淺埋隧道穿越廠房基礎(chǔ)開挖變形分析

淺埋隧道穿越廠房基礎(chǔ)開挖變形分析

1地理位置及地質(zhì)情況吳龍隧道出口位于重慶電氣化隧道b2k197-960b2k197-980之間。隧道穿過匯邦制藥廠的建筑，全長(zhǎng)30米。設(shè)計(jì)為單線電氣化隧道,埋深9.55m,為淺埋隧道。V級(jí)(雙側(cè)水溝)整體式襯砌,開挖寬度7.4m,開挖高度9.12m。樓房位于隧道頂部,為框架式二層結(jié)構(gòu)樓房,高6.5m,建筑尺寸18m×15m,面積270m2。室內(nèi)安裝燃油蒸汽鍋爐1臺(tái)。鍋爐基礎(chǔ)對(duì)沉降的要求嚴(yán)格,因此,在隧道施工中嚴(yán)格控制沉降是確保施工成功的關(guān)鍵。根據(jù)工程勘查報(bào)告,該地段地表為人工回填松土及第四系全新統(tǒng)坡殘積砂粘土,呈中硬～軟塑狀,厚3.7～9.05m,下層為泥巖、砂巖夾頁(yè)巖風(fēng)化層,產(chǎn)狀N10°W/12°NE,為極嚴(yán)重風(fēng)化～嚴(yán)重風(fēng)化帶,屬V級(jí)圍巖。隧道開挖范圍內(nèi)為風(fēng)化泥巖、砂巖夾頁(yè)巖風(fēng)化層,硬度f(wàn)=5～8,巖層走向與線路中心夾角為75°～78°,傾角為12°。隧道開挖需松動(dòng)爆破。地下水微發(fā)育,為裂隙水,地表有流水及制藥廠排放的冷卻水。隧道巖體分布和結(jié)構(gòu)斷面見圖1。上部樓房基礎(chǔ)為樁基挖孔樁,樁徑120cm。經(jīng)調(diào)查核實(shí),共有8根樁基及圍墻2根抗滑樁處于隧道開挖寬度的頂部。為給施工監(jiān)測(cè)提供可靠的參考數(shù)據(jù),并指導(dǎo)施工,針對(duì)工程的實(shí)際情況,進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化假設(shè),建立二維平面應(yīng)變有限元模型,模擬隧道的開挖及支護(hù),并對(duì)加支護(hù)和不加支護(hù)隧道開挖的2種模擬工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出了一些有規(guī)律性的結(jié)論。2隧道開挖法的建立2.1武隆隧道出口典型三維應(yīng)變模型計(jì)算模型的選擇,既要反映隧道開挖所影響地層的實(shí)際范圍,又要根據(jù)計(jì)算的要求進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。對(duì)于注漿、爆破等施工過程,無法在模型中進(jìn)行詳細(xì)的模擬。本分析主要考慮施工過程中的開挖、支護(hù)步驟,合理地進(jìn)行簡(jiǎn)化、建立相應(yīng)的模型。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)勘察資料,結(jié)合隧道斷面以及相關(guān)的地質(zhì)地貌,建立了武隆隧道出口處典型平面的應(yīng)變二維有限元計(jì)算模型,如圖2所示。隧道模型的計(jì)算邊界范圍的選取原則是,水平方向上模型邊界為隧道開挖中線每側(cè)3.5倍的開挖跨度處,豎直方向上下部模型邊界為隧道開挖仰拱外皮下側(cè)3倍隧道開挖高度處;豎直方向上上部模型邊界即為地面。計(jì)算時(shí),施加的模型邊界約束條件為:地表面為自由邊界,不受任何約束;計(jì)算模型的左右邊界分別受到X方向的位移約束;模型的地層下部邊界受到Y(jié)方向的位移約束(圖2)。2.2模型材料及計(jì)算模型對(duì)于錨桿的作用,分析認(rèn)為,錨桿的作用并非自身的強(qiáng)度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的作用,錨桿通過在施工中限制圍巖的塑性區(qū)發(fā)展及時(shí)加固,從而使得圍巖穩(wěn)定。在二維有限元分析中,通過采用彈性分析進(jìn)行模擬圍巖開挖過程,對(duì)于錨桿作用的模擬,在分析中未考慮。隧道開挖范圍的巖土層共有:第一層為粘土;第二層為風(fēng)化泥巖;第三層為砂巖夾頁(yè)巖分化層。對(duì)于各土層和圍巖的計(jì)算模型,采用平面應(yīng)變單元進(jìn)行模擬。模型計(jì)算參數(shù)的選取原則:根據(jù)地質(zhì)勘察提供的隧道圍巖物理力學(xué)指標(biāo),并參考相關(guān)的圍巖分類資料及相關(guān)的文獻(xiàn)資料,確定該地段的圍巖隧道開挖部位的砂巖夾頁(yè)巖分化層為Ⅴ類、軟質(zhì)圍巖。支護(hù)采用噴射鋼纖維混凝土。計(jì)算采用彈性模型,具體的各種材料計(jì)算參數(shù)選取見表1。3種支護(hù)對(duì)隧道開挖的模擬數(shù)值模擬采用ANSYS7.0版大型通用有限元分析程序?qū)崿F(xiàn)。對(duì)于注漿、打設(shè)錨桿對(duì)地層參數(shù)的影響,本模型不考慮。施工中的主要荷載是上部結(jié)構(gòu)的荷載和圍巖的自重,在分析中考慮土層和巖層的自重進(jìn)行分析。對(duì)于隧道的開挖施工過程模擬通過ANSYS7.0程序中的“生(EKILL)/死(EALIVE)單元”進(jìn)行模擬隧道的開挖與支護(hù)。通過簡(jiǎn)化隧道開挖過程,采用如下二維平面應(yīng)變有限元模擬的實(shí)施步驟。模擬工況1(不加支護(hù)):開挖隧道和支護(hù)截面部分,在數(shù)值計(jì)算中通過改變隧道和支護(hù)的單元的屬性,殺死隧道和支護(hù)單元進(jìn)行模擬。模擬工況2(加支護(hù)):開挖隧道和支護(hù)截面部分,在數(shù)值計(jì)算中通過改變隧道和支護(hù)的單元的屬性模擬開挖;在開挖的同時(shí),進(jìn)行隧道的支護(hù),對(duì)于隧道的支護(hù)和襯砌施工的模擬,在數(shù)值計(jì)算中通過激活支護(hù)單元并改變單元屬性進(jìn)行模擬。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)的荷載和土體自重荷載的考慮:先進(jìn)行初始應(yīng)力場(chǎng)分析,得到巖土層的自重和上部荷載作用下的初始應(yīng)力場(chǎng),寫入ANSYS中的.IST文件中,重新在原模型上進(jìn)行隧道開挖過程的模擬。通過對(duì)2種工況的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,發(fā)現(xiàn)支護(hù)的作用有效地降低了隧道地表面的沉降。圖3為模擬工況1的開挖過程結(jié)束后的隧道圍巖變形結(jié)果,圖4為模擬工況2的變形結(jié)果。對(duì)比可以看出,不加支護(hù)情況隧道地表面的沉降較大,加支護(hù)情況的地表面沉降減小。同時(shí),隧道的變形大小也不同,不加支護(hù)隧道開挖后圍巖變形較大,在二維平面模型上隧道的面積損失較大。相反,加支護(hù)隧道開挖后圍巖變形較小,隧道的面積損失也較小。但是,兩者的變形趨勢(shì)和規(guī)律是相似的。支護(hù)對(duì)隧道開挖引起的地面沉降變形影響很明顯,支護(hù)的作用有效地降低了隧道地表的沉降。根據(jù)實(shí)際計(jì)算2種工況下有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定量比較。結(jié)果表明:不加支護(hù)隧道開挖結(jié)束后隧道地表沉降值為12.44mm,加支護(hù)隧道開挖結(jié)束后隧道地表沉降值為3.14mm。支護(hù)的作用使沉降減少了9.30mm,即減少了74.76%,明顯降低了隧道頂部地表面沉降,說明在淺埋隧道穿越樓房基礎(chǔ)的施工中,采用支護(hù)可以保證施工的安全,起到預(yù)期的效果。根據(jù)隧道頂部地表面兩側(cè)各點(diǎn)的沉降值,繪制不加支護(hù)與加支護(hù)2種工況的地表面垂直沉降變形圖,圖5為不加支護(hù)隧道開挖模擬工況1地表沉降曲線,圖6為加支護(hù)隧道開挖模擬工況2地表沉降曲線。比較隧道開挖2種工況地表沉降的變化,除了土體沉降值大小不同外,2條曲線表現(xiàn)出不加支護(hù)與加支護(hù)的曲線變形規(guī)律相同特點(diǎn):在隧道頂部表面土體產(chǎn)生較大的沉降值,隨著離隧道頂部距離越遠(yuǎn)土體表面的沉降值逐漸減小,曲線表現(xiàn)均為凹形。同時(shí),在遠(yuǎn)離隧道頂部表面的土體產(chǎn)生了隆起,但是加不加支護(hù)遠(yuǎn)端表面土體的隆起值大小不同,不加支護(hù)土體由于地下隧道的開挖,產(chǎn)生了土體損失,導(dǎo)致土體整體的下降值較大,隆起值較小,為0.65mm;加支護(hù)土體損失造成的土體損失減輕,支護(hù)使得土體下沉減小,遠(yuǎn)端土體的隆起值增大,為1.05mm。4各觀測(cè)點(diǎn)參數(shù)在淺埋隧道穿越樓房基礎(chǔ)的施工過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的量測(cè)監(jiān)控,主要包括周邊位移、拱頂下沉、地面下沉、地面位移等項(xiàng)目。在地表布點(diǎn)中設(shè)置地面沉降觀測(cè)布置點(diǎn)和位移觀測(cè)點(diǎn)。地面沉降點(diǎn)設(shè)在樓房的4個(gè)角,室內(nèi)各個(gè)樓房立柱,以及抗滑樁7號(hào)、8號(hào)頂部。在樓房的東側(cè)面和南側(cè)面各設(shè)置一組觀測(cè)點(diǎn)。詳細(xì)的觀測(cè)點(diǎn)布置見圖7。在洞內(nèi)的布點(diǎn)采用在拱頂和兩側(cè)起拱線布置沉降點(diǎn)、在起拱線和內(nèi)軌頂面線設(shè)置收斂點(diǎn)的辦法,觀測(cè)洞內(nèi)的沉降和收斂情況。觀測(cè)結(jié)果表明:(1)各個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降量為8～18mm;(2)洞內(nèi)拱頂?shù)某两岛褪諗拷Y(jié)果變化值為10～20mm。與二維有限元計(jì)算結(jié)果相比較,不加支護(hù)隧道開挖后地表沉降的計(jì)算結(jié)果為12.44mm,洞內(nèi)拱頂?shù)某两抵禐?1.77mm;加支護(hù)隧道開挖后地表沉降的計(jì)算結(jié)果為3.14mm,洞內(nèi)拱頂沉降值為7.26mm。對(duì)比結(jié)果表明:二維平面應(yīng)變有限元模擬淺埋隧道穿越基礎(chǔ)開挖的數(shù)值模擬結(jié)果與量測(cè)結(jié)果是接近的。5施工方法與施工效率的關(guān)系通過采用ANSYS大型通用有限元程序?qū)\埋隧道穿越樓房基礎(chǔ)的隧道開挖施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,同現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)資料進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)論如下。(1)通過數(shù)值模擬,證明在武隆隧道淺埋隧道穿越樓房基礎(chǔ)施工中,根據(jù)“短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤測(cè)量、速反饋”等科學(xué)的施工原則,組織安排施工,施工方法是合理可行的。(2)采用二維有限元計(jì)算隧道開挖模擬,表明支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)隧道開挖后的地層變形和地表沉降的影響是十分重要的。(3)計(jì)算結(jié)果相比實(shí)際工程的量測(cè)結(jié)果偏大,主要是由于隧道開挖過程是一個(gè)三維問題,本文采用簡(jiǎn)化二維平面應(yīng)變彈性計(jì)算,并考慮一定的假設(shè),在以后的研究過程中要進(jìn)一步提高可以進(jìn)行三維非線性有限元分析,更加合理