不同斷面隧道開挖對地層及建筑物影響的數(shù)值分析

王云平 趙雅博 趙德深

摘? 要：運(yùn)用數(shù)值模擬軟件MIDAS對不同形狀（平頂直墻形、馬蹄形、圓形）隧道開挖引起的地層及鄰近建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對3種施工斷面形狀進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果顯示：圓形隧道開挖引起地面沉降影響最小，其次是馬蹄形隧道，最后為平頂直墻形隧道;圓形隧道開挖引起的沉降槽寬度和深度較其他形狀要小;控制沉降及保證建筑結(jié)構(gòu)的沉降從優(yōu)至劣依次為圓形>馬蹄形>平頂直墻形。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;不同形狀隧道斷面;地表沉降

中圖分類號：TV223.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）33-0067-04

Abstract： This study used the numerical simulation software MIDAS to study the stability of strata and adjacent buildings induced by excavation of tunnels with different shapes （flat-top straight wall， horseshoe， circular）. The results show that， the influence of ground subsidence caused by circular tunnel excavation is the smallest， followed by horseshoe tunnel， and finally flat-roofed straight wall tunnel; the width and depth of settlement trough are smaller than those of other shapes; the settlement of controlled and ensured building structures ranges from good to bad as circular > horseshoe > flat top straight wall.

Keywords： numerical simulation; tunnel sections with different shapes; ground settlement

1 概述

21世紀(jì)我國城市建設(shè)進(jìn)程加快，公共設(shè)施、隧道交通建設(shè)逐步齊全完善，這使得城市隧道建設(shè)規(guī)模不斷增大，為此對施工質(zhì)量提出了更高的要求[1-3]。隧道施工引起的地表、臨近建筑物的沉降不僅與圍巖、埋深、掘進(jìn)快慢有關(guān)，還和隧道的性狀有著密不可分的關(guān)系[4-7]。本文運(yùn)用數(shù)值軟件MIDAS對不同形狀（平頂直墻形、馬蹄形、圓形）隧道開挖引起的地層及鄰近建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對3種施工斷面形狀進(jìn)行優(yōu)選，為實際隧道工程設(shè)計、施工等提供借鑒。

2 數(shù)值模型建立

計算模型中土體的尺寸為長、寬、高分別為90m、90m、50m。建筑結(jié)構(gòu)為10層構(gòu)架結(jié)構(gòu)，每層高3m，橫向柱距為6m，內(nèi)廊柱距為3.0m，縱向柱距為4.5m，縱向共有5跨。建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)為端承樁，樁長根據(jù)地質(zhì)情況取12m圓形樁（直徑0.6m），梁截面為0.3m×0.6m，柱截面為0.45m×0.45m，基礎(chǔ)嵌入地表，兩者間網(wǎng)格采取自然耦合技術(shù)。本次以σ1>σt作為巖石發(fā)生破壞的判據(jù)，采用Mohr-Coulomb屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則建立數(shù)值模型，模型參數(shù)詳見表1所示，框架結(jié)構(gòu)荷為8.8kN/m2，建筑結(jié)構(gòu)采C30混凝土材料，彈性模量為3×104MPa，容重25kN·m-3，泊松比取0.15。圓形隧道數(shù)值模型見圖1，圖2 平頂直墻形隧道數(shù)值模型見圖2，馬蹄形形隧道數(shù)值模型見圖3，建筑結(jié)構(gòu)見圖4。

3 計算結(jié)果分析

3.1 土體分析

為研究不同隧洞形狀對上覆建筑結(jié)構(gòu)的影響，本次選取平頂直墻形隧道、馬蹄形隧道和圓形隧道進(jìn)行對比分析研究。從結(jié)果云圖5-圖7可以得到，平頂直墻形隧道開挖引起最大地表沉降值發(fā)生在建筑結(jié)構(gòu)所在的中心位置，其數(shù)值為34.7mm;同樣，在相同位置，馬蹄形隧道開挖引起最大地表沉降值為24.9mm;圓形隧道開挖引起最大地表沉降值為22.7mm。由此可知，圓形隧道開挖引起地面沉降影響最小，其次是馬蹄形隧道，最后為平頂直墻形隧道，分析其原因為圓形隧道易形成土體壓力拱，進(jìn)而自身具有良好的自穩(wěn)能力。同時，根據(jù)測量得出平頂直墻形隧道的沉降槽影響范圍為32.6m;馬蹄形隧道的沉降槽影響范圍為32.8m;圓形隧道的沉降槽影響范圍為30m，其中平頂直墻形、馬蹄形斷面所影響的范圍值大致相同，最小的為圓形。

3.2 框架結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)圖8-圖10可知，平頂直墻形隧道、馬蹄形隧道和圓形隧道開挖導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)最大沉降值依次為37.75mm、29.62mm、24.9mm。因此，根據(jù)斷面形狀方式控制沉降及保證建筑結(jié)構(gòu)的沉降從優(yōu)至劣依次為圓形>馬蹄形>平頂直墻形。但是從使用空間上來說，馬蹄形隧道空間和寬度較圓形更大，且其位移場、應(yīng)力場較平頂直墻形隧道更有力，因此在施工、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)條件允許的情況下，還是推薦首先考慮馬蹄形隧道斷面結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值軟件MIDAS對不同隧道形狀開挖引起的地層、建筑物變形進(jìn)行了模擬，計算結(jié)果表明：

（1）圓形隧道開挖引起地面沉降影響最小，其次是馬蹄形隧道，最后為平頂直墻形隧道，分析其原因為圓形隧道易形成土體壓力拱，進(jìn)而自身具有良好的自穩(wěn)能力。

（2）對比分析發(fā)現(xiàn)圓形隧道開挖引起的沉降槽寬度和深度較其他形狀要小。

（3）根據(jù)斷面形狀方式控制沉降及保證建筑結(jié)構(gòu)的沉降從優(yōu)至劣依次為圓形>馬蹄形>平頂直墻形。從使用空間上來說，馬蹄形隧道空間和寬度較圓形更大，且其位移場、應(yīng)力場較平頂直墻形隧道更有力，可以選擇馬蹄形隧道截面。

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