水平間距對(duì)涉水隧道土體變形影響的模擬分析

王麗萍

(蘭陵縣水利局向城水利服務(wù)中心，山東 蘭陵 277700)

0 引 言

隧道工程中的土體開(kāi)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。一些研究人員提出了隧道變形計(jì)算方法，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計(jì)算方法[1]。邵俊杰等基于變形分級(jí)提出了擠壓性圍巖隧道變形計(jì)算方法。一些研究者對(duì)軟巖環(huán)境下隧道的變形十分關(guān)注，分析了該環(huán)境下隧道的變形特征并提出了隧道變形控制方法[2]。肖宗榮等研究了軟弱圍巖隧道變形控制與施工控制方法[3]。丁遠(yuǎn)振等分析了高地應(yīng)力斷層帶軟巖隧道變形特征與控制措施[4]。郭小龍等分析了高地應(yīng)力陡傾層狀軟巖隧道變形破壞機(jī)理[5]。濮居一等分析了軟弱地層中基坑土體加固對(duì)下臥地鐵隧道變形及開(kāi)挖影響區(qū)的控制效果[6]。一些學(xué)者還分析了不同荷載狀況下隧道的變形規(guī)律，郭海峰等研究了建筑施工荷載引起鄰近地鐵隧道變形機(jī)理[7]。江杰等分析了地面堆載引起的鄰近地鐵隧道變形[8]。郭磊等分析了軟土地層地面堆載下盾構(gòu)隧道變形特征[9]。許多學(xué)者關(guān)注了基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形的影響，分析了該場(chǎng)景下隧道的變形演化規(guī)律并提出了隧道變形的計(jì)算方法[10-12]。劉士海等研究了新建隧道斜交下穿既有盾構(gòu)隧道的變形[13]。以上研究，雖對(duì)隧道對(duì)不同場(chǎng)景下的變形規(guī)律和計(jì)算方法均有研究，然而，對(duì)水平同型雙隧道(相同大小和埋深)的研究卻少有提及，對(duì)變水平間距情況下水平同型雙隧道環(huán)境下土體的變形更鮮有報(bào)道，文章通過(guò)有限元模擬分析，探究水平間距對(duì)涉水水平同型雙隧道土體變形的影響，為隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

某地區(qū)需修建隧道，采用水平同型雙隧道(相同大小和埋深)。其開(kāi)挖半徑均為2.5m，埋深均為22.5m，襯砌厚度0.35m，現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料揭示，其土層分布自上至下依次為：粉質(zhì)黏土，厚度5.0m，黏土，厚度10.0m，粉質(zhì)黏土，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)地地下水皆不具有腐蝕性。

2 數(shù)值模擬

為了消除邊界影響，建模時(shí)，模型寬度取為40m，高度為45m，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)。數(shù)值模擬模型示意圖如圖1所示。模型參數(shù)詳見(jiàn)表1和表2。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

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 網(wǎng)格變形分析

圖2、3、4、5分別為水平間距為3m、4m、5m、6m的網(wǎng)格變形放大圖。

圖2 水平凈間距3m(放大500倍)

圖3 水平凈間距4m(放大200倍)

圖4 水平凈間距5m(放大200倍)

圖5 水平凈間距6m(放大200倍)

由圖可知，對(duì)于水平同型雙隧道而言，當(dāng)兩隧道施工完成時(shí)，各水平間距隧道均表現(xiàn)處相同的變形趨勢(shì)：隧道上方土體整體表現(xiàn)出沉降的趨勢(shì)且地面處，以兩隧道的幾何對(duì)稱軸為中心，地面沉降呈對(duì)稱分布且沉降發(fā)生在有限的范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開(kāi)挖的影響，靠中心軸越近沉降量越大，即受隧道土體開(kāi)挖影響越大；而隧道下方土體表現(xiàn)出隆起的趨勢(shì)，且隆起集中在一定范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開(kāi)挖的影響，且靠中心軸越近隆起量越大，即受隧道土體開(kāi)挖影響越大。上述變形結(jié)果是隧道與其周圍土體自重固結(jié)共同作用的結(jié)果。

由圖2、3、4、5還可知，隨著水平間距的不斷增大，網(wǎng)格變形整體呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，地面土體沉降量及隧道底部土體隆起量均呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。

3.2 豎向變形分析

圖6、7、8、9分別為水平間距為3m、4m、5m、6m的豎向變形圖。

圖6 水平凈間距3m

圖7 水平凈間距4m

圖8 水平凈間距5m

圖9 水平凈間距6m

由圖可知，對(duì)于水平同型雙隧道而言，當(dāng)兩隧道施工完成時(shí)，隧道上方土體均表現(xiàn)出沉降且以兩隧道幾何對(duì)稱軸為中心呈對(duì)稱分布規(guī)律，離隧道頂部越近沉降量越大，且主要沉降量均分布在兩隧道分布寬度影響范圍內(nèi)。隧道下方土體均表現(xiàn)出隆起且以兩隧道幾何對(duì)稱軸為中心呈對(duì)稱分布規(guī)律，離隧道底部越近隆起量越大，這與網(wǎng)格變形的分析結(jié)果一致。由圖還可知，隧道下方土體主要隆起量均分布在兩隧道各自寬度范圍內(nèi)，而兩隧道的中間相夾的部位，由于出現(xiàn)類似于抗滑樁的土拱效應(yīng)，導(dǎo)致該區(qū)域隧道上部土體的沉降量明顯<同深度周圍土體，而該區(qū)域隧道下方土體卻出現(xiàn)沉降而不是隆起。

由圖6、7、8、9還可知，隨著水平間距的不斷增大，兩隧道間的土拱效應(yīng)影響范圍越來(lái)越大，使得原本連成一片的隧道分布寬度影響范圍內(nèi)上方土體被分割成兩端變形量大而中間變形量小的分布規(guī)律。

4 結(jié) 論

1)水平同型雙隧道，當(dāng)兩隧道施工完成時(shí)，隧道上方土體整體表現(xiàn)出沉降的趨勢(shì)且地面處，以兩隧道的幾何對(duì)稱軸為中心，地面沉降呈對(duì)稱分布且沉降發(fā)生在有限的范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開(kāi)挖的影響，靠中心軸越近沉降量越大，即受隧道土體開(kāi)挖影響越大。

2)水平同型雙隧道，當(dāng)兩隧道施工完成時(shí)，隧道下方土體表現(xiàn)出隆起的趨勢(shì)，且隆起集中在一定范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開(kāi)挖的影響，且靠中心軸越近隆起量越大，即受隧道土體開(kāi)挖影響越大。

3)對(duì)于施工完成后的水平同型雙隧道，其豎向變形表現(xiàn)出以下規(guī)律：隧道下方土體均表現(xiàn)出隆起且以兩隧道幾何對(duì)稱軸為中心呈對(duì)稱分布規(guī)律，離隧道底部越近隆起量越大，但主要隆起量均分布在兩隧道各自寬度范圍內(nèi)，而兩隧道的中間相夾的部位，由于出現(xiàn)類似于抗滑樁的土拱效應(yīng)，導(dǎo)致該區(qū)域隧道上部土體的沉降量明顯<同深度周圍土體，而該區(qū)域隧道下方土體卻出現(xiàn)沉降而不是隆起。

4)隨著水平間距的不斷增大，兩隧道間的土拱效應(yīng)影響范圍越來(lái)越大，使得原本連成一片的隧道分布寬度影響范圍內(nèi)上方土體變形被分割成兩端變形量大而中間變形量小的分布規(guī)律。