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略论隧道变形的拯救办法

略论隧道变形的拯救办法

1隧道工程概况

拟建的建筑物位于广东省东莞市环东路以西,查验东路以北,保税中路以东。地块呈东西长向,地势较为平坦,项目建设用地面积67946.32m2。其中5,6号仓库位于广深高铁狮子洋隧道DK41+600~DK42+000段正上方,地表仓库距离隧道约28m,其结构采用门式框架结构,仓库内地面堆载50kN/m2。狮子洋隧道全长10.8km,拟建建筑物下部区段隧道为盾构隧道,盾构内径9.8m,外径10.8m。管片采用C50高性能耐腐蚀混凝土,混凝土抗渗等级S12。每环环向接缝采用22只M36纵向斜螺栓连接,每环衬砌纵缝内共采用24只M36环向斜螺栓连接。1.2工程水文地质条件仓库下部地层由上至下为:①人工填土层,组成物主要为粘性土,欠压实,层厚0.40~3.55m,平均厚度1.36m,层顶埋藏标高-0.09~2.85m;②海陆交互相沉积层,主要分布有粉质粘土层、淤泥层、淤泥质土层、粉土层、粗砾砂层、圆砾土层等;③冲积层,主要分布有粘性土层、淤泥质土层、粉细砂层、粗砾砂层、砾石卵石层;④残积土层主要分布有基岩、岩石全风化、岩石弱风化带。地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和白垩系碎屑岩类裂隙、孔隙水。

2三维数值计算

模型的建立根据建筑物与隧道的位置关系,计算模型尺寸为:隧道水平方向取200m,竖直向上取23.40m,竖直向下取24.60m,隧道轴向取398m。计算区域划分成144067个单元,183895个节点,能够保证计算具有足够的精度。计算模型见图1。其约束条件为:两侧边界水平方向约束,铅直方向自由;底部边界铅直方向约束,水平方向自由;顶部为自由表面,上部受围岩自重作用。流变本构模型伯格斯是一种粘弹性模型,它由马克斯威尔模型与开尔文模型串联而成,有4个可调参数。伯格斯模型的本构方程、蠕变方程、卸载方程分别为式中:ηM、ηK分别为马克斯威尔和开尔文粘滞系数;EK分别为马克斯威尔和开尔文模型的弹性模量;当t=0时,ε0=σ0/EM,模型有瞬时弹性变形,此时只有弹簧元件M有变形,随时间的增长,应变逐渐加大,粘性元件按等速流动。计算参数的确定在计算中,围岩采用了伯格斯流变本构模型,隧道开挖采用了Null模型。管片结构采用了结构单元中的Shell单元,本构模型为弹性。岩体的初始地应力场考虑了自重应力,侧压系数取为0.43。考虑基底水泥搅拌桩加固对围岩岩性的改善,在模拟时适当提高加固区围岩参数。在模拟过程中,围岩和支护结构物理力学

3计算结果与分析

隧道变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内(即Y=40~160m和Y=270~322m),该区域内隧道拱顶点竖向位移主要以沉降为主,且当隧道正上方存在仓库基础时,该处隧道结构拱顶竖向沉降位移出现峰值,左线隧道结构拱顶最大沉降位移发生在Y=160m位置附近,右线发生在Y=60m位置附近,其峰值分别为-2.2mm和-2.0mm;Y=160~270m范围内的隧道结构的竖向位移相对较小,局部出现隆起现象,左右线隧道最小竖向位移位置分别为Y=270m和Y=220m附近;Y=220m位置左隧道处于6号仓库基础下方,而右隧道位于两仓库基础之间;Y=270m位置右隧道处于5号基础下方,而左隧道处于2仓库基础之间。此外,由于隧道与仓库基础区呈斜交,左右线隧道结构拱顶竖向位移曲线变化规律基本一致,但数值及其变化点位置不一样。从图4和图5可以看出:在隧道上方仓库施工的影响下,隧道管片发生了水平变形,且左线和右线的水平位移特征不同。最大负向水平位移约在左隧道Y=100m和Y=320m处,最大负向水平位移量为1.64mm。最大正向水平位移约在右隧道Y=160m处,最大正向水平位移量为0.25mm。综上分析可知,隧道结构变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内(即Y=40~160m和Y=270~322m),当隧道正上方存在仓库基础时,该处隧道结构位移出现峰值;而Y=160~270m范围内的隧道结构的位移相对较小,说明仓库基础施工对下方一定范围内隧道结构产生影响。仓库运营阶段高铁隧道结构位移特征在隧道上方仓库堆载的影响下,盾构隧道管片变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内,并且在仓库正下方的盾构隧道管片的变形较大,而Y=160~270m范围内的隧道管片变形相对较小,说明隧道上方仓库堆载对下部隧道的变形有一定程度的影响。最大变形位置约在左线隧道Y=100m处,管片最大变形量为8.73mm。在隧道上方仓库堆载的影响下,盾构隧道管片发生了竖向变形,左线和右线的竖向位移特征不同。隧道竖向变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内(即Y=40~160m以及Y=270~322m范围内),并且在仓库正下方的盾构隧道管片的竖向位移较大,而Y=160~270m范围内的隧道管片的竖向位移相对较小,说明隧道上方仓库堆载使得下部隧道发生了一定程度的竖向位移。并且在仓库对隧道水平位移影响的区域内,隧道距离仓库底部的距离越近,隧道的竖向位移越大。最大竖向位移位于Y=40m处左右,最大竖向位移为7.69mm。由图8和图9可见,在隧道上方仓库堆载的影响下,隧道管片发生了水平变形,且左线和右线的水平位移特征不同。最大负向水平位移约在左线隧道Y=322m处,最大负向水平位移量为5.73mm。最大正向水平位移约在右线隧道Y=322m处,最大正向水平位移量为1.14mm。左线隧道Y=322m处位于与5号仓库斜交的边墙处,说明在仓库对隧道水平位移影响的区域内,隧道偏离仓库底部的距离越远,隧道的水平位移越大。综上分析可知,隧道变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内,而在其他区域内盾构隧道的变形较小,说明隧道上方仓库堆载使得下部隧道发生了一定程度的变形。

4结论

最大负向水平位移位于左线隧道Y=100m和Y=320m断面附近,其值为1.64mm。最大正向水平位移位于右线隧道Y=160m断面附近,其值为0.25mm。左线隧道结构拱顶最大沉降位移发生在Y=160m断面附近,右线发生在Y=60m断面附近,其值分别为-2.2mm和-2.0mm。仓库运营阶段,隧道结构变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内,其他区域变形较小。最大负向水平位移位于左线隧道Y=322m断面附近,其值为5.73mm;最大正向水平位移位于右线隧道Y=322m断面附近,其值为1.14mm;最大正向轴向位移位于隧道Y=322m断面附近,其值为2.05mm;最大竖向位移位于左隧道Y=40m断面附近,其值为7.69mm。

作者:唐健单位:中铁第四勘察设计院集团有限公司