隧道施工對鄰近擴大基礎橋梁結構的影響研究

褚要武

摘 要：近年來，國家對鐵路發展的遠景規劃也擴展到山區、農村，出現新建的鐵路越來越多，同時加之城市規劃和生態環保的需求，社會對環、水保工作要求的也越來越高，這使得隧道工程所占的比例不斷增大。由于隧道施工，會對周邊環境造成較大影響，土體結構隨之改變，同時也很大程度上影響了周邊建筑物的安全性。

關鍵詞：隧道；地表位移；理論分析；建模

在隧道施工的過程十分艱難復雜，其中會遇到許多難解之題，這樣的情況下，有很大的可能會造成地層損失、局部地區地下水位大幅下降、地層表面及內部穩定性受到干擾，等等。這些嚴重的問題導致土層結構產生明顯且大幅度的變化，造成地面下沉的后果，嚴重影響附近地區和隧道施工建設的安全程度。為不再進行大面積拆遷，不建議采取明挖法。在隧道的施工過程中，比較常用的是暗挖施工.隧道礦山法施工，尤其在特殊地質地段，礦山法已成為一種難以取代的方法由于其工程造價明顯低于盾構法.對于很多城市采用礦山法進行隧道施工的情況來說，如何做到高效率的提高工程質量，是隧道施工的重中之重，只有工程質量提高，才能營造一個安全放心的隧道施工環境。因此，正確合理的計算出地表沉降的控制指標對工程施工非常重要，因為地表沉降會對環境造成許多嚴重影響，如果能夠合理的得出指標就能有效避免對環境的傷害。判斷地面變形程度主要是參考地層損失參數。地層損失包括兩種情況：造成地層損失的第一種情況是由于地表無法排水，原因是隧道在開挖初期或者剛剛通過盾構時產生地層損失；第二種是因為土層進行緩慢改變且逐漸固結所產生地層損失。研究至今，已經得出很多關于計算地面沉降的公式，遺憾的是，絕大多數的公式僅僅考慮了在不排水情況下產生的地層損失，并沒有考慮土層固結等引起的地面變形，通過初步計算再進行修正，使得結果盡可能地接近實測值.主要是因為很難全面考慮固結后的情況，因而始終不能有效解決由于固結產生沉降變形的問題。

1 理論探討和計算

現今存在許多影響隧道地層移動的因素，主要是由于隧道施工參數、開挖的深淺程度和隧道截面直徑、支護構造、地理力學特點及其周邊環境共同造成的。一般來說，地表沉降槽的寬度隨著開挖隧道的深度增加而增加，從而地表沉降程度變小，結論為：

經過多年研究，得出由于開挖隧道造成地面沉降變形的原因主要分為以下兩方面 ：一是因為隧道施工會使盆地沉降，但通過計算可以推算出地面沉降程度，該計算方法是以地面最大沉降量公式為基礎并假設地面沉降曲線滿足高斯分布的條件，計算公式為：

式中，為沉降槽的最大沉降量值， J代表到中心軸線的水平距離.為了使土壓達到平衡狀態，得出一個公式用來避免土層受干擾變形， 并通過隨即預測的方式

計算地面沉降程度，其計算公式為

另一方面，因為隧道施工使周邊環境發生變化，損害了環境的整體性，一定程度上影響了研究結果。為了能夠更加精準的計算出由于隧道施工造成的地面沉降，在不考慮固結帶來的影響的前提下，完善了高斯函數與屈服密度公式的缺憾，對比土層的構造模型，采用有限元法得出沉降結果

觀察圖示1，由計算得出結論，實際測量結果與固結造成的地面沉降的結果相吻合。

圖1 沿隧道橫斷面地表沉降曲線

2 構建模型

由于建筑的土體受重力影響，土層下沉已成為事實，假設新的沉降都是因為施工干擾了土體的穩定性。可以通過使用ANSYA10.0 軟件計算并設計模型。

2.1 基本假定

2.1.1 建立模型時，沒有全面考慮填充墻會對框架結構抗側剛度所造成的的影響，錯誤的計算填充墻的數值，將填充墻荷載誤算成10 kN/m，樓板面的荷載規定為5 kN/m2。

2.1.2 假設一種情況，在進行隧道施工時，十字交叉梁基礎與附近土層表面之間產生相互作用

2.1.3 在工程實施中，柱子和基礎都是固接的，并且基礎采用了實體單元二柱子采用了梁單元，所以在二者之間需要建立了96個耦合約束方程，以便協調位移，傳遞彎矩。

3 有限元模型尺寸和邊界約束條件的確定

（1）依據PECK 的沉降槽理論，計算寬為：

其中，Z代表隧道深度；□代表土體中形成的摩擦角度，依據實地測量的報告估算出各層土體的內摩擦角平均值，計算后沉降槽半寬為 17.5 m，在隧道軸線左側取30 m，若另一邊有建筑物，取50 m，這樣有效避模型邊界效應的影響。

4 空間分析模型

為了正確，科學，合理的分析模型結果，以平面分析為基礎，應該結合空間分析模型進行計算，這個主要原因有兩個方面：第一方面，平面模型具有一定的局限性。因為平面模型并不能全方位的反映出需要的信息，無法考慮不同構造物的空間工作狀況，只能反映出最不利位置和工況的可能結果，構造物與構造物之間的聯系較繁雜，不能僅僅根據片面的分析就得出設計結論；第二方面，因為隧道內部的橫豎曲線的半徑很小，因此應該在分析模型中考慮該因素的影響。

5 關于力學模型的參數取值

本文采用計算機軟件進行建模和受力分析，并且是進行了平面應變的受力分析計算，將道路下沉隧道、隧道管片襯砌的鋼筋混凝土假設為線彈性材料，圍巖考慮為彈塑性材料，對于平面模型和空間模型，力學參數取值是按照附近地段的工程地質詳勘報告提供的巖土計算，如表1所示。

表1 某城市大道工程下沉隧道力學模型中巖土力學參數取值表

模型號 鉆孔號 土層名稱 土層代號 彈性模量

（Pa） 泊松比 密度（kg/m3） 內聚力（Pa） 摩擦角（°）

1 MEZ3-SY-22 粉質粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40endprint

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

2 MEZ3-SY-24 雜填土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

3 MEZ3-SY-26 淤泥質土 <2-1B> 2.75E+06 0.00 1670 9600 10.40

粉細砂 <3-1> 1.00E+10 0.00 1890 0 0.00

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

4 MEZ3-SY-28 粉質粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

6 結語

據試驗得出，隧道在施工時，會受到不同程度干擾形成固結，在分析地面沉降的同時要充分考慮土層固結狀況和損失情況，在推理得出計算土層孔隙水壓消散的公式，算出沉降變值，對比分析實際沉降值，當土層固結變形與實際測量的結果相同時，會有利于提高工程實施的安全性。

參考文獻

[1] 姜忻良，趙志民，李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態的分析與計算叨[J].巖土力學，2004（10），25（10）：1542-1544.

[2] 劉洪震，趙運臣.廣州地鐵“越～三”區間盾構工程地表沉降原因分析叨[J].隧道建設2002（3）.

[3] 裘伯永，盛興旺，喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國鐵道出版社， 2002.endprint

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

2 MEZ3-SY-24 雜填土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

3 MEZ3-SY-26 淤泥質土 <2-1B> 2.75E+06 0.00 1670 9600 10.40

粉細砂 <3-1> 1.00E+10 0.00 1890 0 0.00

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

4 MEZ3-SY-28 粉質粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

6 結語

據試驗得出，隧道在施工時，會受到不同程度干擾形成固結，在分析地面沉降的同時要充分考慮土層固結狀況和損失情況，在推理得出計算土層孔隙水壓消散的公式，算出沉降變值，對比分析實際沉降值，當土層固結變形與實際測量的結果相同時，會有利于提高工程實施的安全性。

參考文獻

[1] 姜忻良，趙志民，李園.隧道開挖引起土層沉降槽曲線形態的分析與計算叨[J].巖土力學，2004（10），25（10）：1542-1544.

[2] 劉洪震，趙運臣.廣州地鐵“越～三”區間盾構工程地表沉降原因分析叨[J].隧道建設2002（3）.

[3] 裘伯永，盛興旺，喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國鐵道出版社， 2002.endprint

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

2 MEZ3-SY-24 雜填土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

3 MEZ3-SY-26 淤泥質土 <2-1B> 2.75E+06 0.00 1670 9600 10.40

粉細砂 <3-1> 1.00E+10 0.00 1890 0 0.00

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

4 MEZ3-SY-28 粉質粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70

粉質粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40

微風化泥巖 <9> 1.87E+10 0.27 2500 4000000 36.30

強風化泥巖 <7> 1.11E+07 0.14 2080 49600 29.90

中風化泥巖 <8> 1.60E+08 0.20 2400 250000 30.00

6 結語

據試驗得出，隧道在施工時，會受到不同程度干擾形成固結，在分析地面沉降的同時要充分考慮土層固結狀況和損失情況，在推理得出計算土層孔隙水壓消散的公式，算出沉降變值，對比分析實際沉降值，當土層固結變形與實際測量的結果相同時，會有利于提高工程實施的安全性。

參考文獻

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[3] 裘伯永，盛興旺，喬建東等.橋梁工程[M].北京：中國鐵道出版社， 2002.endprint