略论隧道变形的拯救办法

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1隧道工程概况

拟建的建筑物位于广东省东莞市环东路以西，查验东路以北，保税中路以东。地块呈东西长向，地势较为平坦，项目建设用地面积67946．32m2。其中5，6号仓库位于广深高铁狮子洋隧道DK41＋600～DK42＋000段正上方，地表仓库距离隧道约28m，其结构采用门式框架结构，仓库内地面堆载50kN／m2。狮子洋隧道全长10．8km，拟建建筑物下部区段隧道为盾构隧道，盾构内径9．8m，外径10．8m。管片采用C50高性能耐腐蚀混凝土，混凝土抗渗等级S12。每环环向接缝采用22只M36纵向斜螺栓连接，每环衬砌纵缝内共采用24只M36环向斜螺栓连接。1．2工程水文地质条件仓库下部地层由上至下为：①人工填土层，组成物主要为粘性土，欠压实，层厚0．40～3．55m，平均厚度1．36m，层顶埋藏标高－0．09～2．85m；②海陆交互相沉积层，主要分布有粉质粘土层、淤泥层、淤泥质土层、粉土层、粗砾砂层、圆砾土层等；③冲积层，主要分布有粘性土层、淤泥质土层、粉细砂层、粗砾砂层、砾石卵石层；④残积土层主要分布有基岩、岩石全风化、岩石弱风化带。地下水主要为第四系松散岩类孔隙水和白垩系碎屑岩类裂隙、孔隙水。

2三维数值计算

模型的建立根据建筑物与隧道的位置关系，计算模型尺寸为：隧道水平方向取200m，竖直向上取23．40m，竖直向下取24．60m，隧道轴向取398m。计算区域划分成144067个单元，183895个节点，能够保证计算具有足够的精度。计算模型见图1。其约束条件为：两侧边界水平方向约束，铅直方向自由；底部边界铅直方向约束，水平方向自由；顶部为自由表面，上部受围岩自重作用。流变本构模型伯格斯是一种粘弹性模型，它由马克斯威尔模型与开尔文模型串联而成，有4个可调参数。伯格斯模型的本构方程、蠕变方程、卸载方程分别为式中：ηM、ηK分别为马克斯威尔和开尔文粘滞系数；EK分别为马克斯威尔和开尔文模型的弹性模量；当t＝0时，ε0＝σ0／EM，模型有瞬时弹性变形，此时只有弹簧元件M有变形，随时间的增长，应变逐渐加大，粘性元件按等速流动。计算参数的确定在计算中，围岩采用了伯格斯流变本构模型，隧道开挖采用了Null模型。管片结构采用了结构单元中的Shell单元，本构模型为弹性。岩体的初始地应力场考虑了自重应力，侧压系数取为0．43。考虑基底水泥搅拌桩加固对围岩岩性的改善，在模拟时适当提高加固区围岩参数。在模拟过程中，围岩和支护结构物理力学

3计算结果与分析

隧道变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内（即Y＝40～160m和Y＝270～322m），该区域内隧道拱顶点竖向位移主要以沉降为主，且当隧道正上方存在仓库基础时，该处隧道结构拱顶竖向沉降位移出现峰值，左线隧道结构拱顶最大沉降位移发生在Y＝160m位置附近，右线发生在Y＝60m位置附近，其峰值分别为－2．2mm和－2．0mm；Y＝160～270m范围内的隧道结构的竖向位移相对较小，局部出现隆起现象，左右线隧道最小竖向位移位置分别为Y＝270m和Y＝220m附近；Y＝220m位置左隧道处于6号仓库基础下方，而右隧道位于两仓库基础之间；Y＝270m位置右隧道处于5号基础下方，而左隧道处于2仓库基础之间。此外，由于隧道与仓库基础区呈斜交，左右线隧道结构拱顶竖向位移曲线变化规律基本一致，但数值及其变化点位置不一样。从图4和图5可以看出：在隧道上方仓库施工的影响下，隧道管片发生了水平变形，且左线和右线的水平位移特征不同。最大负向水平位移约在左隧道Y＝100m和Y＝320m处，最大负向水平位移量为1．64mm。最大正向水平位移约在右隧道Y＝160m处，最大正向水平位移量为0．25mm。综上分析可知，隧道结构变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内（即Y＝40～160m和Y＝270～322m），当隧道正上方存在仓库基础时，该处隧道结构位移出现峰值；而Y＝160～270m范围内的隧道结构的位移相对较小，说明仓库基础施工对下方一定范围内隧道结构产生影响。仓库运营阶段高铁隧道结构位移特征在隧道上方仓库堆载的影响下，盾构隧道管片变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，并且在仓库正下方的盾构隧道管片的变形较大，而Y＝160～270m范围内的隧道管片变形相对较小，说明隧道上方仓库堆载对下部隧道的变形有一定程度的影响。最大变形位置约在左线隧道Y＝100m处，管片最大变形量为8．73mm。在隧道上方仓库堆载的影响下，盾构隧道管片发生了竖向变形，左线和右线的竖向位移特征不同。隧道竖向变形区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内（即Y＝40～160m以及Y＝270～322m范围内），并且在仓库正下方的盾构隧道管片的竖向位移较大，而Y＝160～270m范围内的隧道管片的竖向位移相对较小，说明隧道上方仓库堆载使得下部隧道发生了一定程度的竖向位移。并且在仓库对隧道水平位移影响的区域内，隧道距离仓库底部的距离越近，隧道的竖向位移越大。最大竖向位移位于Y＝40m处左右，最大竖向位移为7．69mm。由图8和图9可见，在隧道上方仓库堆载的影响下，隧道管片发生了水平变形，且左线和右线的水平位移特征不同。最大负向水平位移约在左线隧道Y＝322m处，最大负向水平位移量为5．73mm。最大正向水平位移约在右线隧道Y＝322m处，最大正向水平位移量为1．14mm。左线隧道Y＝322m处位于与5号仓库斜交的边墙处，说明在仓库对隧道水平位移影响的区域内，隧道偏离仓库底部的距离越远，隧道的水平位移越大。综上分析可知，隧道变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，而在其他区域内盾构隧道的变形较小，说明隧道上方仓库堆载使得下部隧道发生了一定程度的变形。

4结论

最大负向水平位移位于左线隧道Y＝100m和Y＝320m断面附近，其值为1．64mm。最大正向水平位移位于右线隧道Y＝160m断面附近，其值为0．25mm。左线隧道结构拱顶最大沉降位移发生在Y＝160m断面附近，右线发生在Y＝60m断面附近，其值分别为－2．2mm和－2．0mm。仓库运营阶段，隧道结构变形较大区域主要集中在仓库与盾构隧道斜交的区域内，其他区域变形较小。最大负向水平位移位于左线隧道Y＝322m断面附近，其值为5．73mm；最大正向水平位移位于右线隧道Y＝322m断面附近，其值为1．14mm；最大正向轴向位移位于隧道Y＝322m断面附近，其值为2．05mm；最大竖向位移位于左隧道Y＝40m断面附近，其值为7．69mm。

作者：唐健单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司