水平間距對涉水隧道土體變形影響的模擬分析

王麗萍

(蘭陵縣水利局向城水利服務(wù)中心，山東 蘭陵 277700)

0 引 言

隧道工程中的土體開挖會導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布，進而引起隧道周圍土體及建構(gòu)筑物的變形，已引起隧道建設(shè)者的高度關(guān)注。一些研究人員提出了隧道變形計算方法，姚宏波等提出了考慮空間效應(yīng)的軟土隧道上方卸荷變形計算方法[1]。邵俊杰等基于變形分級提出了擠壓性圍巖隧道變形計算方法。一些研究者對軟巖環(huán)境下隧道的變形十分關(guān)注，分析了該環(huán)境下隧道的變形特征并提出了隧道變形控制方法[2]。肖宗榮等研究了軟弱圍巖隧道變形控制與施工控制方法[3]。丁遠振等分析了高地應(yīng)力斷層帶軟巖隧道變形特征與控制措施[4]。郭小龍等分析了高地應(yīng)力陡傾層狀軟巖隧道變形破壞機理[5]。濮居一等分析了軟弱地層中基坑土體加固對下臥地鐵隧道變形及開挖影響區(qū)的控制效果[6]。一些學(xué)者還分析了不同荷載狀況下隧道的變形規(guī)律，郭海峰等研究了建筑施工荷載引起鄰近地鐵隧道變形機理[7]。江杰等分析了地面堆載引起的鄰近地鐵隧道變形[8]。郭磊等分析了軟土地層地面堆載下盾構(gòu)隧道變形特征[9]。許多學(xué)者關(guān)注了基坑開挖對隧道變形的影響，分析了該場景下隧道的變形演化規(guī)律并提出了隧道變形的計算方法[10-12]。劉士海等研究了新建隧道斜交下穿既有盾構(gòu)隧道的變形[13]。以上研究，雖對隧道對不同場景下的變形規(guī)律和計算方法均有研究，然而，對水平同型雙隧道(相同大小和埋深)的研究卻少有提及，對變水平間距情況下水平同型雙隧道環(huán)境下土體的變形更鮮有報道，文章通過有限元模擬分析，探究水平間距對涉水水平同型雙隧道土體變形的影響，為隧道工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況

某地區(qū)需修建隧道，采用水平同型雙隧道(相同大小和埋深)。其開挖半徑均為2.5m，埋深均為22.5m，襯砌厚度0.35m，現(xiàn)場鉆探資料揭示，其土層分布自上至下依次為：粉質(zhì)黏土，厚度5.0m，黏土，厚度10.0m，粉質(zhì)黏土，厚度15.0m，余下為砂卵石?，F(xiàn)場勘察結(jié)果表明，該場地地下水穩(wěn)定水位埋深為4.1-6.0m，平均埋深5.0m。室內(nèi)水質(zhì)分析結(jié)果表明，場地地下水皆不具有腐蝕性。

2 數(shù)值模擬

為了消除邊界影響，建模時，模型寬度取為40m，高度為45m，襯砌厚度為0.35m，地下水位取5.0m。數(shù)值模型邊界變形條件為：模型左、右兩側(cè)僅允許發(fā)生豎向變形，底部為固定邊界(不發(fā)生變形)。數(shù)值模擬模型示意圖如圖1所示。模型參數(shù)詳見表1和表2。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

表1 土層參數(shù)

表2 初襯材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 網(wǎng)格變形分析

圖2、3、4、5分別為水平間距為3m、4m、5m、6m的網(wǎng)格變形放大圖。

圖2 水平凈間距3m(放大500倍)

圖3 水平凈間距4m(放大200倍)

圖4 水平凈間距5m(放大200倍)

圖5 水平凈間距6m(放大200倍)

由圖可知，對于水平同型雙隧道而言，當(dāng)兩隧道施工完成時，各水平間距隧道均表現(xiàn)處相同的變形趨勢：隧道上方土體整體表現(xiàn)出沉降的趨勢且地面處，以兩隧道的幾何對稱軸為中心，地面沉降呈對稱分布且沉降發(fā)生在有限的范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開挖的影響，靠中心軸越近沉降量越大，即受隧道土體開挖影響越大；而隧道下方土體表現(xiàn)出隆起的趨勢，且隆起集中在一定范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開挖的影響，且靠中心軸越近隆起量越大，即受隧道土體開挖影響越大。上述變形結(jié)果是隧道與其周圍土體自重固結(jié)共同作用的結(jié)果。

由圖2、3、4、5還可知，隨著水平間距的不斷增大，網(wǎng)格變形整體呈現(xiàn)出增大的趨勢，地面土體沉降量及隧道底部土體隆起量均呈現(xiàn)出增大趨勢。

3.2 豎向變形分析

圖6、7、8、9分別為水平間距為3m、4m、5m、6m的豎向變形圖。

圖6 水平凈間距3m

圖7 水平凈間距4m

圖8 水平凈間距5m

圖9 水平凈間距6m

由圖可知，對于水平同型雙隧道而言，當(dāng)兩隧道施工完成時，隧道上方土體均表現(xiàn)出沉降且以兩隧道幾何對稱軸為中心呈對稱分布規(guī)律，離隧道頂部越近沉降量越大，且主要沉降量均分布在兩隧道分布寬度影響范圍內(nèi)。隧道下方土體均表現(xiàn)出隆起且以兩隧道幾何對稱軸為中心呈對稱分布規(guī)律，離隧道底部越近隆起量越大，這與網(wǎng)格變形的分析結(jié)果一致。由圖還可知，隧道下方土體主要隆起量均分布在兩隧道各自寬度范圍內(nèi)，而兩隧道的中間相夾的部位，由于出現(xiàn)類似于抗滑樁的土拱效應(yīng)，導(dǎo)致該區(qū)域隧道上部土體的沉降量明顯<同深度周圍土體，而該區(qū)域隧道下方土體卻出現(xiàn)沉降而不是隆起。

由圖6、7、8、9還可知，隨著水平間距的不斷增大，兩隧道間的土拱效應(yīng)影響范圍越來越大，使得原本連成一片的隧道分布寬度影響范圍內(nèi)上方土體被分割成兩端變形量大而中間變形量小的分布規(guī)律。

4 結(jié) 論

1)水平同型雙隧道，當(dāng)兩隧道施工完成時，隧道上方土體整體表現(xiàn)出沉降的趨勢且地面處，以兩隧道的幾何對稱軸為中心，地面沉降呈對稱分布且沉降發(fā)生在有限的范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開挖的影響，靠中心軸越近沉降量越大，即受隧道土體開挖影響越大。

2)水平同型雙隧道，當(dāng)兩隧道施工完成時，隧道下方土體表現(xiàn)出隆起的趨勢，且隆起集中在一定范圍內(nèi)，超出該范圍的土體幾乎不受隧道土體開挖的影響，且靠中心軸越近隆起量越大，即受隧道土體開挖影響越大。

3)對于施工完成后的水平同型雙隧道，其豎向變形表現(xiàn)出以下規(guī)律：隧道下方土體均表現(xiàn)出隆起且以兩隧道幾何對稱軸為中心呈對稱分布規(guī)律，離隧道底部越近隆起量越大，但主要隆起量均分布在兩隧道各自寬度范圍內(nèi)，而兩隧道的中間相夾的部位，由于出現(xiàn)類似于抗滑樁的土拱效應(yīng)，導(dǎo)致該區(qū)域隧道上部土體的沉降量明顯<同深度周圍土體，而該區(qū)域隧道下方土體卻出現(xiàn)沉降而不是隆起。

4)隨著水平間距的不斷增大，兩隧道間的土拱效應(yīng)影響范圍越來越大，使得原本連成一片的隧道分布寬度影響范圍內(nèi)上方土體變形被分割成兩端變形量大而中間變形量小的分布規(guī)律。