同济大学
摘要：本文采用二维MIDAS/GTS软件，模拟了浅埋暗挖隧道垂直穿越十字交叉梁基础框架结构建筑物的工况，研究了隧道开挖后建筑物的受力和变形规律。
关键词：暗挖隧道施工 二维有限元模拟
1引言
在中国，地下隧道常采用盾构法和浅埋暗挖法修建。浅埋暗挖隧道施工会对周围土体产生扰动，进而引起地面沉降，在软土地区一般能够达到50~80mm，最大甚至超过300mm。这会导致邻近建筑物倾斜、开裂乃至坍塌等一系列问题。所以应对浅埋暗挖隧道穿越建筑物的施工过程进行模拟分析和动态管理，以确保施工安全。目前关于地下隧道施工对邻近建筑物影响的研究方法主要有：解析法和有限单元法等，但主要集中在盾构法隧道。关于浅埋暗挖隧道的研究较少，且主要集中在浅埋暗挖隧道施工引起的路面沉降和施工工艺等方面，对浅埋暗挖隧道施工引起的建筑物受力和变形并没有进行系统研究，因此需作进一步研究。
2.1建立二维有限元模型
2.1.1定义单元类型、实常数和材料
建筑物为钢筋混凝土框架结构，地上4层，每层3m（包括板厚），采用C25混凝土浇筑。横向为5开间，间距6.6m；梁的尺寸为0.3m，柱子尺寸为0.4m。基础采用十字交叉梁基础，埋深1.5m，采用C30混凝土浇筑。地梁宽度为0.4m，筏板厚度为0.35m。1~3层楼板面活荷载取为5kN/m2，顶层取为0.5kN/m2(不上人)。
浅埋暗挖隧道顶部覆土厚12m，直径为6m，标准工况下L=0m（隧道轴线离建筑物中轴线之间的距离取为L）。预加固区采用平面应变模型，预加固区厚度为1.5m。隧道初期支护厚度为0.3m，按线弹性材料考虑，材料为C25喷射混凝土。钢支撑厚度为0.12m。隧道采用上下台阶法施工。
假定土体为均质土层，土体采用平面应变模型，本构模型采用莫尔-库伦模型，整个模型区域长80m、宽40m。
梁、柱、地梁、筏板、钢支撑和隧道初期支护均采用梁单元。不考虑地下水的影响。
材料计算参数见表1。
剪力均产生变化；随着L的增大，最大轴力的增加量是先增大，在L=4m时达到峰值，随后逐渐减小；而最大弯矩和剪力的增加量是呈逐渐减少趋势，在L=32m时，轴力和剪力的增加量趋于0。在L=0~12m范围内，建筑物的最大弯矩、轴力和剪力的增加量的变化明显，在这个范围内，要注意建筑物的内力增加，尤其是在L=0m处，建筑物相对比较危险。由于基础的存在，最大弯矩、轴力和剪力的增加量并不是特别的大，其中最大弯矩的增加量为43.87%，最大剪力的增加量为37.43%，但相对于最大弯矩、剪力，最大轴力的变化比较小，最大增加量为17.08%。
图6 衬砌最大弯矩、轴力和剪力的变化图
由此可见，建筑物的存在改变了隧道衬砌的受力状况，在邻近建筑物的浅埋暗挖隧道施工时衬砌要承受更大的内力值，所以要特别注意衬砌的强度问题。需要对衬砌强度进行验算，以判断衬砌强度是否能满足设计要求。
3.结语
通过对邻近十字交叉梁基础的建筑物工况下浅埋暗挖隧道施工的二维有限元模拟和改变影响因素进行隧道施工的二维有限元模拟，得到以下结论：
（1）对邻近建筑物工况下暗挖隧道施工的研究，必须综合考虑隧道、土体和建筑物三者之间的相互作用。暗挖隧道开挖引起的土体和衬砌的受力与变形很大程度上取决于是否考虑邻近建筑物的存在，忽略建筑物荷载将低估隧道开挖引起的地面变形及衬砌内力值，从而使得安全性降低。
（2）在标准状态下，随着土质的变坏，隧道开挖引起土体沉降和周围建筑物的沉降倾斜逐渐增大，所以在较差的土体中不宜进行浅埋暗挖隧道开挖。
（3）建筑物对隧道开挖的影响存在一个影响范围，超过该范围时建筑物存在对隧道施工的影响可忽略不计。建筑物中轴线到隧道中轴线的水平距离L是一个重要的影响因素。
参考文献
Wei X.J., Hong J., Wei G., Zhang W.H. Modeling of double-o-tube tunneling-induced soil movements using stochastic medium theory, Disaster Advances, 5(4), 300－303 (2012)
Wei G., Hong J., Wei X.J. Research on three-dimensional soil deformation induced by double-o-tube shield tunneling, Disaster Advances, 5(4), 4－8 (2012)
Wei G. Prediction of soil settlement caused by double-line parallel shield tunnel construction, Disaster advances, 6(6), 23－27 (2013)
张顶力, 李鹏飞, 侯艳娟, 等. 城市隧道开挖对地表建筑群的影响分析及其对策[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(2): 296-302.
Chungsik Y, Jae-Hoon K. A web-based tunneling-induced building/utility damage assessment system: TURISK[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2003, 18(5): 345-348.
易小明, 张顶立, 李鹏飞. 隧道下穿时地表房屋变形开裂的定量评估[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(11): 2288-2294 Wei Gang, Chen Dong-dong, Hong Jie. Effect analysis of Double-O-Tube shield tunnel crossing frame structure building with 30°. Disaster Advances, 5(4): 447－451 (2012)
Wei Xin-jiang, Hong Jie, Wei Gang. Impact of double-o-tube shield tunnel construction on adjacent buildings. Disaster Advances, 5(4): 876－881 (2012)
李浩, 王涛, 徐日庆. 隧道施工对框架结构及地表位移影响的数值分析[J]. 铁道工程学报, 2008, (9): 58-61.
丁祖德，彭立敏，施成华. 地铁隧道穿越角度对地表建筑物的影响分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(11): 3387-3392.
康骥鸣, 许江, 陈萍. 高层建筑物下隧道围岩应力的分析[J]. 重庆大学学报, 2005, 28(7): 102-104.
魏纲, 裘新谷, 魏新江, 等. 邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟[J]. 岩土力学, 2009, 30(2): 547-552.
论文作者:李强
论文发表刊物:《基层建设》2017年第29期
论文发表时间:2018/1/7
标签：隧道论文; 建筑物论文; 剪力论文; 弯矩论文; 增加量论文; 工况论文; 模型论文; 《基层建设》2017年第29期论文;