并排差時(shí)施工涉水隧道開挖變形影響模擬分析

艾麥爾江·麥麥提敏

(和田鼎晟工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

隧道工程中的土體開挖會(huì)導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布，進(jìn)而引起隧道周圍土體及建構(gòu)筑物的變形，已引起隧道建設(shè)者的高度關(guān)注。李釗等等分析了隧道臺(tái)階法施工上臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)隧道變形的影響[1]。邵俊杰等等基于變形分級(jí)推導(dǎo)了一種隧道變形計(jì)算方法[2]。姚宏波等提出了考慮空間效應(yīng)的軟土隧道上方卸荷變形分析方法[3]。羅躍春等分析了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道變形特征[4]。江杰等分析了地面堆載對(duì)鄰近地鐵隧道變形的影響[5]。郭磊等分析了地面堆載條件下，軟土地層盾構(gòu)隧道變形特征[6]。郭海峰等研究了施工荷載作用下鄰近地鐵隧道變形機(jī)理[7]。劉士海等研究了新建斜交下穿隧道對(duì)既有盾構(gòu)隧道的變形影響[8]。然而，上述研究對(duì)并排差時(shí)施工隧道開挖變形影響卻鮮有報(bào)道，文章通過有限元模擬分析，探究并排差時(shí)施工涉水隧道開挖變形影響，為隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

某差時(shí)施工雙隧道開挖半徑均為2.5m，埋深均為12.5m，襯砌厚度0.35m，地層自上至下分布為：黏土，厚度5.0m，粉土、厚度15.0m，余下為砂卵石。現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果表明，該場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深為4.1-6.0m，平均埋深5.0m。室內(nèi)水質(zhì)分析結(jié)果表明，場(chǎng)地地下水不具有腐蝕性。

2 數(shù)值模擬

為提供分析精度，采用15節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元的離散模型，同時(shí)使用中等粗糙程度的網(wǎng)格進(jìn)行模擬，并將隧道開挖過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)計(jì)算到模型中。考慮到模型邊界的影響，建模時(shí)，模型寬度取為40m，高度為30m，襯砌厚度為0.35m，地下水位取5.0m。數(shù)值模型邊界變形條件為：模型左、右兩側(cè)僅允許發(fā)生豎向變形，底部為固定邊界(不發(fā)生變形)。有限元模型示意圖如圖1所示。模型參數(shù)詳見表1和表2。

圖1 有限元模型示意圖

表1 土層參數(shù)

表2 初襯材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 左側(cè)隧道施工后變形結(jié)果分析

圖2為左側(cè)隧道施工后豎向變形圖。圖3左側(cè)隧道施工后水平向變形圖。

圖2 左側(cè)隧道施工后豎向變形圖

由圖2可知，左側(cè)隧道施工后，隧道上方土體出現(xiàn)沉降，且越靠近隧道頂部土體沉降越大，達(dá)到1mm，以隧道頂部頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎直面為對(duì)稱軸，豎向變形呈對(duì)稱分布規(guī)律，沉降數(shù)值較大的區(qū)域集中在隧道頂部上方較窄區(qū)域，離隧道豎直面越遠(yuǎn)沉降量越小，甚至在較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)隆起的趨勢(shì)(變形量為正值)。隧道下方土體出現(xiàn)隆起，隆起區(qū)域集中于隧道下方較小區(qū)域，且離隧道下方越近，土體隆起量越大，最大隆起量為1.4mm，這是隧道土體開挖后應(yīng)力釋放土體出現(xiàn)反彈的緣故。

圖3 左側(cè)隧道施工后水平向變形圖

由圖3可知，左側(cè)隧道土體開挖后，隧道水平向土體向開挖土體區(qū)域移動(dòng)，當(dāng)隧道施加襯砌后，隧道水平向土體分別出現(xiàn)背離土體挖除區(qū)域方向水平位移的趨勢(shì)，且距離隧道越遠(yuǎn)水平位移量越小，約為1mm，且以隧道為中心，水平方向上位移呈對(duì)稱分布的規(guī)律，這是隧道襯砌與土體相互作用的結(jié)果。

3.2 右側(cè)隧道施工后變形結(jié)果分析

圖4為右側(cè)隧道施工后豎向變形圖。圖5右側(cè)隧道施工后水平向變形圖。

圖4 右側(cè)隧道施工后豎向變形圖

由圖4可知，右側(cè)隧道施工后，右側(cè)隧道上方土體出現(xiàn)沉降，且越靠近隧道頂部土體沉降越大，達(dá)到0.8mm，以隧道頂部頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎直面為對(duì)稱軸，豎向變形未呈現(xiàn)明顯地對(duì)稱規(guī)律，沉降數(shù)值較大的區(qū)域集中在隧道頂部上方較窄區(qū)域，離隧道豎直面越遠(yuǎn)沉降量越小，甚至在較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)隆起的趨勢(shì)(變形量為正值)。隧道下方土體出現(xiàn)隆起，隆起區(qū)域集中于隧道下方較小區(qū)域，且離隧道下方越近，土體隆起量越大，最大隆起量為1.6mm，這是隧道土體開挖后應(yīng)力釋放土體出現(xiàn)反彈的緣故。

圖5 右側(cè)隧道施工后水平向變形圖

由圖5可知，右側(cè)隧道土體開挖后，隧道水平向土體向開挖土體區(qū)域移動(dòng)，當(dāng)隧道施加襯砌后，隧道水平向土體分別出現(xiàn)背離土體挖除區(qū)域方向水平位移的趨勢(shì)，且距離隧道越遠(yuǎn)水平位移量越小，左右側(cè)隧道最大水平位移量分別為為1.4mm和1.2mm，且位移主要發(fā)生在隧道的外側(cè)且呈對(duì)稱分布。

3.3 差時(shí)隧道施工后變形總體分析

由于左右側(cè)隧道開挖時(shí)存在時(shí)差，右側(cè)隧道的開挖導(dǎo)致左側(cè)隧道同一位置沉降量略有增加，并且左側(cè)隧道上方沉降無(wú)明顯對(duì)稱分布規(guī)律，這是左右側(cè)隧道襯砌與土體相互作用的結(jié)果。左右側(cè)隧道上方共同作用區(qū)域還出現(xiàn)了明顯的土拱，該土拱區(qū)域土體表現(xiàn)出明顯的隆起，即土拱的出現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)位置上方土體的沉降起到了緩沖作用，進(jìn)而減小了襯砌上部壓應(yīng)力。差時(shí)隧道施工時(shí)，水平方向變形影響>豎直方向。

4 結(jié) 論

1)右側(cè)隧道(后施工隧道)施工后，右側(cè)隧道上方土體出現(xiàn)沉降，且越靠近隧道頂部土體沉降越大，以隧道頂部頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎直面為對(duì)稱軸，豎向變形未呈現(xiàn)明顯地對(duì)稱規(guī)律，沉降數(shù)值較大的區(qū)域集中在隧道頂部上方較窄區(qū)域，離隧道豎直面越遠(yuǎn)沉降量越小，甚至在較遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)隆起的趨勢(shì)(變形量為正值)。隧道下方土體出現(xiàn)隆起，隆起區(qū)域集中于隧道下方較小區(qū)域，且離隧道下方越近，土體隆起量越大，這是隧道土體開挖后應(yīng)力釋放土體出現(xiàn)反彈的緣故。右側(cè)隧道土體開挖后，隧道水平向土體向開挖土體區(qū)域移動(dòng)，當(dāng)隧道施加襯砌后，隧道水平向土體分別出現(xiàn)背離土體挖除區(qū)域方向水平位移的趨勢(shì)，且距離隧道越遠(yuǎn)水平位移量越小且位移主要發(fā)生在隧道的外側(cè)且呈對(duì)稱分布。

2)左右側(cè)隧道開挖時(shí)存在時(shí)差，右側(cè)隧道的開挖導(dǎo)致左側(cè)隧道同一位置沉降量略有增加，并且左側(cè)隧道上方沉降無(wú)明顯對(duì)稱分布規(guī)律，這是左右側(cè)隧道襯砌與土體相互作用的結(jié)果。

3)左右側(cè)隧道上方共同作用區(qū)域出現(xiàn)了明顯的土拱，該土拱區(qū)域土體表現(xiàn)出明顯的隆起，即土拱的出現(xiàn)對(duì)對(duì)應(yīng)位置上方土體的沉降起到了緩沖作用，進(jìn)而減小了襯砌上部壓應(yīng)力。

4)差時(shí)隧道施工時(shí)，水平方向變形影響>豎直方向。