隧道施工对路面变形影响的数值分析.pdf

引言近年来，随着中国经济水平的大幅度的提升，城市建设规模及其力度也在不断加大，尤其是基础建设工程。与此同时，城镇化进程的加快，城市人口数量的增加，也为市政设施带来了前所未有的压力。由此可见，如何高效、高质量完成城市基础建设施工至关重要1。通常，大部分市政隧道工程需要经过城市主要干道，若采用明挖法施工，不但会妨碍正常道路交通，有可能还会威胁相邻建筑物与隧道的安全。除此之外，市政隧道工程直径比较小，对暗挖施工技术的要求也比较高。在此背景条件下，顶管法应运而生。顶管法是一种新型的暗挖施工技术，具有成本低廉、适用范围大等优势，并能够显著降低隧道施工对周围环境、道路交通的影响程度，由此受到了相关领域的关注与应用，成为了市政隧道工程广泛应用的关键施工手段之一。虽然顶管法发展逐渐成熟，但是依然存在路面变形现象。若路面变形超过一定阈值，就会产生相应的安全风险。本文以此为基础，应用 ABAQUS 软件模拟隧道施工过程，依据模拟数值分析地层沉积量、支护压力、注浆率对路面变形的影响规律。1 工程概况1.1 工程基本状况和主要特点1.1.1 基本状况隧道工程主要包含人行隧道与车行隧道。其中，人行隧道全长为 175m，不但能够满足基础的人行需求，并且兼顾了管线下穿等功能。其中车行隧道全长为 140m，暗洞为 90m，明洞为 50m2。隧道与建筑物之间的位置关系如图 1 所示。1.1.2 主要特点为了增加数值分析的精确度，对隧道工程主要特点进行分析，具体如下：一是跨度与断面大。隧道开挖最大高度达到了 13.8m，最大断面面积达到了 241m2。二是埋深浅。开挖面最高点与路面之间的距离为 13.1m，隶属于超浅埋隧道类型。三是间距小。两个隧道之间的土柱宽度仅有 4.7m，是单洞开挖宽度的 1/5。四是围岩复杂。隧道工程范围内，围岩级别达到了 V 级，以粉砂质泥岩为主，承载能力有限。五是上覆重要建筑物。隧道上方存在一个高压电塔，与隧道之间间隔 3.5m。1.2 地质条件概况隧道工程穿越丘陵区与山体，局部地区坡度较大，并存在少量的植被发育。通过钻探发现，隧道工程地层结构主要包括杂填土、植物层、坡残积粉质黏土、残积粉质黏土、粉砂质泥岩等，由于篇幅有限，本文不再对上述地层结构内容进行详细赘述。除此之外，隧道工程施工范围内也存在着不良地质，例如存在单斜构造的砂岩与泥岩，两者呈现层状结构，具有软、硬相间的特性，在施工过程中极易发生滑坡事件，对围岩级别产生极大的不利影响3。隧道施工对路面变形影响的数值分析李升（山西路桥桥隧工程有限公司，山西朔州036000）摘要：详细介绍隧道工程项目基础情况及其地质条件，以此为基础，应用 ABAQUS 软件模拟隧道施工过程，依据模拟数值分析地层沉积量、支护压力、注浆率对路面变形的影响规律。通过数值分析可知：地层沉积量、注浆率与路面变形程度存在显著的正相关关系；随着支护压力的增大，路面变形程度呈现先下降后上升的趋势，最低点对应的是支护压力平衡数值。依据数值分析结论给出相应的隧道施工建议，为隧道施工安全提供保障。关键词：数值分析；路面变形；隧道施工；地表沉降；影响数值图1 隧道与建筑物的位置关系260工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工2 隧道施工模拟当隧道施工开始后，路面变形需要经历一定的时间，在上述时间内，随着开挖面的逐渐推进，土体应力也会发生相应的变化。由此可见，在隧道施工模拟过程中，不但需要考虑复杂的地质条件、施工方式等，还要考虑推进过程中的空间效应、时间效应等，使其最大限度的接近真实的隧道施工过程。此研究应用 ABAQUS 计算软件模拟隧道施工过程，具体思路如下所示。2.1 数值计算由于地质条件与隧道结构均具有高度非线性，使得隧道工程开挖过程也存在着显著的非线性特性，即隧道施工过程土体应力状态较为复杂，导致对路面变形的影响分析较为困难。本研究采用有限元法，分析隧道施工过程中路面的应力与变形。2.1.1 施加地层初始应力的条件本研究采用有限元法，分析隧道施工过程中路面的应力与变形。有限元法计算时，施加地层初始应力需要满足一定的条件，具体如下：一是屈服条件。施加应力必须保证在材料屈服面上。二是平衡条件。初始应力场构成的节点荷载需要与外力荷载保持一定的平衡水平。2.1.2 初始应力计算由于隧道工程岩石构造应力无法确定，因此在数值计算过程中忽略构造应力对土体整体的影响，制定初始应力计算公式如下：（1）式中：x、y、z三个方向上的初始应力；0静止侧压力系数；i第层土体的质量；Hi第层土体的厚度；n隧道工程中土体的总层数。将公式（1）的计算结果，输入至隧道工程有限元模型的形心，即可获得初始应力场，为后续开挖过程模拟提供一定的支撑。2.2 开挖过程模拟2.2.1 设置开挖边界剪切力与径向应力以上述数值计算结果初始应力场为依据，将其假定为重力场，划分隧道工程，即挖去部分与保留部分，其对应质量分别为与4。理想条件下，若被挖走，其对的约束与外力效应消失。但在实际施工中，土体挖掘是一个需要一定时间的过程，因此需要在下面进行支护。隧道施工开始前，围岩初始应力状态为，对应初始位移场为；隧道施工开始后，为了方便研究的进行，设置开挖边界剪切力与径向应力均为零。2.2.2 具体模拟过程开挖过程模拟主要分为 3 个部分，分别为围岩应力释放模拟、隧道超前支护模拟、隧道开挖与支护模拟，具体模拟过程如下：一是围岩应力释放模拟。基于新奥法理论，采用“刚度折减法”来模拟围岩应力释放过程，其最关键环节就是设置围岩的刚度参数随场变量的下降规则，使其符合实际的隧道施工情况。二是隧道超前支护模拟。采用超前注浆小导管或者管棚对围岩进行超前支护，构成一个环向加固层。在模拟过程中，不断增加力学指标数值，来观察路面变形的情况。三是隧道开挖与支护模拟。在 ABAQUS 软件中设置支护单元与开挖土体单元，通过软件相关操作功能对开挖与支护过程进行模拟5。3 路面变形影响数值分析3.1 地层沉降量对路面变形影响分析地层沉降量是引起路面变形的直接原因，且无法避免，两者之间关系极为紧密，相互影响。通过隧道施工模拟得到地层沉降量与路面变形之间的关系如图 2 所示。从图 2 可以看出，随着地层沉降量的增加，路面与隧道轴向的垂直距离呈现逐渐下降的趋势，也就是说路面变形逐渐严重。需要注意的是，此研究采用的是顶管法隧道施工手段，以顶管进入开始观察，路面变形历程为先隆起后沉降，最终趋于稳定。这主要是因为顶管进入，会对土体施加外力，使得土体产生挤压效应，土体宽度减小，高度增加，从而致使路面出现隆起现象。随着挖去部分的逐渐减少，土体所受外力呈现逐渐下降的趋势，土体挤压效应逐渐消失，土体宽度增加，图2 地层沉降量与路面变形关系CM&M 2023.04261高度下降，从而致使路面出现沉降现象。隧道施工结束后，地层沉降持续一段时间后停止，此时路面步入稳定阶段，除了路面下方隧道出现坍塌、毁坏等事故，几乎不会再产生变形现象。3.2 支护压力对路面变形影响分析开挖面支护压力也是影响路面变形的主要因素之一。适当的开挖面支护压力，会使隧道施工土体达到平衡状态，此时路面不会发生变形现象。但这仅仅是理想状态，在实际施工过程中很难达到。一般情况下，若开挖面支护压力过大，路面会出现隆起变形；若开挖面支护压力过小，路面会出现沉降变形。为了方便研究的进行，以未变形路面为基准，将路面隆起变形记为“+”，将路面沉降变形记为“-”。通过隧道施工模拟，得到开挖面支护压力与路面变形之间的关系如表 1 所示。从表 1 可以看出，随着开挖面支护压力的降低，路面变形呈现先下降后增长的趋势。需要注意的是，路面变形程度主要由隆起量或者沉降量的绝对值决定。当开挖面支护压力为 200kPa 时，隧道施工土体达到平衡状态，路面变形数值为 0m，表明路面无变形现象。当开挖面支护压力大于 200kPa 时，路面产生隆起变形。随着支护压力的增加，隆起变形数值逐渐加大；当开挖面支护压力小于 200kPa 时，路面产生沉降变形。随着支护压力的减小，沉降变形数值逐渐加大。3.3 注浆率对路面变形影响分析注浆率的大小也会一定程度的影响路面变形。为了简化研究过程，将注浆率简化为等代层弹性模量。通过隧道施工模拟得到注浆率（等代层弹性模量）与路面变形之间的关系如表 2 所示。从表 2 可以看出，随着注浆率（等代层弹性模量）的降低，路面变形程度呈现逐渐下降的趋势，两者表现为显著的正相关关系。在符合隧道施工工期等条件的前提下，要尽可能降低注浆率（等代层弹性模量），以此来参考文献1 王磊,骆建军,高立平,等.地铁隧道斜穿施工对桥桩影响的 数值分析 J.北京交通大学学报,2020,44(4):24-33.2 杨平,周志良,黄晓东,等.钻孔灌注桩施工对邻近既有隧道 影响数值分析 J.沈阳建筑大学学报:自然科学版,2020,36(6):1064-1073.3 卞荣,刘华清,陈飞,等.考虑土体小应变刚度的地表堆载对 隧道影响数值分析 J.科学技术与工程,2020,20(18):7407-7412.4 张志华.加油站埋地储油罐爆炸对盾构隧道影响的数值分析及 处理措施 J.爆破,2020,37(2):136-140.5 扈萍,马梁,李萌,等.小净距隧道后行洞开挖对先行洞的变形 影响 J.济南大学学报:自然科学版,2022,36(3):246-251+272.降低路面变形的可能性。4 结束语本文详细介绍隧道工程项目基础情况及其地质条件，以此为基础，应用 ABAQUS 软件模拟隧道施工过程，依据模拟数值分析地层沉积量、支护压力、注浆率对路面变形的影响规律。具体结论如下：地层沉降量与路面变形程度呈现正相关关系，地层沉降量越大，路面变形程度更严重。开挖面支护压力存在一个平衡数值。当支护压力大于平衡数值时，随着支护压力的增加，路面变形程度更大，此处变形为路面隆起；当支护压力小于平衡数值时，随着支护压力的下降，路面变形程度更大，此处变形为路面沉降。注浆率（等代层弹性模量）与路面变形程度呈现正相关关系，注浆率（等代层弹性模量）越小，路面变形程度更低。依据上述的数值分析结论结果，给出隧道施工相关建议：一是合理控制开挖面支护压力与注浆率（等代层弹性模量），尽可能使土体维持在平衡状态，注浆率不能超过工程允许范围；二是实时监测路面变形情况，防止其超出正常范围，威胁路面上方与周围建筑物、环境的安全。表1 开挖面支护压力与路面变形关系模拟次数/次开挖面支护压力/kPa路面变形/m1300+1.52270+1.23250+1.04230+0.75210+0.5620007190-0.38170-0.49150-0.810130-1.111100-1.7表2 注浆率与路面变形关系模拟次数/次等代层弹性模量/MPa路面变形/m120-2.6218-2.0316-1.7414-1.4512-1.2610-1.078-0.986-0.694-0.5102-0.1