城市浅埋隧道对地表沉降影响因素研究

2016-09-14杨立志李忠友孙衡林

四川建筑 2016年4期

关键词：洞室泊松比计算结果

李　强，杨立志, 李忠友, 孙衡林, 汪　晟

(中国航空港建设第八工程总队，辽宁沈阳 110021)

城市浅埋隧道对地表沉降影响因素研究

李强，杨立志, 李忠友, 孙衡林, 汪晟

(中国航空港建设第八工程总队，辽宁沈阳 110021)

城市中隧道开挖引起的地表沉降问题受到了越来越多的关注，特别是浅埋隧道引起的地表沉降问题尤为突出。文章利用有限元模拟的方法，对围岩的力学参数(弹性模量、泊松比)、洞室的几何尺寸、埋置深度等外界因素对地表沉降的影响规律进行了定性的分析，为实际工程提供参考。

浅埋隧道；地表沉降；影响因素；有限元

当今，发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、环境3大危机的重要措施和实施城市可持续发展的重要途径。世界范围内工程界普遍认为:“19世纪是桥梁的世纪，20世纪是高层建筑的世纪，21世纪则是人类开发利用地下空间的世纪”[1-2]。城市地下空间作为新型国土资源受到世界发达国家越来越多的重视，如在交通量较大的街道下修建横穿街道的地下过街通道等，充分利用地下空间，减少人车交通干扰，是改善城市交通状况、提高道路通行能力、减少交通事故和方便行人的有效途径。因而对城市浅埋隧道的地面沉降的影响因素进行研究具有一定的实际意义。

以往研究表明，隧道开挖产生的地层沉降变形的主要因素分为外界因素和隧道自身因素。外界因素一般包括：地层土体特征、地下水、地层应力释放、施工方法及施工工艺和荷载大小及作用方式等。自身因素一般包括：洞室的埋深、洞室的形状、洞室的几何尺寸和支护结构强弱及方式。本文针对地下过街通道洞室围岩的力学参数(弹性模量、泊松比、c、φ值等)、洞室的几何尺寸、埋置深度等外界因素对地表沉降的影响规律进行分析。

1　计算模型及参数

由于支护结构对洞室的变形有明显的作用，当支护结构强度较大时，可能导致洞室围岩的力学参数、几何尺寸和埋置深度等因素对地表沉降的影响表现不明显，因而为了更加清晰的反映出各种因素对洞室引起地表沉降的影响规律，不考虑衬砌等支护措施的影响。而当围岩材料参数按照土体性质来取，会导致无支护时洞室破坏，因而为了保证在洞室未发生破坏的条件下研究各种因素对地表沉降的影响，对计算模型作如下简化处理：(1)围岩材料选为岩石类材料，岩石层厚28 m。(2)地下过街通道初始状态宽6 m、高5 m。有限元计算模型网格划分如图1所示，初始地应力场引起的地层竖向位移如图2所示。

图1　有限元计算模型网格划分

图2　初始地应力场引起的地层竖向位移

围岩初始力学参数为：E=1 GPa，v=0.3，ρ=20 kN/m3，c=1.5 MPa，φ=40°。在此初始值基础上分别改变弹性模量、泊松比和洞室的几何尺寸，埋置深度等外界因素来研究其对地表沉降的影响规律。洞室开挖后引起的竖向和横向位移见图3和图4所示。

图3　洞室开挖后地层竖向位移

图4　洞室开挖后地层横向位移

2　城市浅埋隧道地表沉降影响因素研究

2.1围岩力学参数对地表沉降的影响

2.1.1弹性模量对地表沉降的影响

为研究围岩弹性模量对地表沉降的影响，在保持其他材料力学参数不变的情况下，分别取弹性模量为0.5 GPa、1 GPa、2 GPa、3 GPa、4 GPa、5 GPa共6组数值进行分析。不同弹性模量引起的地表最大竖向位移及地表沉降分布规律如图5所示。从计算结果可以看出，当材料的弹性模量相对较小时对地表沉降影响较大，随着弹性模量的增加，其对地表沉降的影响却随之降低。洞室开挖引起的地表反拱随弹性模量的增大而减小。

图5　弹性模量对地表沉降的影响

2.1.2泊松比对地表沉降的影响

为研究围岩泊松比对地表沉降的影响，在保持其他材料力学参数不变的情况下，分别取泊松比为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.49共6组数值进行分析，计算结果如图6所示。从计算结果可以看出，当泊松比为0时，洞室开挖引起的地层沉降量最大，特别是随着泊松比的增大，周围地表的沉降逐渐增大，距隧道中心点30 m处的地表沉降与隧道中心点处地表沉降之比，随泊松比为的增大，从0增大到0.7。