jù)地層變形傳播規(guī)律進(jìn)行模型后處理，建立模型尺寸為120 m×60 m×65 m(長度×寬度×深度)，辦公樓高度取值為25.2 m，行政樓比辦公樓低4.8 m。模型前后施加水平約束，底部施加豎向約束，頂部為自由面加建筑物荷載(圖3)。

圖3 midas GTS整體計(jì)算模型

由于模型較大單元繁多，對(duì)三維彈塑性數(shù)值計(jì)算量大，故對(duì)數(shù)值模擬中的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)做如下處理：圍巖采用三維實(shí)體單元，考慮為三維各向同性材料，采用Mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則；隧道初期支護(hù)、二襯采用殼單元，錨桿采用植入桁架單元，三者按照實(shí)際工程尺寸取值，初支20 cm，二襯50 cm，錨桿3.5 m，型鋼拱架按抗壓等效原則考慮：

E=E0+Sg×Eg/Sc

(1)

在公式(1)中E表示折算后混凝土彈性模量；Sc表示混凝土截面面積；Sg表示鋼拱架截面積；E0表示原混凝土彈性模量；Eg表示鋼材彈性模量。

房屋基礎(chǔ)部分尺寸大小取值與實(shí)際相同，采用三維實(shí)體單元；上部結(jié)構(gòu)簡化為框架結(jié)構(gòu)，梁與板、梁與柱、柱與基礎(chǔ)均采用綁定約束，基礎(chǔ)與圍巖采用嵌入約束。荷載取值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012，恒載取值為建筑物自重10 kN/m2，民用建筑樓面均布活荷載取值為2.5 kN/m2；隔墻自重取4 kN/m2，活荷載與隔墻重組合設(shè)計(jì)值取S=1.35×4+1.4×2.5=8.9 kN/m2。

1.3 參數(shù)選取

根據(jù)巖土勘察報(bào)告及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，認(rèn)為土層較薄，將土層與下部巖體綜合考慮，適當(dāng)降低巖體物理參數(shù)以接近實(shí)際?？紤]隧道開挖接近高層建筑物群實(shí)際情況，模型計(jì)算參數(shù)選取見表1，材料截面特性見表2。

2 圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)工程實(shí)際，模擬施工開挖方式為采取1.5 m一個(gè)進(jìn)尺，從大樁號(hào)向小樁號(hào)上下臺(tái)階法推進(jìn)，具體施工布序如下：右洞上臺(tái)階開挖1.5 m；上臺(tái)階開挖50 m后下臺(tái)階開挖1.5 m；右洞二襯施作；右洞二襯施作完畢后開挖左洞，施工步序與右洞相同。采用midas GTS軟件進(jìn)行模擬施工。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

表2 模型材料截面特性

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

根據(jù)midas GTS軟件計(jì)算結(jié)果得到右洞開挖完成時(shí)初支最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力云圖見下圖4。

由圖4可知右洞初支完畢后右洞最大拉應(yīng)力為1.88 MPa，最大壓應(yīng)力為5.97 MPa，壓應(yīng)力集中于右洞左側(cè)拱肩拱腳部位，左洞開挖時(shí)右洞受擾動(dòng)最大拉應(yīng)力為1.88 MPa。左洞開挖過程中，最大拉應(yīng)力位置逐步改變至中夾巖側(cè)拱肩部位，左洞受到最大拉應(yīng)力為2.31 MPa。左洞開挖完畢后最大壓應(yīng)力住處各排基礎(chǔ)下拱腰與拱腳部位，第二排基礎(chǔ)拱腳壓應(yīng)力最大為4.71 MPa。整體來看支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力較大，內(nèi)力分布與圍巖內(nèi)力一致，C20噴射混凝土極限拉應(yīng)力為2.1 MPa，極限壓應(yīng)力為21 MPa，左洞部分拉應(yīng)力超過混凝土極限拉應(yīng)力，因此開挖過程中需加密鋼拱架或提高混凝土標(biāo)號(hào)以保障支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4 右洞初支最大壓應(yīng)力(左)與左洞初支最大拉應(yīng)力(右)云圖

2.2 二襯應(yīng)力分析

二襯施作是保障隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要施工工藝，通過midas GTS軟件計(jì)算得到二襯施作最大壓應(yīng)力與拉應(yīng)力情況見下圖5。

由圖5可看出二襯整體受到拉、壓應(yīng)力較小，主要表現(xiàn)為受壓，右洞二襯施作后最大拉應(yīng)力為0.028 MPa，最大壓應(yīng)力為0.11 MPa，拉應(yīng)力整體很小，不再考慮，壓應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)楣把肮澳_區(qū)域，左洞二襯施作完畢后最大拉應(yīng)力為0.74 MPa，最大壓應(yīng)力為2.05 MPa，拉、壓應(yīng)力提升幅度不小，最大壓應(yīng)力集中于右洞拱腳部位。左右洞口二襯最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于C30混凝土極限拉、壓強(qiáng)度(2.2 MPa與28.1 MPa)，論證了右洞開挖后必須在二襯施作完成后進(jìn)行左洞開挖，右洞二襯分擔(dān)了部分左洞開挖導(dǎo)致的應(yīng)力增長，保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

本文首先分析了施工地層變形及傳播規(guī)律，然后根據(jù)midas GTS軟件建立了軟弱巖體隧道施工力學(xué)模型，通過軟弱圍巖應(yīng)力分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1) 模擬施工首先進(jìn)行右洞開挖，掌子面距斷面7.3 m(隧道底部寬度)處，拱頂沉降值與周邊收斂值趨于穩(wěn)定，此時(shí)沉降值為1.33 mm，周邊收斂值為2.46 mm；右洞下臺(tái)階開挖后拱頂沉降值為1.15 mm，右洞周邊收斂值為5.74 mm，增幅達(dá)到133%，可知洞口左右兩側(cè)受力不均，產(chǎn)生應(yīng)力重分布。

2) 對(duì)初支結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到右洞初支完畢后最大壓應(yīng)力為5.97 MPa，集中于右洞左側(cè)拱肩及拱腳部位；左洞開挖完畢后左洞受到最大拉應(yīng)力為2.31 MPa，C20噴射混凝土極限拉應(yīng)力為2.1 MPa，在實(shí)際工程中需加密鋼拱架保障初支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖5 右洞二襯最大壓應(yīng)力(左)與左洞二襯最大壓應(yīng)力云圖

3) 對(duì)二襯應(yīng)力分析可知二襯整體主要表現(xiàn)為受壓，最大壓應(yīng)力為2.05 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C30混凝土極限壓應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果證明了施工步序合理性，右洞二襯分擔(dān)了部分左洞開挖導(dǎo)致的應(yīng)力增長。