略論隧道變形的拯救辦法

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1隧道工程概況

擬建的建筑物位于廣東省東莞市環(huán)東路以西，查驗(yàn)東路以北，保稅中路以東。地塊呈東西長(zhǎng)向，地勢(shì)較為平坦，項(xiàng)目建設(shè)用地面積67946．32m2。其中5，6號(hào)倉(cāng)庫(kù)位于廣深高鐵獅子洋隧道DK41＋600～DK42＋000段正上方，地表倉(cāng)庫(kù)距離隧道約28m，其結(jié)構(gòu)采用門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，倉(cāng)庫(kù)內(nèi)地面堆載50kN／m2。獅子洋隧道全長(zhǎng)10．8km，擬建建筑物下部區(qū)段隧道為盾構(gòu)隧道，盾構(gòu)內(nèi)徑9．8m，外徑10．8m。管片采用C50高性能耐腐蝕混凝土，混凝土抗?jié)B等級(jí)S12。每環(huán)環(huán)向接縫采用22只M36縱向斜螺栓連接，每環(huán)襯砌縱縫內(nèi)共采用24只M36環(huán)向斜螺栓連接。1．2工程水文地質(zhì)條件倉(cāng)庫(kù)下部地層由上至下為：①人工填土層，組成物主要為粘性土，欠壓實(shí)，層厚0．40～3．55m，平均厚度1．36m，層頂埋藏標(biāo)高－0．09～2．85m；②海陸交互相沉積層，主要分布有粉質(zhì)粘土層、淤泥層、淤泥質(zhì)土層、粉土層、粗礫砂層、圓礫土層等；③沖積層，主要分布有粘性土層、淤泥質(zhì)土層、粉細(xì)砂層、粗礫砂層、礫石卵石層；④殘積土層主要分布有基巖、巖石全風(fēng)化、巖石弱風(fēng)化帶。地下水主要為第四系松散巖類(lèi)孔隙水和白堊系碎屑巖類(lèi)裂隙、孔隙水。

2三維數(shù)值計(jì)算

模型的建立根據(jù)建筑物與隧道的位置關(guān)系，計(jì)算模型尺寸為：隧道水平方向取200m，豎直向上取23．40m，豎直向下取24．60m，隧道軸向取398m。計(jì)算區(qū)域劃分成144067個(gè)單元，183895個(gè)節(jié)點(diǎn)，能夠保證計(jì)算具有足夠的精度。計(jì)算模型見(jiàn)圖1。其約束條件為：兩側(cè)邊界水平方向約束，鉛直方向自由；底部邊界鉛直方向約束，水平方向自由；頂部為自由表面，上部受?chē)鷰r自重作用。流變本構(gòu)模型伯格斯是一種粘彈性模型，它由馬克斯威爾模型與開(kāi)爾文模型串聯(lián)而成，有4個(gè)可調(diào)參數(shù)。伯格斯模型的本構(gòu)方程、蠕變方程、卸載方程分別為式中：ηM、ηK分別為馬克斯威爾和開(kāi)爾文粘滯系數(shù)；EK分別為馬克斯威爾和開(kāi)爾文模型的彈性模量；當(dāng)t＝0時(shí)，ε0＝σ0／EM，模型有瞬時(shí)彈性變形，此時(shí)只有彈簧元件M有變形，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，應(yīng)變逐漸加大，粘性元件按等速流動(dòng)。計(jì)算參數(shù)的確定在計(jì)算中，圍巖采用了伯格斯流變本構(gòu)模型，隧道開(kāi)挖采用了Null模型。管片結(jié)構(gòu)采用了結(jié)構(gòu)單元中的Shell單元，本構(gòu)模型為彈性。巖體的初始地應(yīng)力場(chǎng)考慮了自重應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)取為0．43?？紤]基底水泥攪拌樁加固對(duì)圍巖巖性的改善，在模擬時(shí)適當(dāng)提高加固區(qū)圍巖參數(shù)。在模擬過(guò)程中，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)

3計(jì)算結(jié)果與分析

隧道變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)（即Y＝40～160m和Y＝270～322m），該區(qū)域內(nèi)隧道拱頂點(diǎn)豎向位移主要以沉降為主，且當(dāng)隧道正上方存在倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)時(shí)，該處隧道結(jié)構(gòu)拱頂豎向沉降位移出現(xiàn)峰值，左線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降位移發(fā)生在Y＝160m位置附近，右線(xiàn)發(fā)生在Y＝60m位置附近，其峰值分別為－2．2mm和－2．0mm；Y＝160～270m范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移相對(duì)較小，局部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，左右線(xiàn)隧道最小豎向位移位置分別為Y＝270m和Y＝220m附近；Y＝220m位置左隧道處于6號(hào)倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)下方，而右隧道位于兩倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)之間；Y＝270m位置右隧道處于5號(hào)基礎(chǔ)下方，而左隧道處于2倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)之間。此外，由于隧道與倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)區(qū)呈斜交，左右線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)拱頂豎向位移曲線(xiàn)變化規(guī)律基本一致，但數(shù)值及其變化點(diǎn)位置不一樣。從圖4和圖5可以看出：在隧道上方倉(cāng)庫(kù)施工的影響下，隧道管片發(fā)生了水平變形，且左線(xiàn)和右線(xiàn)的水平位移特征不同。最大負(fù)向水平位移約在左隧道Y＝100m和Y＝320m處，最大負(fù)向水平位移量為1．64mm。最大正向水平位移約在右隧道Y＝160m處，最大正向水平位移量為0．25mm。綜上分析可知，隧道結(jié)構(gòu)變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)（即Y＝40～160m和Y＝270～322m），當(dāng)隧道正上方存在倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)時(shí)，該處隧道結(jié)構(gòu)位移出現(xiàn)峰值；而Y＝160～270m范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)的位移相對(duì)較小，說(shuō)明倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)施工對(duì)下方一定范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)階段高鐵隧道結(jié)構(gòu)位移特征在隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載的影響下，盾構(gòu)隧道管片變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，并且在倉(cāng)庫(kù)正下方的盾構(gòu)隧道管片的變形較大，而Y＝160～270m范圍內(nèi)的隧道管片變形相對(duì)較小，說(shuō)明隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載對(duì)下部隧道的變形有一定程度的影響。最大變形位置約在左線(xiàn)隧道Y＝100m處，管片最大變形量為8．73mm。在隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載的影響下，盾構(gòu)隧道管片發(fā)生了豎向變形，左線(xiàn)和右線(xiàn)的豎向位移特征不同。隧道豎向變形區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)（即Y＝40～160m以及Y＝270～322m范圍內(nèi)），并且在倉(cāng)庫(kù)正下方的盾構(gòu)隧道管片的豎向位移較大，而Y＝160～270m范圍內(nèi)的隧道管片的豎向位移相對(duì)較小，說(shuō)明隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載使得下部隧道發(fā)生了一定程度的豎向位移。并且在倉(cāng)庫(kù)對(duì)隧道水平位移影響的區(qū)域內(nèi)，隧道距離倉(cāng)庫(kù)底部的距離越近，隧道的豎向位移越大。最大豎向位移位于Y＝40m處左右，最大豎向位移為7．69mm。由圖8和圖9可見(jiàn)，在隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載的影響下，隧道管片發(fā)生了水平變形，且左線(xiàn)和右線(xiàn)的水平位移特征不同。最大負(fù)向水平位移約在左線(xiàn)隧道Y＝322m處，最大負(fù)向水平位移量為5．73mm。最大正向水平位移約在右線(xiàn)隧道Y＝322m處，最大正向水平位移量為1．14mm。左線(xiàn)隧道Y＝322m處位于與5號(hào)倉(cāng)庫(kù)斜交的邊墻處，說(shuō)明在倉(cāng)庫(kù)對(duì)隧道水平位移影響的區(qū)域內(nèi)，隧道偏離倉(cāng)庫(kù)底部的距離越遠(yuǎn)，隧道的水平位移越大。綜上分析可知，隧道變形較大區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，而在其他區(qū)域內(nèi)盾構(gòu)隧道的變形較小，說(shuō)明隧道上方倉(cāng)庫(kù)堆載使得下部隧道發(fā)生了一定程度的變形。

4結(jié)論

最大負(fù)向水平位移位于左線(xiàn)隧道Y＝100m和Y＝320m斷面附近，其值為1．64mm。最大正向水平位移位于右線(xiàn)隧道Y＝160m斷面附近，其值為0．25mm。左線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)拱頂最大沉降位移發(fā)生在Y＝160m斷面附近，右線(xiàn)發(fā)生在Y＝60m斷面附近，其值分別為－2．2mm和－2．0mm。倉(cāng)庫(kù)運(yùn)營(yíng)階段，隧道結(jié)構(gòu)變形較大區(qū)域主要集中在倉(cāng)庫(kù)與盾構(gòu)隧道斜交的區(qū)域內(nèi)，其他區(qū)域變形較小。最大負(fù)向水平位移位于左線(xiàn)隧道Y＝322m斷面附近，其值為5．73mm；最大正向水平位移位于右線(xiàn)隧道Y＝322m斷面附近，其值為1．14mm；最大正向軸向位移位于隧道Y＝322m斷面附近，其值為2．05mm；最大豎向位移位于左隧道Y＝40m斷面附近，其值為7．69mm。

作者：唐健單位：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司