城市建筑物下隧道臺階法開挖數值分析

摘 要：文章運用ANSYS有限元軟件，建立城市建筑物下隧道臺階法開挖的有限元模型，對不同圍巖等級、不同埋深法的條件下，比較和研究了建筑物、路面及基礎沉降、襯砌及錨桿受力等，得出在隧道設計過程中，應綜合考慮隧道埋深和土體特性等因素，在隧道修筑過程中，應盡量使上下拱圈平滑相交，盡量避免出現應力突變。

關鍵詞：隧道開挖；沉降；隧道埋深；圍巖等級

1 有限元模型的建立

隧道模型的基本數據如下：由兩同心圓斷面構成，半徑分別為5.45m與4.55m，縱向長度取100m，巖體底部與隧道底部的距離約為30m。設置邊界條件如下：上邊界為自由邊界，至地表；其余三邊取為約束邊界，側邊限制水平向位移，對于底邊，限制其水平和豎向位移。建筑物樓層數取7層，每層3米，基礎混凝土標號取為C20，彈性模量大小為25.5Gpa，泊松比0.2，密度2.5g/cm3，樓層采用C30混凝土，彈性模量為30Gpa，泊松比取0.2，密度為2.5g/cm3。使用三種單元進行模擬：實體單元（Plane42），用于模擬圍巖；桿單元（Link1），用于模擬錨桿；梁單元（Beam3），用于模擬鋼拱架、噴射混凝土和建筑物的。

2 綜合對比分析

2.1 相同圍巖等級，不同埋深結果分析

由圖1中可知，在圍巖等級為Ⅰ類時，埋置深度不同時，隨隧道埋深增加，建筑物基礎沉降逐漸增大。圍巖等級越高就意味著圍巖質量越差，基礎沉降也越大。

對隧道拱頂各節點沉降分析可知，均呈對稱光滑曲線分布。由圖和數據分析可得，在中心軸線處，路面隧道頂部沉降最大，最大路面沉降小于最大拱頂沉降，路面沉降小于拱頂沉降；對于位移，隧道側壁位移小于拱頂位移。

隧道埋置深度條件不同時，錨桿單元頂部由側壁中點到隧道拱頂處主要承受拉力，拱圈上半部與下半部銜接處，主要承受壓力，數值逐漸增大；對于Ⅰ類圍巖：埋置深度為3米和5米的錨桿頂部單元，在拱頂處，軸力突變現象會發生；當埋置深度大于10米后，隨著軸力的逐漸增大，軸力突變現象逐漸消失。由圖可見，錨桿底部單元均受拉力，受力大小比錨桿頂部所受拉力大，以隧道鉛垂方向直徑為軸呈對稱分布，隨著隧道埋深的增加，錨桿頂部和底部單元應力均逐漸增大。

由圖1可知，隨著隧道埋深的增加，襯砌單元應力數值逐漸增大，不同的是，隧道頂部和底襯砌單元以受拉為主，而側壁單元以受壓為主。不同埋深條件下，各單元所受彎矩相差不大。

相同圍巖種類，埋置深度不同時，由圖示可知，隧道埋深增加的同時，路面沉降逐漸增大。另外，對地表的影響范圍以及所引起的路面沉降槽，隨著隧道深度越大而逐漸變大。

由圖1數據分析可以得出：對應不同得隧道埋置深度時，在其他各類圍巖等級條件下，得出了與Ⅰ類圍巖相似的數據，所不同的是，隨著圍巖等級的不斷提高，隧道埋置深度的增加，路面沉降、隧道拱頂沉降均逐漸增大。所以，在城市隧道施工過程中，應重點防護隧道拱頂和側壁中點處。隨著圍巖等級的不斷提高，隧道埋置深度的增加，所得各項數據也相應有所增大。

在同樣圍巖級別下，建筑物基礎及隧道沉降變形的差異在不同的隧道埋置深度條件下也是很大的。所以只采用圍巖等級來進行設計是不夠的，土體特性還應該充分考慮，而對于地質條件非常復雜的地區，應根據隨圍巖性質的不同，及時調整施工方法。

2.2 隧道相同埋置深度，不同圍巖等級條件下的結果分析

不同類型圍巖結果對比分析，從圖2可得：隨著圍巖等級的逐漸提高，路面沉降值逐漸增大，尤其，較前三類圍巖，路面沉降值在Ⅳ、Ⅴ類圍巖等級時顯著增加。

由于建筑物基礎與拱頂上周無任何接觸，所以不存在位移突變，城市隧道拱頂節點沉降至所成曲線，為一條光滑對稱曲線，形成的拋物線比較光滑。

從圖2可以得出，隨圍巖等級的增大，建筑物的基礎表面節點沉降值逐漸增大。在中心軸線處，路面、建筑物基礎和隧道頂部的沉降值最大，隨圍巖等級的增大，圍巖質量越差，沉降值越大。

由圖1可以看出：埋深為5m、10m、15m、20m時，所得數據在不同種類圍巖條件下，在形式上與埋深3m時的相似，所不同的是，路面沉降值、基礎表面沉降值和拱頂沉降值，隨著圍巖等級的增加均逐漸增大；而對于應力突變現象，在錨桿頂部的拱頂中央處，此現象也逐漸消失，越靠近隧道頂部，錨桿的拉力越大；在隧道上下半部交匯處，錨桿底部的應力突變現象還是存在，越靠近隧道頂部錨桿的拉力越大；在隧道上下半部交匯處，襯砌單元的軸力和矩也存在應力突變現象。所以，在城市隧道施工過程中，應重點防護隧道側壁中點處。隨著圍巖等級的增加，在不同埋深時，各項數據的相應值逐漸增大。

3 結束語

當隧道埋置深度相同時，降隨圍巖等級的提高，地表沉降值、建筑物基礎表面沉降值和隧道圍巖拱頂沉降值逐漸增大；支護體系中，降隨圍巖等級的提高，錨桿的軸力和襯砌的彎矩也逐漸增大。隧道側壁中點處有應力突變現象，因此，在隧道修筑過程中，應盡量使上下拱圈平滑相交。

參考文獻

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