淺埋暗挖不同工法對地表沉降的影響

淺埋暗挖不同工法對地表沉降的影響

摘要：地下工程或地下洞室的修建會使周圍一定范圍內(nèi)的既有建筑物受到影響，對地面產(chǎn)生變形。本文結(jié)合結(jié)構(gòu)地層模型，采用鄧肯一張的非線性彈性本構(gòu)模型，考慮了淺埋暗挖2種工法施工對隧道上部地表沉降的影響，利用ANSYS有限元軟件，對場地的地鐵隧道開挖方式不同對地表的影響進行了數(shù)值分析，得出了一定規(guī)律性和有益的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖地表沉降開挖方式有限元分析

1計算模型建立及參數(shù)的選取

地下結(jié)構(gòu)的計算不同于一般結(jié)構(gòu)物。首先，地下結(jié)構(gòu)與巖土介質(zhì)結(jié)合成一個連續(xù)的或不連續(xù)的整體系統(tǒng)，相互作用，共同受力;其次，土介質(zhì)材料一般呈不均質(zhì)、各向異性的非線性形態(tài);通常處于二維或三維的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，例如隧道襯砌應(yīng)按平面應(yīng)變和空間問題計算分析等。因此，在實際工程中，隧道對地表沉降的影響是一個非常復(fù)雜的問題，鑒于目前二維模型也能較好的得到問題的解答，在計算中做出如下簡化假設(shè):1)采用二維平面應(yīng)變模型進行模擬;2)假設(shè)計算范圍內(nèi)為均勻土層。

1.1計算模型的建立

場地計算模型圖如圖1，網(wǎng)絡(luò)劃分如圖2。模型的選取參考了北京地下直徑線崇文門車站直徑線區(qū)間隧道，區(qū)間采用淺埋暗挖法施工，隧道埋深8m，區(qū)間采用馬蹄形斷面，礦山法施工，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)頂部圓拱半徑為6.28m，仰拱半徑為14.7m。

根據(jù)計算，邊界取為隧洞等效直徑的3倍左右，誤差在10%以內(nèi)。水平方向取55m為橫向邊界，豎直取地表以下34.5m為下邊界，能夠準(zhǔn)確的得到問題的解答。

為了得到不同開挖方式對地表沉降的影響，本文模擬了兩種開挖方式，都分四步開挖，但開挖的順序不一樣。

1.2土體本構(gòu)模型

鄧肯一張雙曲線模型能較好地反映土的非線性性狀，被廣泛地應(yīng)用于巖土工程的數(shù)值分析中。在地鐵施工的設(shè)計計算過程中，常常要求分析計算不太復(fù)雜，又能接近實際。而不少學(xué)者則認(rèn)為鄧肯一張模型用于地下工程分析是比較理想的。

材料參數(shù)選取

計算所用的材料及參數(shù)選取如表1所示。其中參數(shù)E為彈性模量;A為截面積;Y為重度;I為慣性矩。

1.4隧道施工計算步驟

(1)第一種開挖方式(圖3):

2計算結(jié)果分析

利用ANSYS有限元分析軟件通過對隧道不同開挖方式情況計算，整理出了如圖5,6所示的地下隧洞正上方地表沉降的關(guān)系曲線。

3計算結(jié)果分析

基于土體本構(gòu)模型為非線性模型，地表沉降曲線的變化是一個非線性不可逆的過程，由圖4、圖5可以看出，不同施工的方案地表沉降是不一樣的。

由圖4、5可以看出，方案1由隧道開挖引起的地表沉降曲線，由于開挖深度不增加，開挖寬度不斷增加，在施工初期沉降量小，曲線呈現(xiàn)與Peck曲線較為一致的形狀;而方案2，由于開挖深度不斷增加，而開挖寬度不增加，所以其沉降量比方案1大。

由沉降曲線可以看出，方案2的第二步開挖引起的沉降明顯比方案1的第二步開挖引起的沉降大，這是由于底部隧道開挖時“群洞效應(yīng)”作用明顯，每開挖一部，都要對隧道上部的地表變形產(chǎn)生很大的影響，地表加速沉降。大的沉降量不利于保護上方環(huán)境，施工中應(yīng)該盡量避免此種情況的發(fā)生。

4結(jié)論

由于隧道施工過程和開挖順序的不同都會引起各自不同的應(yīng)力和應(yīng)變的非線性歷程，最終導(dǎo)致不同的力學(xué)效應(yīng)。地鐵隧道的施工中，由于需要分部開挖，那么開挖順序的不同，導(dǎo)致的“群洞效應(yīng)”作用的大小也不一樣，因此制定開挖方案時，應(yīng)注意采取較為優(yōu)化的方案應(yīng)避免出現(xiàn)“群洞效應(yīng)”，以保證地鐵隧道施工安全

隧道施工過程，由于開挖順序不一樣引起的地表沉降和沉降槽的寬度也不一樣，在施工過程中應(yīng)選擇合適的施工方案，有利于保護地鐵隧道上部建筑物、管線等，同時還要采取積極的施工措施如跟蹤注漿等確保隧道上方環(huán)境安全

參考文獻

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