關于3個地下結構變形監控問題的分析

伊曉東，李圓圓，王智超，3

(1．大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連116024;2．遼寧有色地質局107隊，遼寧 大連116100;3．65015部隊，遼寧 大連116024)

一、引 言

地下結構的安全不容忽視，軟件模擬回答了許多傳統的監控量測工作無法解決的問題。國內外學者不少學者對地下結構及周圍體系的內力和變形規律也已作了大量深入的研究。吳波等[1]基于Ansys建立了隧道支護-土體-地下管線耦合作用的三維模型，模擬了6種不同的施工方案對地下管線的沉降影響，得到最優施工方案;楊林德等[2]提出了對洞周地層的變形進行預報的方法。攖井春輔[3]提出用反分析程序(DBAP)的計算成果為基準并與臨界應變進行比較，由此評價隧道圍巖的穩定性;Lee等[4]開展了三維彈塑性耦合固結數值分析，研究了隧道開挖對鄰近承載樁的影響;莊海洋等[5]對地鐵車站的地震破壞機理也進行了一系列的分析研究，采用子結構縮減法處理了土與結構的動力相互作用機理;國勝兵等[6]基于二維顯式有限差分程序FLAC對地下結構在豎向和水平地震荷載作用下的動力響應進行了數值模擬分析;林皋[7]院士在前人的基礎上對地面結構動力反映特征與地下結構的震動特點進行了對比，做了極具參考性的7點概括總結。本文采用大型有限元軟件ABAQUS就新奧法隧道圍巖及支護各關鍵點變形規律、盾構隧道開挖對既有樁基內力及變形的影響，以及地下車站在地震作用下的變形規律3個方面分別進行了模擬分析，補充了傳統的監控量測，為工程建設提供了一定依據。

二、標準斷面的上下臺階法施工工況模擬

取某標段埋置較深、較淺、圍巖較差3處斷面進行模擬，圍巖參數根據《巖土工程勘察報告》、《工程巖土分級標準及條文說明》[9]選取，支護參數則根據《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)取得。

1．開挖面沉降云圖分析

圖1為ZD-tt-109斷面處隧道開挖后土體沉降云圖。可以驗證并推斷出隧道開挖的影響范圍為工作面圓心呈45°的夾角內，且隨著與隧道工作面距離的加大，具有衰減性。

圖1 隧道開挖面沉降云圖

圖2 隧道開挖面地表位移曲線

2．地表位移分析

由圖2可以看出，3處工作面地表變形均為一沉降槽。ZD-ht-44斷面處拱頂埋置深度為35．4 m，埋置較深，由于變形衰減，地表下沉較小，約為0．74mm，驗證了隧道埋深大于＞3D(D為隧道直徑)時，不再必要量測地表隆沉;ZD-ht-109斷面圍巖條件較差，最大下沉量為12．67 mm，影響范圍為從拱頂向左右各28m，即影響范圍以45°進行擴展。軟件模擬更形象地反映了隧道圍巖的變形規律。

3．模擬值和實測值比較分析

將設計要求的必測項目的軟件模擬值和實測值進行對比如表1所示。結果表明，監測斷面的實測值較數值模擬結果偏小，這主要是由于量測技術的限制，即量測前產生的位移無法獲取，而數值模擬為全部位移。但仍可以認為數值模擬結果與現場監測結果存在較好的一致性。結果還說明軟件模擬和監控量測工作有較好的一致性，且優于監控量測。

表1 軟件模擬值和實測值比較 mm

三、盾構隧道開挖對鄰近單樁影響的數值分析

某盾構段埋深10．05m，從某橋南側穿過，與最近的橋梁樁基凈距為3．0 m，基礎為鉆孔灌注摩擦樁。隧道模擬開挖進尺1．2 m，共開挖30步(即36m)。樁體的位移和內力等傳統的量測工作將無法進行，此時軟件模擬發揮了不可取代的作用。

1．樁基變形

隧道開挖擾動周圍土體，進而對鄰近樁基施加軸向和側向力，使樁體發生變形。圖3為隧道開挖過程中樁體的位移變化，在隧道深度范圍內水平位移較大，最大位移出現在隧道軸線上，開挖20步(即24m)以后變化緩慢。而樁體的豎向位移，最初由于樁頂荷載的施加使得樁體沉降較大，后來隨著開挖的進行，隧道底部土體的回彈和盾構機的推力擾動樁周土體使得樁體上升。由于隧道開挖范圍內樁體發生弓形變形，使得隧道中心線以下樁體的向上位移明顯大于隧道中心線以上的樁體位移。

圖3 隧道開挖過程中樁體的位移變化

2．樁基內力

圖4顯示了隧道開挖過程中樁體的內力變化，樁基中出現了反彎現象[10]。隨著開挖的進行樁體的彎矩逐漸增大，在隧道開挖的深度范圍內彎矩較大，20步(即24m)以后變化不太明顯。隨著盾構的掘進，在開挖的25步(即30m)，樁體上部出現了負摩阻力，這對樁體是不利的。

四、淺埋軟土地鐵車站地震響應數值分析

本部分采用有限元-無限元耦合方法，以地鐵建設中經常采用的兩層雙柱三跨島式地鐵車站為研究對象，建立土-地鐵車站結構的非線性動力相互作用分析模型，從樁端彎矩、地震荷載引起結構內力的增幅及車站中柱響應分析等方面研究了地下車站的地震響應動力特性，為工程設計提供參考(如圖5所示)。本算例在底部有限域與無限域的交界處水平向輸入地震波，分別輸入EI-Centro波和一種人工波。靜力計算結束后進行動力計算，動力計算前先除結構與土體的位移，保留結構與土體的內力。

圖4 隧道開挖過程中樁體的內力變化

圖5 土-車站的橫剖面及結構在土中的位置

1．樁端彎矩

以位于車站中間部位的中柱彎矩為基準的比值定義為柱端相對彎矩。在靜荷載及地震荷載合力作用下，柱端相對彎矩沿縱向的變化曲線如圖6所示。

圖6 靜載與地震荷載下柱端相對彎矩沿縱向的變化曲線

由圖6可得出第7根柱子的相對柱端彎矩為0．95，即車站前后端墻對柱端彎矩的影響范圍達到了7 根柱距(7·10/21．24=3．30m)。

2．地震荷載引起結構內力的增幅

在EI-Centro波作用下，車站結構構件的地震彎矩影響系數η如圖7所示，定義地震影響系數η為

從地震影響系數分析可知：車站中柱的下端部，下側墻與底板的連接部位地震影響系數η明顯較大。這主要是由于在靜荷載作用下車站柱主要受到了豎向壓力作用，而在地震動時車站柱受到了水平向剪力和彎矩共同的作用(如圖8所示)。由于柱子和側墻作為結構的抗側力構件，承受了絕大部分的水平地震荷載，所以車站柱的端部，下側墻與底板的連接部位均為地震響應較大的區域，應采取相應的抗震設計措施。

圖7 車站結構構件彎矩的地震影響系數η

圖8 EL-Centro波下下層中柱水平相對位移時程曲線

3．車站中柱響應分析

由圖9～圖11可知，在發生地震時，軸力、剪力和彎矩同時存在于下層中柱，其破壞的主要原因為壓剪破壞;中柱軸力與水平變形主要取決于豎向加速度;中柱的剪力與彎矩則主要受水平向加速度的影響。

圖9 下層中柱軸力時程曲線

圖10 下層中柱柱底剪力時程曲線

圖11 下層中柱柱底彎矩時程曲線

五、結論

1)地層移動以隧道截面中心點成45度夾角擴散。隧道埋深大于＞3D(D為隧道直徑)時，不再必要量測地表。軟件模擬值和實測值取得了較好的一致性。軟件模擬更直觀的顯現了圍巖變形規律。

2)在盾構的掘進過程中，樁體出現了反彎現象和負摩阻力。軟件模擬全面地反映了樁基的變形規律，是量測工作的補充。

3)在發生地震時，地下車站下層中柱主要因壓剪破壞;中柱軸力與水平變形主要取決于豎向加速度，剪力與彎矩主要受水平向加速度的影響。為設計提供了依據，延續了量測工作。

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