隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩預(yù)測(cè)方法研究

袁厚海 龍煥林 王志杰

隨著隧道工程的施工環(huán)境條件日益復(fù)雜，隧道工程信息化施工得到廣泛應(yīng)用，在其實(shí)踐過程中，由于開挖改變了原土體的應(yīng)力場(chǎng)，必然會(huì)導(dǎo)致周圍地層的移動(dòng)，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形破壞、周圍地表沉降、基坑失穩(wěn)等。然而由于巖土體性質(zhì)的復(fù)雜多變性及各種計(jì)算模型的局限性，很多隧道工程的理論和設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)往往有較大差異，因此隧道監(jiān)測(cè)顯得尤為必要，然而隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩作為評(píng)價(jià)基坑安全穩(wěn)定的重要指標(biāo)，目前還沒有儀器能直接測(cè)出支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值。本文先根據(jù)數(shù)值分析方法，即有限元法模擬隧道開挖時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩，并利用設(shè)計(jì)規(guī)程所廣為采用的解析方法得出支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩，然后采用基于隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜數(shù)據(jù)推導(dǎo)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩[1］，最后將彎矩實(shí)測(cè)值、設(shè)計(jì)值和理論值進(jìn)行分析對(duì)比，得到一個(gè)相對(duì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩推導(dǎo)方法。

1 工程概況

該隧道位于海口市華僑中學(xué)內(nèi)，隧道開挖長度為357m，寬為26m，高為8m，明洞段K0+213～K0+220采用明挖順作法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼板樁;暗埋段K0+220～K0+500采用蓋挖順作法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為基坑開挖時(shí)的擋土結(jié)構(gòu)，使用階段與主體結(jié)構(gòu)共同受力;敞開段K0+500～K0+570段采用明挖順作法，使用階段不參與主體結(jié)構(gòu)受力。由于所處地區(qū)地下防空洞情況復(fù)雜，加之?？谑猩形从薪ㄟ^隧道的經(jīng)驗(yàn)，隧道監(jiān)測(cè)顯得尤為必要，除了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還在支護(hù)結(jié)構(gòu)中埋設(shè)了鋼筋應(yīng)力計(jì)，使之能更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的實(shí)時(shí)情況，為工程安全提供重要保證。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩?cái)?shù)值分析

采用平面應(yīng)變有限元模擬隧道暗埋段開挖，考慮模型對(duì)稱性后取1/2模型進(jìn)行計(jì)算(見圖1)，平面尺寸為50m×20m，隧道寬17m，外側(cè)10m內(nèi)施加q=10 kN/m的均布荷載，隧道坑最大開挖深度為8m，分兩次開挖，第一次開挖4m，第二次開挖4m到隧道坑底部，土體采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元模擬，豎向邊界約束水平位移，下邊界約束水平和豎直方向的位移?？紤]折減后混凝土的彈性模量 E=24 GPa，μ =0.15，ρ=2 500 kg/m3。圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓剛度 EA=1.44×107kN/m，抗彎剛度 EⅠ=4.32 ×105(kN·m5)/m。土體本構(gòu)模型采用Plaxis HS模型[2］，土層和界面參數(shù)見表1。

通過有限元計(jì)算可以得到沿支護(hù)結(jié)構(gòu)深度方向各點(diǎn)的彎矩值(kN·m)，具體見表2。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩設(shè)計(jì)值計(jì)算

采用等值梁法，樁入土坑底內(nèi)，一端彈性嵌固另一端簡(jiǎn)支的梁來研究。擋墻兩側(cè)作用著分布荷載，即主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力。在計(jì)算過程中主要是樁的入土深度、擋墻彎矩[3］。

表1 土層和界面參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩模擬值

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將各層土體加權(quán)平均，可得c=29.9 kPa，φ=21.5°，γ =19.5 kN/m3。

可取 δ=2φ/3=18.2°，ε =0，β =0，h1=2m，h2=10m，代入可得:

隧道支護(hù)簡(jiǎn)圖如圖2所示，將支護(hù)樁畫成一條簡(jiǎn)支梁，其荷載為土壓力，如圖3所示。簡(jiǎn)支梁長l=h2-h1+u，則可得各點(diǎn)的彎矩，支護(hù)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的彎矩計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)作為簡(jiǎn)支梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩解析值

4 基于支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜數(shù)據(jù)的彎矩推導(dǎo)

圍護(hù)墻彎矩可由埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)間接測(cè)得，目前還沒有儀器能直接測(cè)出來，通常根據(jù)曲率和抗彎剛度EⅠ間接得出:

采用分段三次曲線擬合，分段三次曲線能很好的擬合拐點(diǎn)。通過四點(diǎn)就可以確定一個(gè)三次多項(xiàng)式w(z)=az3+bz2+cz+d，如果超過四點(diǎn)，則擬合曲線并不通過全部的數(shù)據(jù)點(diǎn)。本文采用基于五點(diǎn)的分段三次曲線擬合，其中i點(diǎn)曲率即為擬合曲線二階導(dǎo)數(shù):

通過埋設(shè)測(cè)斜管，可以得到支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移，如表4所示，然后采用連續(xù)分段三次曲線擬合得到曲率，進(jìn)而可以得到支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩實(shí)測(cè)值，如表5所示。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜數(shù)據(jù)

表5 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩實(shí)測(cè)推導(dǎo)值

5 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩實(shí)測(cè)值、設(shè)計(jì)值和理論值分析對(duì)比

通過三種方法推導(dǎo)了隧道開挖時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩，即采用平面有限元可以得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩模擬值，然而通過解析方法同樣得到其彎矩解析值，最后利用圍護(hù)樁測(cè)斜數(shù)據(jù)推導(dǎo)了圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值。

如圖4所示，最大彎矩值位于圍護(hù)樁中間部5.5m處，靠近隧道底部。解析法得到的彎矩值比模擬和實(shí)測(cè)值大，實(shí)測(cè)值是波動(dòng)曲線，但曲線趨勢(shì)與模擬得到的曲線一致，證明提出的支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算方法的有效性和實(shí)用性。

圖4 彎矩值對(duì)比分析圖

6 結(jié)語

在已有研究成果和對(duì)實(shí)測(cè)資料分析處理的基礎(chǔ)上，本文就圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值預(yù)測(cè)方法進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，根據(jù)隧道施工實(shí)踐，給出了利用測(cè)斜數(shù)據(jù)計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩的推導(dǎo)方法。通過文中工程實(shí)例實(shí)測(cè)值與解析值和模擬值的對(duì)比研究，證明提出的支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩預(yù)測(cè)方法的有效性和實(shí)用性，對(duì)實(shí)際工程中彎矩預(yù)測(cè)有重要意義。

工程中由于場(chǎng)地條件、施工工序及方法等各種因素，往往導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值存在一定偏差，有關(guān)更加實(shí)用的預(yù)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩值方法還有待進(jìn)一步研究。

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