关于3个地下结构变形监控问题的分析

伊晓东，李圆圆，王智超，3

(1．大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连116024;2．辽宁有色地质局107队，辽宁 大连116100;3．65015部队，辽宁 大连116024)

一、引 言

地下结构的安全不容忽视，软件模拟回答了许多传统的监控量测工作无法解决的问题。国内外学者不少学者对地下结构及周围体系的内力和变形规律也已作了大量深入的研究。吴波等[1]基于Ansys建立了隧道支护-土体-地下管线耦合作用的三维模型，模拟了6种不同的施工方案对地下管线的沉降影响，得到最优施工方案;杨林德等[2]提出了对洞周地层的变形进行预报的方法。撄井春辅[3]提出用反分析程序(DBAP)的计算成果为基准并与临界应变进行比较，由此评价隧道围岩的稳定性;Lee等[4]开展了三维弹塑性耦合固结数值分析，研究了隧道开挖对邻近承载桩的影响;庄海洋等[5]对地铁车站的地震破坏机理也进行了一系列的分析研究，采用子结构缩减法处理了土与结构的动力相互作用机理;国胜兵等[6]基于二维显式有限差分程序FLAC对地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力响应进行了数值模拟分析;林皋[7]院士在前人的基础上对地面结构动力反映特征与地下结构的震动特点进行了对比，做了极具参考性的7点概括总结。本文采用大型有限元软件ABAQUS就新奥法隧道围岩及支护各关键点变形规律、盾构隧道开挖对既有桩基内力及变形的影响，以及地下车站在地震作用下的变形规律3个方面分别进行了模拟分析，补充了传统的监控量测，为工程建设提供了一定依据。

二、标准断面的上下台阶法施工工况模拟

取某标段埋置较深、较浅、围岩较差3处断面进行模拟，围岩参数根据《岩土工程勘察报告》、《工程岩土分级标准及条文说明》[9]选取，支护参数则根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)取得。

1．开挖面沉降云图分析

图1为ZD-tt-109断面处隧道开挖后土体沉降云图。可以验证并推断出隧道开挖的影响范围为工作面圆心呈45°的夹角内，且随着与隧道工作面距离的加大，具有衰减性。

图1 隧道开挖面沉降云图

图2 隧道开挖面地表位移曲线

2．地表位移分析

由图2可以看出，3处工作面地表变形均为一沉降槽。ZD-ht-44断面处拱顶埋置深度为35．4 m，埋置较深，由于变形衰减，地表下沉较小，约为0．74mm，验证了隧道埋深大于＞3D(D为隧道直径)时，不再必要量测地表隆沉;ZD-ht-109断面围岩条件较差，最大下沉量为12．67 mm，影响范围为从拱顶向左右各28m，即影响范围以45°进行扩展。软件模拟更形象地反映了隧道围岩的变形规律。

3．模拟值和实测值比较分析

将设计要求的必测项目的软件模拟值和实测值进行对比如表1所示。结果表明，监测断面的实测值较数值模拟结果偏小，这主要是由于量测技术的限制，即量测前产生的位移无法获取，而数值模拟为全部位移。但仍可以认为数值模拟结果与现场监测结果存在较好的一致性。结果还说明软件模拟和监控量测工作有较好的一致性，且优于监控量测。

表1 软件模拟值和实测值比较 mm

三、盾构隧道开挖对邻近单桩影响的数值分析

某盾构段埋深10．05m，从某桥南侧穿过，与最近的桥梁桩基净距为3．0 m，基础为钻孔灌注摩擦桩。隧道模拟开挖进尺1．2 m，共开挖30步(即36m)。桩体的位移和内力等传统的量测工作将无法进行，此时软件模拟发挥了不可取代的作用。

1．桩基变形

隧道开挖扰动周围土体，进而对邻近桩基施加轴向和侧向力，使桩体发生变形。图3为隧道开挖过程中桩体的位移变化，在隧道深度范围内水平位移较大，最大位移出现在隧道轴线上，开挖20步(即24m)以后变化缓慢。而桩体的竖向位移，最初由于桩顶荷载的施加使得桩体沉降较大，后来随着开挖的进行，隧道底部土体的回弹和盾构机的推力扰动桩周土体使得桩体上升。由于隧道开挖范围内桩体发生弓形变形，使得隧道中心线以下桩体的向上位移明显大于隧道中心线以上的桩体位移。

图3 隧道开挖过程中桩体的位移变化

2．桩基内力

图4显示了隧道开挖过程中桩体的内力变化，桩基中出现了反弯现象[10]。随着开挖的进行桩体的弯矩逐渐增大，在隧道开挖的深度范围内弯矩较大，20步(即24m)以后变化不太明显。随着盾构的掘进，在开挖的25步(即30m)，桩体上部出现了负摩阻力，这对桩体是不利的。

四、浅埋软土地铁车站地震响应数值分析

本部分采用有限元-无限元耦合方法，以地铁建设中经常采用的两层双柱三跨岛式地铁车站为研究对象，建立土-地铁车站结构的非线性动力相互作用分析模型，从桩端弯矩、地震荷载引起结构内力的增幅及车站中柱响应分析等方面研究了地下车站的地震响应动力特性，为工程设计提供参考(如图5所示)。本算例在底部有限域与无限域的交界处水平向输入地震波，分别输入EI-Centro波和一种人工波。静力计算结束后进行动力计算，动力计算前先除结构与土体的位移，保留结构与土体的内力。

图4 隧道开挖过程中桩体的内力变化

图5 土-车站的横剖面及结构在土中的位置

1．桩端弯矩

以位于车站中间部位的中柱弯矩为基准的比值定义为柱端相对弯矩。在静荷载及地震荷载合力作用下，柱端相对弯矩沿纵向的变化曲线如图6所示。

图6 静载与地震荷载下柱端相对弯矩沿纵向的变化曲线

由图6可得出第7根柱子的相对柱端弯矩为0．95，即车站前后端墙对柱端弯矩的影响范围达到了7 根柱距(7·10/21．24=3．30m)。

2．地震荷载引起结构内力的增幅

在EI-Centro波作用下，车站结构构件的地震弯矩影响系数η如图7所示，定义地震影响系数η为

从地震影响系数分析可知：车站中柱的下端部，下侧墙与底板的连接部位地震影响系数η明显较大。这主要是由于在静荷载作用下车站柱主要受到了竖向压力作用，而在地震动时车站柱受到了水平向剪力和弯矩共同的作用(如图8所示)。由于柱子和侧墙作为结构的抗侧力构件，承受了绝大部分的水平地震荷载，所以车站柱的端部，下侧墙与底板的连接部位均为地震响应较大的区域，应采取相应的抗震设计措施。

图7 车站结构构件弯矩的地震影响系数η

图8 EL-Centro波下下层中柱水平相对位移时程曲线

3．车站中柱响应分析

由图9～图11可知，在发生地震时，轴力、剪力和弯矩同时存在于下层中柱，其破坏的主要原因为压剪破坏;中柱轴力与水平变形主要取决于竖向加速度;中柱的剪力与弯矩则主要受水平向加速度的影响。

图9 下层中柱轴力时程曲线

图10 下层中柱柱底剪力时程曲线

图11 下层中柱柱底弯矩时程曲线

五、结论

1)地层移动以隧道截面中心点成45度夹角扩散。隧道埋深大于＞3D(D为隧道直径)时，不再必要量测地表。软件模拟值和实测值取得了较好的一致性。软件模拟更直观的显现了围岩变形规律。

2)在盾构的掘进过程中，桩体出现了反弯现象和负摩阻力。软件模拟全面地反映了桩基的变形规律，是量测工作的补充。

3)在发生地震时，地下车站下层中柱主要因压剪破坏;中柱轴力与水平变形主要取决于竖向加速度，剪力与弯矩主要受水平向加速度的影响。为设计提供了依据，延续了量测工作。

[1]吴波，高波．地铁区间隧道施工对邻近管线的影响研究[J]．岩土力学学报，2002，21(S0)：2451-2456．

[2]杨林德，颜建平，王悦照，等．围岩变形的时效特征与预测的研究[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(2)：212-216．

[3]SAKURAIS，AKUTAGAWA S，TAKEUCHID，etal．Back Analysis for Tunnel Engineering as A Modern Observational Method[J]．Tunnelling and Underground Space Technology，2003(18)：185-196．

[4]LEE T K，NG W W．Effects of Advancing Open Face Tunneling on An Existing Loaded Pile[J]．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131(2)：193-201．

[5]庄海洋，陈国兴，张菁莉．基于子结构法的地铁车站地震反应分析[J]．岩土力学．2005，26(S0)：227-231．

[6]国胜兵，赵毅，赵跃堂，等．地下结构在竖向和水平地震荷载作用下的动力分析[J]．地下空间．2002，22(4)：314-319．

[7]林皋．地下结构抗震分析综述(上)[J]．世界地震土程，1990，6(2)：1-10．

[8]朱训国．杨庆．栾茂田．利用ABAQUS模拟NATM隧道施工过程[J]．岩土力学，2006，27(S0)：283-289．

[9]GB 50218—1994工程岩土分级标准及条文说明[S]．北京：中国标准出版社，1994．

[10]何海健，刘维宁，项彦勇，等．地铁施工对邻近桥桩影响的三维数值分析研究[C]∥2005全国博士生学术论坛交通运输学科论文集．北京：中国铁道出版社，2005：366-373．