隧道支護結(jié)構(gòu)彎矩預(yù)測方法研究

袁厚海 龍煥林 王志杰

隨著隧道工程的施工環(huán)境條件日益復雜，隧道工程信息化施工得到廣泛應(yīng)用，在其實踐過程中，由于開挖改變了原土體的應(yīng)力場，必然會導致周圍地層的移動，引起支護結(jié)構(gòu)的變形破壞、周圍地表沉降、基坑失穩(wěn)等。然而由于巖土體性質(zhì)的復雜多變性及各種計算模型的局限性，很多隧道工程的理論和設(shè)計計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)往往有較大差異，因此隧道監(jiān)測顯得尤為必要，然而隧道支護結(jié)構(gòu)彎矩作為評價基坑安全穩(wěn)定的重要指標，目前還沒有儀器能直接測出支護結(jié)構(gòu)彎矩值。本文先根據(jù)數(shù)值分析方法，即有限元法模擬隧道開挖時支護結(jié)構(gòu)的彎矩，并利用設(shè)計規(guī)程所廣為采用的解析方法得出支護結(jié)構(gòu)的彎矩，然后采用基于隧道支護結(jié)構(gòu)測斜數(shù)據(jù)推導隧道支護結(jié)構(gòu)彎矩[1］，最后將彎矩實測值、設(shè)計值和理論值進行分析對比，得到一個相對合理的支護結(jié)構(gòu)彎矩推導方法。

1 工程概況

該隧道位于海口市華僑中學內(nèi)，隧道開挖長度為357m，寬為26m，高為8m，明洞段K0+213～K0+220采用明挖順作法，圍護結(jié)構(gòu)采用鋼板樁;暗埋段K0+220～K0+500采用蓋挖順作法，圍護結(jié)構(gòu)為基坑開挖時的擋土結(jié)構(gòu)，使用階段與主體結(jié)構(gòu)共同受力;敞開段K0+500～K0+570段采用明挖順作法，使用階段不參與主體結(jié)構(gòu)受力。由于所處地區(qū)地下防空洞情況復雜，加之海口市尚未有建過隧道的經(jīng)驗，隧道監(jiān)測顯得尤為必要，除了對支護結(jié)構(gòu)深層水平位移進行監(jiān)測外，還在支護結(jié)構(gòu)中埋設(shè)了鋼筋應(yīng)力計，使之能更加準確預(yù)測支護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的實時情況，為工程安全提供重要保證。

2 支護結(jié)構(gòu)彎矩數(shù)值分析

采用平面應(yīng)變有限元模擬隧道暗埋段開挖，考慮模型對稱性后取1/2模型進行計算(見圖1)，平面尺寸為50m×20m，隧道寬17m，外側(cè)10m內(nèi)施加q=10 kN/m的均布荷載，隧道坑最大開挖深度為8m，分兩次開挖，第一次開挖4m，第二次開挖4m到隧道坑底部，土體采用15節(jié)點的三角形單元模擬，豎向邊界約束水平位移，下邊界約束水平和豎直方向的位移。考慮折減后混凝土的彈性模量 E=24 GPa，μ =0.15，ρ=2 500 kg/m3。圍護結(jié)構(gòu)抗壓剛度 EA=1.44×107kN/m，抗彎剛度 EⅠ=4.32 ×105(kN·m5)/m。土體本構(gòu)模型采用Plaxis HS模型[2］，土層和界面參數(shù)見表1。

通過有限元計算可以得到沿支護結(jié)構(gòu)深度方向各點的彎矩值(kN·m)，具體見表2。

3 支護結(jié)構(gòu)彎矩設(shè)計值計算

采用等值梁法，樁入土坑底內(nèi)，一端彈性嵌固另一端簡支的梁來研究。擋墻兩側(cè)作用著分布荷載，即主動土壓力與被動土壓力。在計算過程中主要是樁的入土深度、擋墻彎矩[3］。

表1 土層和界面參數(shù)

表2 支護結(jié)構(gòu)彎矩模擬值

為了簡化計算，將各層土體加權(quán)平均，可得c=29.9 kPa，φ=21.5°，γ =19.5 kN/m3。

可取 δ=2φ/3=18.2°，ε =0，β =0，h1=2m，h2=10m，代入可得:

隧道支護簡圖如圖2所示，將支護樁畫成一條簡支梁，其荷載為土壓力，如圖3所示。簡支梁長l=h2-h1+u，則可得各點的彎矩，支護結(jié)構(gòu)各點的彎矩計算結(jié)果見表3。

圖2 隧道支護結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 支護結(jié)構(gòu)作為簡支梁計算簡圖

表3 支護結(jié)構(gòu)彎矩解析值

4 基于支護結(jié)構(gòu)測斜數(shù)據(jù)的彎矩推導

圍護墻彎矩可由埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計間接測得，目前還沒有儀器能直接測出來，通常根據(jù)曲率和抗彎剛度EⅠ間接得出:

采用分段三次曲線擬合，分段三次曲線能很好的擬合拐點。通過四點就可以確定一個三次多項式w(z)=az3+bz2+cz+d，如果超過四點，則擬合曲線并不通過全部的數(shù)據(jù)點。本文采用基于五點的分段三次曲線擬合，其中i點曲率即為擬合曲線二階導數(shù):

通過埋設(shè)測斜管，可以得到支護結(jié)構(gòu)的深層水平位移，如表4所示，然后采用連續(xù)分段三次曲線擬合得到曲率，進而可以得到支護結(jié)構(gòu)彎矩實測值，如表5所示。

表4 支護結(jié)構(gòu)測斜數(shù)據(jù)

表5 支護結(jié)構(gòu)彎矩實測推導值

5 支護結(jié)構(gòu)彎矩實測值、設(shè)計值和理論值分析對比

通過三種方法推導了隧道開挖時圍護結(jié)構(gòu)的彎矩，即采用平面有限元可以得到圍護結(jié)構(gòu)的彎矩模擬值，然而通過解析方法同樣得到其彎矩解析值，最后利用圍護樁測斜數(shù)據(jù)推導了圍護結(jié)構(gòu)彎矩值。

如圖4所示，最大彎矩值位于圍護樁中間部5.5m處，靠近隧道底部。解析法得到的彎矩值比模擬和實測值大，實測值是波動曲線，但曲線趨勢與模擬得到的曲線一致，證明提出的支護結(jié)構(gòu)彎矩計算方法的有效性和實用性。

圖4 彎矩值對比分析圖

6 結(jié)語

在已有研究成果和對實測資料分析處理的基礎(chǔ)上，本文就圍護結(jié)構(gòu)彎矩值預(yù)測方法進行了進一步的研究，根據(jù)隧道施工實踐，給出了利用測斜數(shù)據(jù)計算圍護結(jié)構(gòu)彎矩的推導方法。通過文中工程實例實測值與解析值和模擬值的對比研究，證明提出的支護結(jié)構(gòu)彎矩預(yù)測方法的有效性和實用性，對實際工程中彎矩預(yù)測有重要意義。

工程中由于場地條件、施工工序及方法等各種因素，往往導致圍護結(jié)構(gòu)彎矩實測值與設(shè)計值存在一定偏差，有關(guān)更加實用的預(yù)測圍護結(jié)構(gòu)彎矩值方法還有待進一步研究。

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