喬建剛, 宮帥港, 彭瑞
(河北工業(yè)大學土木與交通學院, 天津 300401)
隨著中國城市軌道交通的迅速發(fā)展,在已有軌道線路周圍進行多種多樣的施工活動已成常態(tài)[1],隧道工程和城市建筑工程經(jīng)常出現(xiàn)交叉或重疊的情況,相互之間必然產(chǎn)生不良影響,影響工程安全[2]。建筑物項目施工后建筑物荷載施加會影響其被交隧道及周邊土壤的內(nèi)部應力場,從而導致地鐵隧道結構的內(nèi)部應力狀況改變及其結構變化狀況,從而危害隧道的安全運營。
目前對建筑施工質(zhì)量和隧道安全方面的作用與影響分析研究較多,趙維等[3]引入隧道縱向夾角和有限差分法對下方縱向斜穿地鐵隧道隆起變形進行分析。王立新等[4]依據(jù)基坑工程與地鐵隧道相互作用機理設計室內(nèi)實驗分析基坑開挖對既有隧道影響的受力變形規(guī)律。曹雪[5]、王輝等[6]、黃信等[7]、閆靜雅[8]分別通過有限元軟件MIDAS/GTS、python編程、ABAQUS軟件、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)等方法研究建筑施工階段荷載對新建隧道襯砌結構受力變化的規(guī)律。李楊秋等[9]、吳建等[10]、徐而進等[11]通過有限元分析、ABAQUS軟件、有限元-解析綜合計算法研究了隧道圍巖的應力場、位移場,分析了在地上荷載作用下,地下隧道結構的位移變化以及變形的情況。郭海峰等[12]聯(lián)合使用地層結構法和數(shù)值模擬研究了建筑封頂后的使用時間段的隧道穩(wěn)定性以及隧道安全風險評價體系。曹琛等[13]運用有限元軟件研究基坑土體開挖和地上建筑物施工對區(qū)間隧道位移變化和變形的影響程度規(guī)律。鄧來等[14]基于對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)結合數(shù)值模擬,研究了富水隧道二次襯砌結構的受力特性。
綜上,在建筑物與隧道關系方面的研究主要集中在以下幾個角度:文獻[3-4]探索了基坑開挖與地鐵隧道受力變形規(guī)律,文獻[5-8]使用有限元軟件和編程方法研究建筑施工階段荷載對隧道襯砌結構受力變化的規(guī)律,文獻[9-11]用有限元分析了隧道圍巖的應力場、位移場特點,文獻[12-14]在得到隧道位移變化和受力變形的影響程度規(guī)律的基礎上構建評價體系。以上研究大部分都以宏觀的角度探索建筑物施工因素影響區(qū)間隧道結構的受力變化和位移變形的規(guī)律,而從微觀局部角度研究隧道的受力情況和最大變形脆弱面的特性方面較少。因此,現(xiàn)依托實體建筑工程,通過有限元模擬軟件建立三維結構模型,對建筑物施工前和施工后的區(qū)間隧道結構進行模擬,分析其應力狀態(tài)變化和位移變形狀況。
巖土結構在受到外力作用后會產(chǎn)生變形,此過程具有多樣化的特點,有限元仿真模擬可以對現(xiàn)實中特殊的事件化繁為簡進行處理,是較為理想化的計算模型,其中土體本構關系是模型的關鍵[15]。其中計算的一項重要指標是材料的屈服條件,運用本構模型計算時,根據(jù)不同的考慮因素選取該指標的不同要求[16]。常用的土體本構模型有3種:莫爾-庫倫模型、修正莫爾-庫倫模型和修正劍橋模型。
莫爾-庫倫模型的優(yōu)點是所需材料參數(shù)要求較少,大多數(shù)參數(shù)可在常規(guī)的土工試驗取得[17]。缺點是計算回彈模量是一致的,區(qū)間隧道結構變形數(shù)據(jù)與實際相差較大。其屈服函數(shù)為
τ-σtanφ-c=0
(1)
式(1)中:σ、τ分別為剪切面上的正應力、剪應力;φ、c分別為內(nèi)摩擦角、黏聚力。
修正莫爾-庫倫模型是莫爾-庫倫模型的改進版本,該模型的優(yōu)點是良好的數(shù)值耦合性,與非線彈性和塑性模型結合計算區(qū)間隧道結構的變形數(shù)據(jù)較為符合實際。缺點是計算所需材料參數(shù)較多,獲取途徑方面依靠常規(guī)土工試驗和項目工程實際測量以外還需要相對成熟的工程經(jīng)驗[18]。
修正劍橋模型是一種等向硬化的彈塑性模型,此模型能夠模擬分析應力路徑對土體產(chǎn)生的影響。常用來模擬分析軟土地區(qū)的土體,適合于軸對稱的三軸受力狀態(tài),選取參數(shù)時考慮較多[19]。其破壞方程為
(2)
式(2)中:p′為平均有效應力;q′為偏應力;p′0為先期固結壓力;M為p′-q′平面內(nèi)的臨界狀態(tài)線斜率。
綜上,對比3個土體本構模型的適用性和特點,結合本研究中區(qū)間隧道襯砌結構特征及周邊土體的性質(zhì),選用修正莫爾-庫倫模型開展模擬計算。
沈陽新建沈北萬達廣場(1號地大商業(yè))工程,位于沈陽市沈北新區(qū)七星大街與蒲昌路交匯處,本工程建筑面積142 900 m2,擬建建筑物概況詳如表1所示。該工程重要性等級為二級,場地等級為二級,地基等級為二級,綜合確定巖土工程勘察等級為乙級。
表1 建筑概況表
規(guī)劃蒲昌路站—七星大街站的未來地鐵區(qū)間隧道施工將近鄰購物中心(大商業(yè))和高層住宅樓,施工環(huán)境較復雜,周邊建筑物的存在對地鐵區(qū)間隧道施工安全性與隧道結構產(chǎn)生影響。地鐵區(qū)間隧道施工有關的萬達廣場項目的位置如圖1所示。
紅色區(qū)域為沈北萬達廣場項目;藍色區(qū)域為未來地鐵區(qū)間圖1 規(guī)劃地鐵12號線蒲昌路站—七星大街站區(qū)間圖Fig.1 Plan the section map of Puchang road station to Qixing dajie station on metro line 12
Midas GTS(geotechnical and tunnel analysis system),邁達斯巖土工程和隧道分析系統(tǒng)是結合了有限元分析內(nèi)核與巖土工程的專業(yè)性知識綜合開發(fā)的用于模擬計算巖土與隧道結構軟件。GTS是用VisualC++在Windows環(huán)境下開發(fā)的隧道設計計算軟件,整合了Midas幾何建模能力、網(wǎng)格劃分功能和專用于巖土隧道領域的分析組件[19]。因此,使用GTS軟件分析建筑物施工對臨近地鐵區(qū)間隧道的影響是可信的。
(1)計算假定:①假定區(qū)間隧道結構為線彈性材料;②假定區(qū)間隧道結構及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則;③通過剛度等效的方法,將鋼筋混凝土結構等復合結構等效為一種同剛度材料。
(2)邊界條件包括①自由邊界:模型上表面即地表,設定為自由邊界;②位移邊界條件:其余各外表面均約束法線方向的位移。
本次仿真結合沈北萬達廣場實體工程,不同的材料采用不同的本構模型模擬,其中區(qū)間隧道襯砌結構應用彈性模型,土體采用修正莫爾-庫侖模型。區(qū)間隧道結構采用板單元模擬,土體采用實體單元模擬。隧道結構和鋼筋混凝土結構均遵從了計算假定與邊界條件。表2為隧道結構計算參數(shù)。
表2 隧道結構計算參數(shù)
建筑物的施工模擬過程,根據(jù)其整體質(zhì)量,等效替換為均布荷載施加在基坑的上表面,如表3所示。
表3 建筑物施工計算參數(shù)
計算的模型建模對象為區(qū)間隧道、商業(yè)建筑項目地表層,模型的x軸方向長度設定為610 m,y軸方向?qū)挾仍O定為438 m,z軸方向高度設定為29 m。此模型共產(chǎn)生450 618個單元,239 022個節(jié)點,如圖2所示。隧道襯砌結構的仿真模擬中各個截面采用多邊形代替圓形結構,以減少計算量。
圖2 模型網(wǎng)格圖Fig.2 Model grid diagram
研究建筑物施工前后對地鐵區(qū)間隧道結構受力和變形的影響,選取兩種工況:①建筑物實體施工前;②建筑物實體施工后。
模型參數(shù)可靠性驗證:通過對比工況1區(qū)間隧道18個拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果(圖3)可知監(jiān)測數(shù)據(jù)對比仿真數(shù)據(jù)有較小程度的降低。仿真數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合程度高,模型建立與參數(shù)選取較合理,模擬結果可靠性得到驗證。
X值為模型坐標圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計算結果對比Fig.3 CoMParison of monitoring data and simulation results
給土體模型四周添加位移邊界以及隧道兩端的網(wǎng)格劃分不均勻等因素導致隧道兩端的應力發(fā)生突變,為避免此問題,本次仿真模擬切斷了該區(qū)間隧道兩端各10 m的距離進行修正,結果如表4所示。最大主應力表示可能出現(xiàn)的最大拉應力(數(shù)值為正),最小主應力表示最大壓應力(數(shù)值為負)。應力分布如圖4所示。
圖4 區(qū)間隧道結構最大主應力與最小主應力Fig.4 Maximum and minimum principal stresses in the interval tunnel structure
表4 隧道襯砌結構應力狀態(tài)
施工完成后的應力狀態(tài)如表5所示,應力分布如圖5所示。
圖5 區(qū)間隧道結構最大主應力與最小主應力(施工完成)Fig.5 Maximum and minimum principal stresses in the interval tunnel structure(Construction completed)
分析可知,在沈北萬達廣場工程建筑物施工完成后,區(qū)間隧道結構所受到的最大拉應力數(shù)值增大0.11 MPa;而最大壓應力數(shù)值增大0.73 MPa;相對于建筑物施工前分別增大了12.94%、14.60%。
表5 隧道襯砌結構應力狀態(tài)(施工完成)
建筑物施工前區(qū)間隧道結構在單元坐標系Y軸方向的軸力和彎矩如圖6所示。根據(jù)隧道結構軸力圖和隧道結構彎矩圖,得到區(qū)間隧道結構受力狀態(tài)如表6所示。經(jīng)模擬計算,建筑物施工完成后隧道結構在單元坐標系Y軸方向的彎矩和軸力如圖7所示。根據(jù)隧道結構軸力圖和隧道結構彎矩圖,得到區(qū)間隧道結構受力狀態(tài)如表7所示。
圖6 彎矩和軸力變化情況Fig.6 Variation des moments de flexion et des forces axiales
表6 區(qū)間隧道結構受力狀態(tài)
圖7 彎矩和軸力變化情況(施工完成)Fig.7 Variation des moments de flexion et des forces axiales
分析可知,在沈北萬達廣場工程施工完成后,最大軸力增大10.84 kN,最大彎矩增大46.02 kN· m;相對于建筑物施工前分別增大了8‰、17.57%。
表7 區(qū)間隧道結構受力狀態(tài)(施工完成)
3.3.1 建筑物施工前的特征截面分析
(1)隧道結構最大拉應力截面分析。區(qū)間隧道結構拉應力最大值點,截取其所在截面的應力云圖,如圖8所示。根據(jù)截面沿著X軸各個節(jié)點的拉應力值,繪制出隧道截面的拉應力變化趨勢,如圖9所示。
單位:kN/m2圖8 區(qū)間隧道結構最大拉應力處截面圖Fig.8 Cross section at the maximum tensile stress of the tunnel structure in the zone
X值為模型坐標圖9 隧道截面的拉應力變化趨勢Fig.9 Trend of tensile stress in tunnel cross-section
建筑物施工前,拉應力變化曲線呈現(xiàn)出W形。上半隧道相較于下半隧道拉應力變化更為陡峭,最大拉應力出現(xiàn)在隧道襯砌的頂部,應力大小為5.401 5 MPa。是由于拱頂受到土體的壓力相較于兩側拱腰及拱底受到土方的壓力較小,抗拉作用更明顯。利用origin軟件對圖9中的數(shù)據(jù)進行擬合,得到此截面的拉應力變化趨勢模型如下。
上半隧道:
y=-3.331×1013+7.56×1011x-7.148×109x2+3.605×107x3-102 249.39x4+154.68x5-0.097 5x6,R2=0.99
(3)
下半隧道:
y=-4.453×1012+1.011×1011x-9.57×108x2+4 829 858.897x3-13 710.92x4+20.758x5-0.013x6,R2=0.99
(4)
式中:y為拉應力,MPa;x為隧道沿著仿真模型的水平位置,m。通過F相關性檢驗。
(2)隧道結構最大壓應力截面分析。同理,繪制出隧道截面的壓應力變化趨勢,如圖10所示,壓應力變化趨勢如圖11所示。
壓應力變化曲線呈現(xiàn)出M形,與拉應力變化趨勢相對稱。最大壓應力出現(xiàn)在隧道的右拱腰處,應力大小為8.685 3 MPa。是由于隧道的兩拱腰受到土體的壓力相較于拱頂及拱底受到土方的壓力大,抗壓作用更明顯。數(shù)據(jù)擬合得到此截面的壓應力變化趨勢模型如下。
單位:kN/m2圖10 區(qū)間隧道結構最大壓應力處截面圖Fig.10 Cross section at the maximum compressive stress of the tunnel structure in the interval
X值為模型坐標圖11 隧道截面的壓應力變化趨勢Fig.11 Trend of compressive stress in tunnel section
上半隧道:
y=2.483×1012-8.07×1010x+1.093×109x2-
7 889 854.581x3+32 044.508x4-
69.41x5+0.062 64x6,R2=0.99
(5)
下半隧道:
y=-9.62×1011+3.129×1010x-4.23×108x2+3 064 122.5x3-12 456.23x4+27.006x5-0.024 4x6,R2=0.99
(6)
3.3.2 建筑物施工后的特征截面分析
(1)隧道結構最大拉應力截面分析。隧道結構拉應力最大值點所在截面的應力云圖如圖12所示,拉應力變化趨勢如圖13所示。
單位:kN/m2圖12 區(qū)間隧道結構最大拉應力處截面圖Fig.12 Cross section at the maximum tensile stress of the tunnel structure in the zone
X值為模型坐標圖13 隧道截面的拉應力變化趨勢Fig.13 Trend of tensile stress in tunnel cross-section
建筑物施工后,拉應力變化曲線呈現(xiàn)W形。上半隧道相較于下半隧道拉應力變化更陡峭,整體相較于施工前更為陡峭。最大拉應力值點出現(xiàn)在隧道襯砌結構拱頂,應力大小為6.176 9 MPa,相較于施工前增加了0.775 4 MPa,增幅14.36%。是由于上方建筑物加載傳遞至周邊土體的壓力變大,拱頂?shù)目估饔酶黠@。進行擬合后得到此截面的拉應力變化趨勢模型如下。
上半隧道:
y=-5.086×1012+1.538×1011x-1.938×109x2+1.302×107x3-49 220.08x4+99.218x5-0.083x6,R2=0.99
(7)
下半隧道:
y=-1.53×1012+4.619×1010x-5.812×108x2+3 898 876.235x3-14 712.654x4+29.61x5-0.024x6,R2=0.99
“‘聯(lián)合體’的前身是‘聯(lián)合社’。雖然都是農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體的聯(lián)合,但‘聯(lián)合社’只有一產(chǎn)(農(nóng)業(yè)),與二、三產(chǎn)業(yè)脫節(jié),農(nóng)業(yè)經(jīng)營主體從農(nóng)產(chǎn)品深加工及服務環(huán)節(jié)獲益偏少?!表n素蘭回憶,2012年夏天,宿州市委一位負責人在“聯(lián)合社”考察時提出,要延長農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條,打通一二三產(chǎn)業(yè),跳出就農(nóng)業(yè)發(fā)展農(nóng)業(yè)的模式。當年9月,意利達創(chuàng)建了首個現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體,在引入加工型、服務型龍頭企業(yè)的同時,構建上下游銜接配套的全產(chǎn)業(yè)鏈,逐步形成以農(nóng)業(yè)為基礎,加工、流通、儲運、生態(tài)、旅游、文化等產(chǎn)業(yè)聯(lián)動的多功能綜合性生產(chǎn)經(jīng)營體系。
(8)
式中:y為拉應力,MPa;通過F相關性檢驗。
(2)隧道結構最大壓應力截面分析。隧道結構壓應力最大值點所在截面的應力云圖如圖14所示,壓應力變化趨勢如圖15所示。
單位:kN/m2圖14 區(qū)間隧道結構最大壓應力處截面圖Fig.14 Cross section at the maximum compressive stress of the tunnel structure in the interval
X值為模型坐標圖15 隧道截面的壓應力變化趨勢Fig.15 Trend of compressive stress in tunnel section
壓應力變化曲線呈現(xiàn)出M形。最大壓應力出現(xiàn)在隧道襯砌的右拱腰處,大小為9.398 8 MPa,較施工前增加了0.713 4 MPa,增幅8.24%。建筑物加載傳遞至隧道周邊土體的壓力變大,拱腰抗壓作用更明顯。壓應力變化趨勢模型如下。
上半隧道:
y=1.069×1011-5.547×109x+1.2×108x2-1 383 290.74x3+8 972.472x4-31.037x5+0.044 7x6,R2=0.99
(9)
下半隧道:
y=5.23×1010-2.721×109x+5.898×107x2-681 870.218x3+4 433.57x4-15.373x5+0.022x6,R2=0.99
(10)
式中:y為壓應力,MPa;通過F相關性檢驗。
經(jīng)模擬計算,得到建筑物施工前后隧道結構豎向位移如圖16所示,數(shù)據(jù)如圖17所示。
圖16 施工前后豎向位移云圖Fig.16 Vertical displacement clouds before and after construction
圖17 建筑物施工前后隧道沉降變形對比Fig.17 CoMParison of tunnel settlement deformation before and after building construction
分析建筑物施工前后內(nèi)側隧道各個拱頂節(jié)點的沉降量,提取兩種工況下的隧道拱頂沉降量數(shù)值,繪制變化折線。在建筑物施工前,隧道結構的拱頂沉降量變化幅度小,主要集中在3.000 0~3.500 0 mm。施工完成后,建筑物對基坑土所施加的壓力,會導致基坑正下方區(qū)間隧道結構的沉降量大幅提高,其中拱頂?shù)淖畲蟪两盗繛?0.047 5 mm。而對于遠離建筑物施工的隧道部分,拱頂沉降量基本保持在3.000 0 mm左右。
建筑物施工前后隧道結構水平變形云圖如圖18所示,數(shù)據(jù)如圖19所示。
圖18 施工前后橫向位移云圖Fig.18 Lateral displacement clouds before and after construction
圖19 建筑物施工前后隧道水平收斂對比Fig.19 CoMParison of horizontal convergence of tunnel before and after building construction
建筑物施工之前,襯砌結構的水平收斂值呈現(xiàn)出先逐漸下降,后保持穩(wěn)定的趨勢,水平收斂最大值為5.671 4 mm。這是由于襯砌結構受到上層土壓力出現(xiàn)了向兩側擴張的趨勢。隧道前半段為曲線段,其各截面的水平收斂值一直在變化,后半段的直線段部分各截面的水平收斂值始終保持在2.500 0 mm左右。施工后襯砌結構的水平收斂值仍呈現(xiàn)出整體下降的趨勢,而處于施工區(qū)域正下方的隧道水平收斂值有一個較大幅度的上升,最大值為7.904 9 mm。說明建筑物施工給下方土帶來的巨大壓力會傳遞到地下的隧道,使得隧道兩側向外擴展,水平收斂值急劇增大。
4.3.1 建筑物施工前隧道結構最大沉降處截面
提取隧道結構的最大沉降點的截面云圖(方法同3.3節(jié)),得到截面沿著X軸各個節(jié)點的豎向變形值,繪制出隧道截面的豎向變形趨勢如圖20所示。
X值為模型坐標圖20 隧道最大沉降處的截面變形Fig.20 Cross-sectional deformation at the maximum settlement of the tunnel
建筑物施工前,隧道結構受到四周均勻土壓力的作用,該截面的豎向變形曲線呈現(xiàn)出O形。上半隧道全部發(fā)生了沉降,而下半隧道全部產(chǎn)生了隆起變化。左右拱腰的豎向變形趨于0,從拱腰到拱頂和拱底,豎向變形值逐漸增大。頂部的沉降量最大,為3.293 0 mm。利用origin軟件對圖20中的數(shù)據(jù)進行擬合,得到隧道最大沉降截面處的豎向變形模型如下。
上半隧道:
y=-0.000 000 106+131 173.358x-610.262x2+1.262x3-0.000 978x4,R2=0.99
(11)
下半隧道:
y=0.000 007 62-94 590.536x+440.091x2-0.910x3+0.000 706x4,R2=0.99
(12)
式中:y為隧道豎向變形,m;x為隧道沿著仿真模型的水平位置,m。通過F相關性檢驗。
4.3.2 建筑物施工后隧道結構最大沉降處截面
提取隧道結構的最大沉降點的截面云圖,繪制出隧道截面的豎向變形趨勢,如圖21所示。
X值為模型坐標圖21 隧道最大沉降處的截面變形(施工完成)Fig.21 Cross-sectional deformation at the maximum settlement of the tunnel (Construction completed)
建筑物施工后,隧道結構受到上方建筑物加載壓力,該截面的豎向變形曲線呈現(xiàn) O形。上半隧道的全部和下半隧道的絕大部分發(fā)生了沉降,下半隧道拱底產(chǎn)生了略微隆起,位移最大值為0.116 8 mm。從拱腰到拱頂和拱底,豎向變形值逐漸增大。頂部的沉降量最大,為10.047 5 mm。數(shù)據(jù)擬合得到建筑施工后隧道最大沉降截面處的豎向變形模型如下。
上半隧道:
y=-6 549 194.358+98 093.531x-550.96x2+1.375x3-0.001 29x4,R2=0.99
(13)
下半隧道:
y=5 976 836.845-89 524.653x+502.853x2-1.255x3+0.001 18x4,R2=0.99
(14)
式中:y為隧道豎向變形,m;x為隧道沿著仿真模型的水平位置,m。通過F相關性檢驗。
通過對沈北萬達廣場工程建筑物荷載施加前后區(qū)間隧道結構應力狀態(tài)、水平和豎向位移的變化規(guī)律及特征截面進行仿真分析,得出以下結論。
(1)與建筑物荷載未施加時的隧道結構受力與變形相比較,在建筑物施工完成時,區(qū)間隧道結構所受最大壓應力數(shù)值增大0.713 4 MPa,最大拉應力數(shù)值增大0.775 4 MPa;拱頂沉降增大6.611 8 mm;水平收斂增大了2.233 5 mm;最大軸力增大10.84 kN;最大彎矩增大46.02 kN·m。由此看出,建筑物項目施工后對區(qū)間隧道結構受力和變形均產(chǎn)生影響。
(2)通過特征點分析得到:建筑物荷載施加前,由于隧道受到均布土壓力的作用,其最大拉應力值點位于隧道襯砌的拱頂,最大壓應力值點位于隧道的右拱腰處,最大沉降點位于隧道襯砌結構拱頂,兩側拱腰的豎向變形趨于0;建筑物施工后,最大拉應力和最大壓應力分別增大12.94%、14.60%,而最大沉降截面處的上半隧道和下半隧道絕大部分發(fā)生了沉降變形,拱底發(fā)生了略微隆起現(xiàn)象。
(3)通過分析建筑物荷載施加前后的特征界面的變形曲線,呈現(xiàn)最大拉應力W形,最大壓應力M形,最大沉降O形的變化規(guī)律,構建了隧道截面變形模型,為日后的隧道安全理論研究提供支持。
本文研究主要針對建筑物荷載施加因素對區(qū)間隧道安全影響進行了仿真分析,對于實際建筑實體工程,建筑施工是一個跟隨施工進度的過程,與建筑結構、基礎結構有關,沒能模擬建筑荷載施加過程中土體固結的時間效應,未來還需完善此動態(tài)過程。