浅埋隧道穿越厂房基础开挖变形分析

浅埋隧道穿越厂房基础开挖变形分析

1地理位置及地质情况吴龙隧道出口位于重庆电气化隧道b2k197-960b2k197-980之间。隧道穿过汇邦制药厂的建筑，全长30米。设计为单线电气化隧道,埋深9.55m,为浅埋隧道。V级(双侧水沟)整体式衬砌,开挖宽度7.4m,开挖高度9.12m。楼房位于隧道顶部,为框架式二层结构楼房,高6.5m,建筑尺寸18m×15m,面积270m2。室内安装燃油蒸汽锅炉1台。锅炉基础对沉降的要求严格,因此,在隧道施工中严格控制沉降是确保施工成功的关键。根据工程勘查报告,该地段地表为人工回填松土及第四系全新统坡残积砂粘土,呈中硬～软塑状,厚3.7～9.05m,下层为泥岩、砂岩夹页岩风化层,产状N10°W/12°NE,为极严重风化～严重风化带,属V级围岩。隧道开挖范围内为风化泥岩、砂岩夹页岩风化层,硬度f=5～8,岩层走向与线路中心夹角为75°～78°,倾角为12°。隧道开挖需松动爆破。地下水微发育,为裂隙水,地表有流水及制药厂排放的冷却水。隧道岩体分布和结构断面见图1。上部楼房基础为桩基挖孔桩,桩径120cm。经调查核实,共有8根桩基及围墙2根抗滑桩处于隧道开挖宽度的顶部。为给施工监测提供可靠的参考数据,并指导施工,针对工程的实际情况,进行合理的简化假设,建立二维平面应变有限元模型,模拟隧道的开挖及支护,并对加支护和不加支护隧道开挖的2种模拟工况进行数值计算,得出了一些有规律性的结论。2隧道开挖法的建立2.1武隆隧道出口典型三维应变模型计算模型的选择,既要反映隧道开挖所影响地层的实际范围,又要根据计算的要求进行相应的简化。对于注浆、爆破等施工过程,无法在模型中进行详细的模拟。本分析主要考虑施工过程中的开挖、支护步骤,合理地进行简化、建立相应的模型。根据相关的设计勘察资料,结合隧道断面以及相关的地质地貌,建立了武隆隧道出口处典型平面的应变二维有限元计算模型,如图2所示。隧道模型的计算边界范围的选取原则是,水平方向上模型边界为隧道开挖中线每侧3.5倍的开挖跨度处,竖直方向上下部模型边界为隧道开挖仰拱外皮下侧3倍隧道开挖高度处;竖直方向上上部模型边界即为地面。计算时,施加的模型边界约束条件为:地表面为自由边界,不受任何约束;计算模型的左右边界分别受到X方向的位移约束;模型的地层下部边界受到Y方向的位移约束(图2)。2.2模型材料及计算模型对于锚杆的作用,分析认为,锚杆的作用并非自身的强度对整体结构的作用,锚杆通过在施工中限制围岩的塑性区发展及时加固,从而使得围岩稳定。在二维有限元分析中,通过采用弹性分析进行模拟围岩开挖过程,对于锚杆作用的模拟,在分析中未考虑。隧道开挖范围的岩土层共有:第一层为粘土;第二层为风化泥岩;第三层为砂岩夹页岩分化层。对于各土层和围岩的计算模型,采用平面应变单元进行模拟。模型计算参数的选取原则:根据地质勘察提供的隧道围岩物理力学指标,并参考相关的围岩分类资料及相关的文献资料,确定该地段的围岩隧道开挖部位的砂岩夹页岩分化层为Ⅴ类、软质围岩。支护采用喷射钢纤维混凝土。计算采用弹性模型,具体的各种材料计算参数选取见表1。3种支护对隧道开挖的模拟数值模拟采用ANSYS7.0版大型通用有限元分析程序实现。对于注浆、打设锚杆对地层参数的影响,本模型不考虑。施工中的主要荷载是上部结构的荷载和围岩的自重,在分析中考虑土层和岩层的自重进行分析。对于隧道的开挖施工过程模拟通过ANSYS7.0程序中的“生(EKILL)/死(EALIVE)单元”进行模拟隧道的开挖与支护。通过简化隧道开挖过程,采用如下二维平面应变有限元模拟的实施步骤。模拟工况1(不加支护):开挖隧道和支护截面部分,在数值计算中通过改变隧道和支护的单元的属性,杀死隧道和支护单元进行模拟。模拟工况2(加支护):开挖隧道和支护截面部分,在数值计算中通过改变隧道和支护的单元的属性模拟开挖;在开挖的同时,进行隧道的支护,对于隧道的支护和衬砌施工的模拟,在数值计算中通过激活支护单元并改变单元属性进行模拟。对于上部结构的荷载和土体自重荷载的考虑:先进行初始应力场分析,得到岩土层的自重和上部荷载作用下的初始应力场,写入ANSYS中的.IST文件中,重新在原模型上进行隧道开挖过程的模拟。通过对2种工况的模型进行数值计算分析,发现支护的作用有效地降低了隧道地表面的沉降。图3为模拟工况1的开挖过程结束后的隧道围岩变形结果,图4为模拟工况2的变形结果。对比可以看出,不加支护情况隧道地表面的沉降较大,加支护情况的地表面沉降减小。同时,隧道的变形大小也不同,不加支护隧道开挖后围岩变形较大,在二维平面模型上隧道的面积损失较大。相反,加支护隧道开挖后围岩变形较小,隧道的面积损失也较小。但是,两者的变形趋势和规律是相似的。支护对隧道开挖引起的地面沉降变形影响很明显,支护的作用有效地降低了隧道地表的沉降。根据实际计算2种工况下有限元模型的计算结果进行定量比较。结果表明:不加支护隧道开挖结束后隧道地表沉降值为12.44mm,加支护隧道开挖结束后隧道地表沉降值为3.14mm。支护的作用使沉降减少了9.30mm,即减少了74.76%,明显降低了隧道顶部地表面沉降,说明在浅埋隧道穿越楼房基础的施工中,采用支护可以保证施工的安全,起到预期的效果。根据隧道顶部地表面两侧各点的沉降值,绘制不加支护与加支护2种工况的地表面垂直沉降变形图,图5为不加支护隧道开挖模拟工况1地表沉降曲线,图6为加支护隧道开挖模拟工况2地表沉降曲线。比较隧道开挖2种工况地表沉降的变化,除了土体沉降值大小不同外,2条曲线表现出不加支护与加支护的曲线变形规律相同特点:在隧道顶部表面土体产生较大的沉降值,随着离隧道顶部距离越远土体表面的沉降值逐渐减小,曲线表现均为凹形。同时,在远离隧道顶部表面的土体产生了隆起,但是加不加支护远端表面土体的隆起值大小不同,不加支护土体由于地下隧道的开挖,产生了土体损失,导致土体整体的下降值较大,隆起值较小,为0.65mm;加支护土体损失造成的土体损失减轻,支护使得土体下沉减小,远端土体的隆起值增大,为1.05mm。4各观测点参数在浅埋隧道穿越楼房基础的施工过程中进行了严格的量测监控,主要包括周边位移、拱顶下沉、地面下沉、地面位移等项目。在地表布点中设置地面沉降观测布置点和位移观测点。地面沉降点设在楼房的4个角,室内各个楼房立柱,以及抗滑桩7号、8号顶部。在楼房的东侧面和南侧面各设置一组观测点。详细的观测点布置见图7。在洞内的布点采用在拱顶和两侧起拱线布置沉降点、在起拱线和内轨顶面线设置收敛点的办法,观测洞内的沉降和收敛情况。观测结果表明:(1)各个地表沉降观测点的沉降量为8～18mm;(2)洞内拱顶的沉降和收敛结果变化值为10～20mm。与二维有限元计算结果相比较,不加支护隧道开挖后地表沉降的计算结果为12.44mm,洞内拱顶的沉降值为21.77mm;加支护隧道开挖后地表沉降的计算结果为3.14mm,洞内拱顶沉降值为7.26mm。对比结果表明:二维平面应变有限元模拟浅埋隧道穿越基础开挖的数值模拟结果与量测结果是接近的。5施工方法与施工效率的关系通过采用ANSYS大型通用有限元程序对浅埋隧道穿越楼房基础的隧道开挖施工过程进行了数值模拟计算,同现场量测资料进行了对比分析,结论如下。(1)通过数值模拟,证明在武隆隧道浅埋隧道穿越楼房基础施工中,根据“短开挖、弱爆破、强支护、勤测量、速反馈”等科学的施工原则,组织安排施工,施工方法是合理可行的。(2)采用二维有限元计算隧道开挖模拟,表明支护结构对隧道开挖后的地层变形和地表沉降的影响是十分重要的。(3)计算结果相比实际工程的量测结果偏大,主要是由于隧道开挖过程是一个三维问题,本文采用简化二维平面应变弹性计算,并考虑一定的假设,在以后的研究过程中要进一步提高可以进行三维非线性有限元分析,更加合理