不同断面隧道开挖对地层及建筑物影响的数值分析

打开文本图片集

摘  要：运用数值模拟软件MIDAS对不同形状（平顶直墙形、马蹄形、圆形）隧道开挖引起的地层及邻近建筑物的稳定性进行研究，对3种施工断面形状进行优选，结果显示：圆形隧道开挖引起地面沉降影响最小，其次是马蹄形隧道，最后为平顶直墙形隧道;圆形隧道开挖引起的沉降槽宽度和深度较其他形状要小;控制沉降及保证建筑结构的沉降从优至劣依次为圆形>马蹄形>平顶直墙形。

关键词：数值模拟;不同形状隧道断面;地表沉降

中图分类号：TV223.3       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）33-0067-04

Abstract： This study used the numerical simulation software MIDAS to study the stability of strata and adjacent buildings induced by excavation of tunnels with different shapes （flat-top straight wall， horseshoe， circular）. The results show that， the influence of ground subsidence caused by circular tunnel excavation is the smallest， followed by horseshoe tunnel， and finally flat-roofed straight wall tunnel; the width and depth of settlement trough are smaller than those of other shapes; the settlement of controlled and ensured building structures ranges from good to bad as circular > horseshoe > flat top straight wall.

Keywords： numerical simulation; tunnel sections with different shapes; ground settlement

1 概述

21世纪我国城市建设进程加快，公共设施、隧道交通建设逐步齐全完善，这使得城市隧道建设规模不断增大，为此对施工质量提出了更高的要求[1-3]。隧道施工引起的地表、临近建筑物的沉降不仅与围岩、埋深、掘进快慢有关，还和隧道的性状有着密不可分的关系[4-7]。本文运用数值软件MIDAS对不同形状（平顶直墙形、马蹄形、圆形）隧道开挖引起的地层及邻近建筑物的稳定性进行研究，对3种施工断面形状进行优选，为实际隧道工程设计、施工等提供借鉴。

2 数值模型建立

计算模型中土体的尺寸为长、宽、高分别为90m、90m、50m。建筑结构为10层构架结构，每层高3m，横向柱距为6m，内廊柱距为3.0m，纵向柱距为4.5m，纵向共有5跨。建筑结构基础为端承桩，桩长根据地质情况取12m圆形桩（直径0.6m），梁截面为0.3m×0.6m，柱截面为0.45m×0.45m，基础嵌入地表，两者间网格采取自然耦合技术。本次以σ1>σt作为岩石发生破坏的判据，采用Mohr-Coulomb屈服强度准则建立数值模型，模型参数详见表1所示，框架结构荷为8.8kN/m2，建筑结构采C30混凝土材料，弹性模量为3×104MPa，容重25kN·m-3，泊松比取0.15。圆形隧道数值模型见图1，图2 平顶直墙形隧道数值模型见图2，马蹄形形隧道数值模型见图3，建筑结构见图4。

3 计算结果分析

3.1 土体分析

为研究不同隧洞形状对上覆建筑结构的影响，本次选取平顶直墙形隧道、马蹄形隧道和圆形隧道进行对比分析研究。从结果云图5-图7可以得到，平顶直墙形隧道开挖引起最大地表沉降值发生在建筑结构所在的中心位置，其数值为34.7mm;同样，在相同位置，马蹄形隧道开挖引起最大地表沉降值为24.9mm;圆形隧道开挖引起最大地表沉降值为22.7mm。由此可知，圆形隧道开挖引起地面沉降影响最小，其次是马蹄形隧道，最后为平顶直墙形隧道，分析其原因为圆形隧道易形成土体压力拱，进而自身具有良好的自稳能力。同时，根据测量得出平顶直墙形隧道的沉降槽影响范围为32.6m;马蹄形隧道的沉降槽影响范围为32.8m;圆形隧道的沉降槽影响范围为30m，其中平頂直墙形、马蹄形断面所影响的范围值大致相同，最小的为圆形。

3.2 框架结构分析

根据图8-图10可知，平顶直墙形隧道、马蹄形隧道和圆形隧道开挖导致建筑结构最大沉降值依次为37.75mm、29.62mm、24.9mm。因此，根据断面形状方式控制沉降及保证建筑结构的沉降从优至劣依次为圆形>马蹄形>平顶直墙形。但是从使用空间上来说，马蹄形隧道空间和宽度较圆形更大，且其位移场、应力场较平顶直墙形隧道更有力，因此在施工、经济、地质条件允许的情况下，还是推荐首先考虑马蹄形隧道断面结构。

4 结论

本文通过数值软件MIDAS对不同隧道形状开挖引起的地层、建筑物变形进行了模拟，计算结果表明：

（1）圆形隧道开挖引起地面沉降影响最小，其次是马蹄形隧道，最后为平顶直墙形隧道，分析其原因为圆形隧道易形成土体压力拱，进而自身具有良好的自稳能力。

（2）对比分析发现圆形隧道开挖引起的沉降槽宽度和深度较其他形状要小。

（3）根据断面形状方式控制沉降及保证建筑结构的沉降从优至劣依次为圆形>马蹄形>平顶直墙形。从使用空间上来说，马蹄形隧道空间和宽度较圆形更大，且其位移场、应力场较平顶直墙形隧道更有力，可以选择马蹄形隧道截面。

参考文献：

[1]中国隧道与地下工程的脊梁——纪念王梦恕院士辞世一周年[J/OL].隧道建设（中英文）：1-7.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1745.U.20190927.1103.012.html.2019-09-27.

[2]徐迅雷.70年的时光隧道[N].杭州日报，2019-09-25（004）.

[3]韩煊.隧道施工引起地层位移及建筑物变形预测的实用方法研究[D].西安：西安理工大学，2006.

[4]李浩，朱向阳，徐永福，等.断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析[J].隧道建设，2009，29（01）：38-44.

[5]董书明，辛全才，卢树盛.断面形状对隧洞围岩稳定性的影响分析[J].中国农村水利水电，2011（01）：102-104+107.

[6]张宇.断面形状对隧洞围岩位移和应力的影响分析[J].黑龙江水利科技，2015，43（03）：167-168+183.

[7]董书明.隧道最优断面形状的有限元分析[D].西北农林科技大学，2011.