隧道開挖對框架結構位移影響分析

曹 文 胡永利

0 引言

地下空間開發是可持續發展理念感召下采取的一大深具戰略意義的決策。然而，由于起初對地下空間的開發缺乏長遠規劃，使得后續地下空間開發對先前建(構)筑物產生諸多影響。其中，隧道開挖對框架結構的影響已是一個越發普遍的問題，亟待解決。欲解決問題，先認識問題，只有認識隧道開挖對框架結構的影響，才能有效尋找解決問題的途徑。基于此，本文建立隧道開挖對框架結構的影響模型，以認識隧道開挖對框架結構的影響問題，從而為廣大工程技術人員提供認識問題的途徑，并期能對類似工程問題的解決提供一定借鑒。

1 三維有限元模型建立

模型中的隧道截面為五心圓馬蹄形斷面，隧道軸線埋深10 m，外徑6.3 m，襯砌厚度0.3 m。隧道軸線距框架中軸線的距離6.6 m。框架結構與隧道幾何關系如圖1所示。

圖1 框架結構與隧道幾何關系圖（單位：mm）

框架結構為3層，縱橫向均為3跨，采用一柱一樁的形式。平行于隧道軸線方向的框架跨度均為6 m，垂直于隧道軸線方向的框架跨度依次為 3.6 m，6 m，3.6 m，層高為 3.3 m，柱子和樁截面尺寸均為 0.4 m×0.4 m，梁的截面尺寸均為0.25 m×0.6 m，板厚為0.1 m，樁長為5 m。柱、樁、梁均采用梁單元模擬，樓板采用板單元模擬。土層自上而下共分四層，土體均采用摩爾—庫侖模型。模型建立中自上而下所用土層和框架結構的物理力學參數如表1所示。

表1 材料的物理力學參數

模型在豎直方向上取30 m，在垂直隧道軸線方向上取50 m，在平行于隧道軸線的方向上取38 m。模型上邊界為自由表面，下表面在豎向施加約束，側面在相應水平方向施加約束[1-4]。為與實際情況相符，在樓板及地面上布置5 kN/m2的均布荷載。所建模型見圖2。

圖2 有限元模型

圖3 隧道開挖各階段施工長度示意圖（單位：m）

2 施工階段模擬

為分析框架結構位移隨施工階段的變化情況，模擬中將隧道分為10段進行開挖，每段施工長度除臨近結構第一榀框架為2 m外，其余均為4 m。具體各施工段劃分如圖3所示。

模擬中將每施工段按土體開挖與襯砌支護兩步施工，加上原始階段，則共分21個施工階段。為便于分析框架位移隨施工階段的變化情況，將隧道開挖的施工階段以0～20進行定義，其每段對應施工工況如表2所示。

表2 施工階段與施工工況對應表

3 框架結構最終位移影響分析

因隧道軸線與框架結構縱向平行，隧道開挖引起的框架位移主要是沉降以及與隧道軸線垂直方向的水平位移，故僅對這兩方向位移進行分析。且因框架結構各榀框架相互平行，則只對第一榀框架的位移進行分析。

3.1 框架結構沉降變化分析

隧道開挖完成后，第一榀框架的沉降數值如圖4所示。

圖4 施工引起框架結構的最終沉降（單位：mm）

圖5 施工引起框架結構的水平位移（單位：mm）

由圖4可以得出如下結論:

1)隧道開挖引起框架各層梁沉降的變化規律及沉降數值基本相同，各層梁均在靠近隧道一側沉降最大，在遠離隧道一側沉降最小，差異沉降達33.2 mm。

2)隧道開挖引起框架每根柱的沉降亦有靠近隧道開挖側最大、遠離隧道開挖側最小的規律，且每根柱通長的沉降變化除在樁底小有差異外，其余均無變化。

分析可知，隧道開挖引起框架各部分不同程度的沉降，且因梁柱的連接作用，使框架同一豎向截面上的沉降基本一致。

3.2 框架結構水平位移變化分析

隧道開挖完成后，第一榀框架的水平位移數值如圖5所示。

由圖5可以得出如下結論:

1)施工引起框架每根柱的水平位移均有上大下小的規律，且各柱在同一標高處除樁基部分小有不同外，其余部分均無差異。靠近隧道開挖側框架樁的水平位移方向與其余樁位移方向不同，這是因為此樁處開挖隧道上方，由于土體開挖應力釋放引起該樁底部向隧道拱頂以右發生位移。

2)施工引起梁的水平位移亦有上大下小的規律，且各層梁通長范圍內的水平位移相同。

分析可知，隧道開挖引起框架各部分不同程度的水平位移，且因梁柱的連接作用，使框架的地上部分在同一水平面上的位移基本一致。因框架樁間無梁連接，框架樁在同水平面上的位移便小有差異。

4 框架結構位移隨施工階段變化分析

4.1 框架結構沉降隨施工階段變化分析

因框架每層梁的沉降數值相差不大，故僅對第一榀框架如圖6所示四個節點的沉降隨施工階段的變化進行分析，并得到節點沉降隨施工階段的變化曲線圖(如圖7所示)。

由圖7可以得出如下結論:

1)框架各點沉降隨施工階段的進行逐漸增大，且其變化曲線隨施工階段的進行逐漸變緩。這是由于隧道開挖引起應力釋放，導致土體沉降，相應引起框架沉降。隨著施工階段的進行，隧道開挖位置距離該榀框架越來越遠，土體開挖產生的應力釋放對該榀框架的沉降影響也會越來越小，從而使各點沉降隨施工階段的變化曲線漸趨平緩。

2)節點沉降隨施工階段的變化曲線因節點距離隧道軸線長度的增加而變緩。這是由于節點距離隧道軸線越遠，其受隧道開挖影響越小。

圖6 沉降分析四節點示意圖

圖7 框架沉降隨施工階段的變化曲線圖

4.2 框架結構水平位移隨施工階段變化分析

因框架每根柱的水平位移相差極小，故僅對第一榀框架如圖8所示四個節點的水平位移隨施工階段的變化進行分析，并得到各節點水平位移隨施工階段的變化曲線圖(如圖9所示)。

圖8 水平位移分析四節點示意圖

圖9 框架水平位移隨施工階段的變化曲線圖

由圖9可以得出如下結論:

1)地面以上框架各點水平位移隨施工階段的變化規律大致相同。高度越高，節點水平位移隨施工階段的變化程度越劇烈。樁底節點的水平位移方向與上部框架節點位移方向相反，且其水平位移隨施工階段的變化不大。

2)各條曲線在后期施工階段變緩，這與隧道開挖對該層框架的影響減弱有關。

5 結語

隧道開挖引起框架結構的差異位移與距離隧道軸線的長度和框架的基礎形式有關。因該框架為樁基，且各樁之間無相互連接，其在控制結構差異位移方面較差。實際工程中如遇此類情況，應在隧道開挖時采用注漿加固地層的方法控制框架沉降，或在施工結束后采取糾偏措施糾正框架的差異沉降。也可考慮對框架基礎進行加固，使框架基礎成為各部分相互關聯的整體，從而減小框架結構各部分的差異位移。

框架位移隨施工階段的變化規律說明施工階段對框架結構的影響是有限的。故應在影響較為明顯的施工階段采取相應的工程措施控制框架結構的位移，這對控制框架結構的最終位移效果最明顯。

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