盾構(gòu)隧道下穿變電站建筑物沉降數(shù)值模擬分析

陳 向,饒 宇

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司黃石供電公司,黃石 435000;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展水平的不斷提升,城市的空間逐步向外圍擴(kuò)展,城市的土地資源變得越來(lái)越稀缺,變電站周邊也需要進(jìn)行合理的開(kāi)發(fā)和利用。而相關(guān)的土建施工、隧道開(kāi)挖由于改變了土體原有的應(yīng)力狀態(tài)、物理性質(zhì)等[1,2],往往帶來(lái)了嚴(yán)重的地層變形,從而給建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性造成重大影響。

為了對(duì)隧道施工引起的地層變形進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了廣泛而長(zhǎng)期的研究。1969年P(guān)eck提出了基于地層損失理論的預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降的方法[3];O’Reilly給出了沉降槽寬度與隧道埋深的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式[4];施成華等[5]提出了基于隨機(jī)介質(zhì)理論的盾構(gòu)隧道開(kāi)挖地層損失的計(jì)算公式;魏綱[6]、徐亞峰等[7]對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行分析獲得了地表沉降規(guī)律;王智德等[8]獲得側(cè)穿樁基的沉降規(guī)律;Atkinson等[9]、Lee等[10]、Imamura等[11]采用離心模型試驗(yàn),對(duì)隧道的破壞形態(tài)和位移機(jī)理等進(jìn)行了研究;Yeh[12]、Shi等[13]則運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)地層變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

總體來(lái)說(shuō),基于地層損失理論發(fā)展起來(lái)的隧道開(kāi)挖地層變形預(yù)測(cè)方法在傳統(tǒng)新奧法施工中具有較高的精度,但城市建設(shè)中面臨復(fù)雜的地下管線(xiàn)廊道及周邊建筑物保護(hù)問(wèn)題,采用盾構(gòu)開(kāi)挖方式更為安全。由于盾構(gòu)開(kāi)挖支護(hù)及時(shí),并且面臨注漿壓力和盾構(gòu)推力等外力作用,原有的預(yù)測(cè)方法適應(yīng)性將大為降低。因此,研究盾構(gòu)隧道開(kāi)挖對(duì)變電站結(jié)構(gòu)沉降的影響以及地層變形特征具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值,對(duì)保護(hù)變電站土建結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。

1 基本假定與參數(shù)選擇

盾構(gòu)隧道開(kāi)挖全過(guò)程涉及盾構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題,該文擬采用MIDAS/GTS NX軟件研究盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)變電站建筑物的影響,其基本假定如下:

1)隧道處的土層地質(zhì)條件往往較為復(fù)雜,即使同一標(biāo)段土體類(lèi)別也存在較大差別,所以文中為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將土層視為單一的粉質(zhì)粘土層。

2)將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中相互影響的結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐譃橥馏w、盾構(gòu)機(jī)、注漿體以及襯砌管片。由于盾構(gòu)機(jī)身以及注漿層厚度相對(duì)于土體以及襯砌管片較薄,將土體和襯砌管片考慮為實(shí)體單元,而注漿體和盾構(gòu)機(jī)身考慮為平面單元模型,具體如圖1所示。

3) 參數(shù)選擇假定:土體采用摩爾-庫(kù)倫模型,襯砌管片、盾構(gòu)機(jī)身、注漿體以及建筑物均采用彈性結(jié)構(gòu)單元,隧道外徑為3 m,隧道內(nèi)徑為2.7 m,襯砌管片厚度0.3 m,管片寬度為1.5 m。具體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況取值,如表1所示。

表1 土體和隧道單元物理力學(xué)參數(shù)選取

4)受力條件的假定:盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中,盾構(gòu)-土-結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力主要分為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)推力、襯砌管片受盾構(gòu)機(jī)身頂進(jìn)推力、周?chē)Y(jié)構(gòu)施加給盾構(gòu)機(jī)身的圍壓以及注漿壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工單位提供的數(shù)據(jù),其取值和受力示意圖如表2和圖2所示。

表2 隧道開(kāi)挖作用力取值

2 隧道埋深對(duì)地表沉降的影響

2.1 模型的建立

考慮不同隧道埋深對(duì)地表沉降的影響,分別將隧道埋深設(shè)置為10 m、15 m、20 m以及25 m,建立如圖3所示的模型示意圖。

2.2 隧道埋深對(duì)地層變形的影響分析

通過(guò)對(duì)隧道埋深分別為10 m、15 m、20 m以及25 m的工況進(jìn)行模擬,取模型5個(gè)典型點(diǎn):隧道軸線(xiàn)正上方地表節(jié)點(diǎn)、與隧道軸線(xiàn)相距10 m地表節(jié)點(diǎn)、與隧道軸線(xiàn)相距20 m地表節(jié)點(diǎn)、管片頂部以及管片底部等的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。

表3 不同隧道埋深下地層變形值

由表3可知:1)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降基本呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布的正態(tài)分布形態(tài),隧道軸線(xiàn)正上方地表沉降最大,向兩邊逐漸減小。隨著深度的增大,沉降值逐漸增大,并且在管片頂部達(dá)到最大值。而在隧道底部則呈現(xiàn)出正態(tài)分布的地層隆起,亦是在管片底部達(dá)到最大值。2)隨著隧道埋深的增加,地表沉降的影響范圍一般逐漸擴(kuò)大,沉降值也逐步增大,但增大的幅度有收窄的趨勢(shì)。

3 距離對(duì)地層變形的影響

3.1 模型的建立

變電站與隧道的關(guān)系圖見(jiàn)圖4?？紤]變電站與隧道軸線(xiàn)距離對(duì)地層變形的影響,分別將變電站與隧道軸線(xiàn)距離設(shè)置為0 m、6 m、24 m,即L/D=0、1、4。建立如圖5所示的模型示意圖。

3.2 變電站對(duì)地層位移的影響分析

通過(guò)對(duì)距離分別設(shè)置為0 m、6 m、24 m 3種工況進(jìn)行模擬,取模型4個(gè)典型點(diǎn):變電站左下角點(diǎn)、右下角點(diǎn)、管片頂部以及管片底部等的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表4所示。其中,隧道埋深為20 m。

表4 不同距離下地層位移值

由表4可知:1)當(dāng)變電站位于隧道軸線(xiàn)正上方時(shí),變電站左、右下角的沉降值為10.97 cm和11.02 cm,不均勻沉降值僅為0.05 cm,建筑物呈現(xiàn)出整體下沉趨勢(shì),且沉降值較大,地層變形仍沿隧道軸線(xiàn)成對(duì)稱(chēng)分布。2)當(dāng)變電站建筑中心與隧道軸線(xiàn)不重合時(shí),變電站的存在使得地層變形發(fā)生較大變化,沉降偏向變電站存在的一側(cè),而管片下方的隆起背向變電站存在的一側(cè)。3)當(dāng)建筑中心與隧道軸線(xiàn)相距1D時(shí),變電站左、右下角的沉降值為10.38 cm和9.56 cm,不均勻沉降差明顯,達(dá)到0.82 cm,將導(dǎo)致變電站建筑向隧道一側(cè)傾斜,不利于建筑物的保護(hù)。4)建筑中心與隧道軸線(xiàn)相距4D時(shí),變電站左、右下角的沉降值為2.31 cm和1.85 cm,不均勻沉降值縮小為0.46 cm,相較于L/D=0、1的情況,不均勻沉降值和最大沉降值相對(duì)能夠取得較好地平衡,相對(duì)更加有利于變電站的保護(hù),因此,部分文獻(xiàn)認(rèn)為隧道開(kāi)挖地表隆沉影響范圍為4倍洞徑[14]。

4 結(jié) 論

a.盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的地表沉降基本呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布的正態(tài)分布形態(tài),隧道軸線(xiàn)正上方地表沉降最大,向兩邊逐漸減小。

b.沉降值最大出現(xiàn)在管片上方,隆起值最大出現(xiàn)在管片下方。隨著埋深的增大,沉降值逐漸增大,但增大的幅度有所收窄,沉降的影響范圍一般也逐漸增大。

c.當(dāng)變電站位于隧道軸線(xiàn)正上方時(shí),變電站建筑沉降大但不均勻沉降很小,變電站呈現(xiàn)出整體下沉趨勢(shì);當(dāng)建筑中心與隧道軸線(xiàn)不重合時(shí),沉降偏向變電站存在的一側(cè),而管片下方的隆起背向變電站存在的一側(cè)。

d.當(dāng)建筑中心與隧道軸線(xiàn)相距1D時(shí),變電站沉降大且不均勻沉降顯著,將導(dǎo)致變電站向隧道一側(cè)傾斜,不利于變電站的保護(hù)和穩(wěn)定;當(dāng)建筑中心與隧道軸線(xiàn)相距4D時(shí),變電站沉降值及不均勻沉降情況均較好,相對(duì)更加有利于保護(hù)變電站。