論文導(dǎo)讀：圖2是為L(zhǎng)orenz教堂所建的FLAC3D模型。地基和隧道支護(hù)力學(xué)參數(shù)表3。在未來的地鐵隧道施工中。用數(shù)值模擬的方法。數(shù)值模擬，城市地鐵施工對(duì)淺表地基影響及防治措施的數(shù)值分析。
0 引言
淺埋暗挖法在北京地鐵建設(shè)中成功應(yīng)用以來，在上海、成都、廣州、深圳、南京等地的地鐵施工中都采用了此法，在未來的地鐵隧道施工中，淺埋暗挖法具有非常廣闊的發(fā)展前景。在地鐵的建設(shè)中，人們最關(guān)心的是地鐵隧道施工對(duì)城市環(huán)境的影響，即對(duì)已有臨近城市地下管線、房屋基礎(chǔ)及道路交通等的正常使用，因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量反饋施工引起的現(xiàn)場(chǎng)地層變形及其影響范圍對(duì)施工安全和設(shè)計(jì)都是十分重要的[6]。
地鐵隧道施工中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的檢測(cè)可以指導(dǎo)地下工程施工，由此調(diào)整施工工藝和設(shè)計(jì)參數(shù)，反分析隧道結(jié)構(gòu)受力和地層變化規(guī)律。以現(xiàn)有的工程的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)相似地質(zhì)條件下的復(fù)雜工程進(jìn)行對(duì)比參考設(shè)計(jì)，在重要路段，用數(shù)值模擬的方法，就地鐵施工對(duì)地表已有城市建筑的影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)改變施工和設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)今的城市軌道交通的設(shè)計(jì)中有著非常實(shí)用的應(yīng)用領(lǐng)域。此文以一具體地鐵工程實(shí)例，用數(shù)值模擬方法對(duì)城市地鐵隧道施工對(duì)淺地表高層建筑地基的影響及防治措施來進(jìn)行分析，起到拋磚引玉的作用[6,7]。
某市的地鐵一號(hào)線橫穿整個(gè)老城區(qū)，并且要在Lorenz教堂旁施工，Lorenz教堂歷史悠久是某市的標(biāo)志性建筑，所以對(duì)工程有著特殊的要求，不能因?yàn)榈罔F施工影響到教堂的結(jié)構(gòu)安全。地鐵由兩個(gè)隧道組成，某市的地鐵一號(hào)線橫穿整個(gè)老城區(qū)，并且要在Lorenz教堂旁施工，Lorenz教堂歷史悠久是某市的標(biāo)志性建筑，所以對(duì)工程有著特殊的要求，不能因?yàn)榈罔F施工影響到教堂的結(jié)構(gòu)安全。地鐵由兩個(gè)隧道組成，并且兩隧道同時(shí)開挖，其空間布局和地質(zhì)情況如圖1所示，地下水位為地表以下10.3 m，隧道開挖所屬的地層伴有沙層，施工難度很大，隧道附近的地層按照實(shí)地勘察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大致分為兩層，厚度及物理力學(xué)參數(shù)見表1。畢業(yè)論文，數(shù)值模擬。畢業(yè)論文，數(shù)值模擬。
隧道設(shè)計(jì)斷面如圖1所示，支護(hù)設(shè)計(jì)為混凝土C20與格柵鋼架（主筋ø22）、錨索（R25/4外徑/壁厚, L 長(zhǎng)度 = 3.5 m, 間距 750 mm x 800 mm）的聯(lián)合支護(hù)，總厚度達(dá)20 cm。圖1 的左上表示的是Lorenz教堂的南地基，也是受隧道建設(shè)影響最大的地方，地基基礎(chǔ)的埋深為-5.3 m。
2 確定計(jì)算參數(shù),建模和計(jì)算
2.1 定義物理力學(xué)參數(shù)
圖2是為L(zhǎng)orenz教堂所建的FLAC3D模型。近地表的方塊表示的是軟土礫砂層，其下都表示為砂巖層，中間P2所指的塊體表示的是Lorenz 教堂的兩個(gè)地基，在砂巖地層中的兩個(gè)半徑為5m的圓形面積，表示的是待挖的隧道。P1、P2和P3分別表示來自教堂的不同建筑荷載，其具體數(shù)值和含義見表2。
圖 2 Lorenz教堂在程序FLAC3D里的計(jì)算模型
荷載定義表2
在FLAC 3D程序里，對(duì)Lorenz教堂的地基基礎(chǔ)和隧道支護(hù)的物理力學(xué)特性將按照表3進(jìn)行定義：
地基和隧道支護(hù)力學(xué)參數(shù)表3
將圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過FLAC軟件的程序語(yǔ)言輸入軟件中，經(jīng)過計(jì)算得到了圖4(楊氏模量在地層中的分布)的計(jì)算結(jié)果。由于軟土礫砂層的成份分布復(fù)雜，按照[1]為了方便計(jì)算和定義軟土礫砂層的彈性模量統(tǒng)一定義為10 MPa。
圖 4 楊氏模量在地層中的分布
2.2 確定砂巖側(cè)壓系數(shù)K0
大部分的數(shù)值模擬軟件都是將巖石的側(cè)壓系數(shù)K0以1來計(jì)算的（但是在淺地表的地層中，K0普遍都小于1，因?yàn)橹挥羞_(dá)到一定深度以后，各向受力的圍巖將處于隱塑性狀態(tài)。在這種狀態(tài)下K0值才趨于1）或者通過其他半經(jīng)驗(yàn)公式來確定，但是很多地質(zhì)情況是比較復(fù)雜的，比如盆地和山谷，在這些地質(zhì)情況下，側(cè)壓系數(shù)將大于1，如果地質(zhì)情況是山脊，那么側(cè)壓系數(shù)將小于1，它不是一個(gè)材料常數(shù)，而是由地質(zhì)的特點(diǎn)、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)和地形所影響的[3,5]。在實(shí)際情況中E＝E(z）； K0=K0(z)都是隨深度變化而變化的參數(shù)，按照土力學(xué)理論K0=μ(z)，式中μ為水平方向的泊松比。如[2]所述，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出淺表砂巖（地下5-25m）的泊松比為常數(shù)0.25，所以在本例中，將假設(shè)K0也為一常數(shù)。
為了更好地模擬Lorenz教堂地區(qū)的地層性質(zhì)，需要找到合適的巖層的側(cè)壓系數(shù)K0，這就需選擇在一個(gè)相似的地質(zhì)條件下的隧道施工中，通過把實(shí)地測(cè)量的地表位移測(cè)量值與以不同側(cè)壓系數(shù)下數(shù)值模擬計(jì)算出來的計(jì)算值進(jìn)行比較，找到一個(gè)合適的系數(shù)值。
σxx=σyy=K0σzz
式中σxx=σyy 是水平應(yīng)力，σzz是豎直的應(yīng)力，K0是側(cè)壓系數(shù)。畢業(yè)論文，數(shù)值模擬。
圖 5 BW 210 平面圖和地表沉降測(cè)量值[1]
通過比較尋找，在某市地鐵工程中，BW 210 段的工程地質(zhì)條件很有代表性，與Lorenz教堂的地質(zhì)情況非常相似，所以將BW210段工程作為比較計(jì)算地層。在圖5中把I-I截面作為計(jì)算截面，圖6是其計(jì)算截面在地鐵施工后實(shí)地測(cè)量的沉降曲線。最大的沉降值以7.5和7.0 mm均出現(xiàn)在兩隧道的正上方[4]。
圖 6 I-I截面沉降曲線[1]
圖7是通過FLAC 3D程序下進(jìn)行的數(shù)值模擬，顯示地表在不同側(cè)壓系數(shù)的下的位移分布。本次計(jì)算，為了尋找到合適的側(cè)壓系數(shù)K0，一共針對(duì)6個(gè)不同側(cè)壓系數(shù)K0（0.1、0.2、0.3、0.5、1.0和2.0）進(jìn)行計(jì)算，表4所示的是其各自的計(jì)算結(jié)果（最大沉降值）。實(shí)際情況下測(cè)量，最大的地表沉降是7.0至7.5 mm,所以合理的側(cè)壓系數(shù)應(yīng)在0.2至0.3之間，所以在接下來的計(jì)算中將以側(cè)壓系數(shù)0.25進(jìn)行計(jì)算。圖 6 I-I截面沉降曲線[1]
圖7是通過FLAC 3D程序下進(jìn)行的數(shù)值模擬，顯示地表在不同側(cè)壓系數(shù)的下的位移分布。本次計(jì)算，為了尋找到合適的側(cè)壓系數(shù)K0，一共針對(duì)6個(gè)不同側(cè)壓系數(shù)K0（0.1、0.2、0.3、0.5、1.0和2.0）進(jìn)行計(jì)算，表4所示的是其各自的計(jì)算結(jié)果（最大沉降值）。實(shí)際情況下測(cè)量，最大的地表沉降是7.0至7.5 mm,所以合理的側(cè)壓系數(shù)應(yīng)在0.2至0.3之間，所以在接下來的計(jì)算中將以側(cè)壓系數(shù)0.25進(jìn)行計(jì)算。
圖 7 BW 210段在不同側(cè)壓系數(shù)條件下數(shù)值模擬地表沉降計(jì)算結(jié)果
對(duì)應(yīng)的側(cè)壓系數(shù)下地表最大沉降值表42.3 無防護(hù)措施時(shí)的高層建筑地基在地鐵隧道暗挖施工地層的變形模擬分析
圖8所示為隧道開挖后模型的最大應(yīng)力分布，由于有教堂地基的荷載作用，應(yīng)力分布在隧道周圍不是對(duì)稱的，最大壓應(yīng)力（數(shù)值為負(fù)，代表壓應(yīng)力）為-1.6517MPa出現(xiàn)在左隧道下半部。由于地基對(duì)上部荷載的傳遞作用，使得地基與周圍土體的應(yīng)力值有很大的區(qū)別。在兩個(gè)隧道中間區(qū)域，也出現(xiàn)了壓應(yīng)力的躍升。
圖 8 隧道開挖后模型的最大應(yīng)力分布 [MPa]
隧道附近地層豎向位移（圖9）在隧道開挖后也呈現(xiàn)出不對(duì)稱的現(xiàn)象，最大的豎向位移發(fā)生在左隧道的拱頂部分（約-33mm），相對(duì)的最大的地層抬升發(fā)生在左隧道的底部（約15mm）,與右邊的隧道相比較，左隧道周圍有變化較劇烈的應(yīng)力分布和位移分布，這些都是由于左隧道與教堂的地基比較近，由教堂地基荷載的影響產(chǎn)生的。隧道開挖后，因?yàn)榈貙討?yīng)力的重分布，以隧道中軸為限，隧道中心以下的地層都有略微的抬升，隧道中軸以上的地層都有不同程度的沉降，而且由圖9看出，地層離隧道越接近，其豎向沉降值也越大。畢業(yè)論文，數(shù)值模擬。
圖 9 豎直方向的位移 [m]
2.4防護(hù)措施的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬
對(duì)教堂地基的防護(hù)措施將主要以打混凝土支護(hù)樁外加預(yù)應(yīng)力錨索的方式來進(jìn)行加固，抵消由于地基荷載作用到隧道上所產(chǎn)生的應(yīng)力。其設(shè)計(jì)示意圖如圖10所示，在隧道與教堂地基之間楊氏模量為30000MPa的混凝土支護(hù)樁，其設(shè)計(jì)半徑及相隔距離見圖11[4]。圖12是在FLAC 3D里建的有安全措施的計(jì)算模型，預(yù)應(yīng)力錨索按照表5的物理參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算[4]。畢業(yè)論文，數(shù)值模擬
圖 10 附加安全措施（混凝土支護(hù)樁外加預(yù)應(yīng)力錨索）的地鐵計(jì)算截面
預(yù)應(yīng)力錨索的力學(xué)參數(shù)表 5
圖 12附加安全措施的計(jì)算模型
3 結(jié)論
通過計(jì)算，得出了最終的結(jié)果圖13和14。計(jì)算得出的是地表水平和垂直位移變化，在沒有安全措施情況下，兩地基相對(duì)距離增加了約70mm (圖14),右邊地基左右兩端的豎直沉降差達(dá)到了約5mm，這些都將導(dǎo)致拉應(yīng)力在地基和建筑中的出現(xiàn)，降低了地基的承載能力，同時(shí)教堂的建筑危險(xiǎn)性增加了。在有安全措施的情況下，在兩個(gè)地基的位置上，發(fā)生的水平位移平均值是5mm，比沒有安全措施時(shí)候模擬的要小約60%，而且地基附近的豎直沉降在與沒有安全措施的相比較，減少了約80%。
從數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果可知，隧道工程的施工在有安全措施：混泥土支護(hù)樁和預(yù)應(yīng)力錨索的作用下，可以顯著降低隧道工程的施工對(duì)Lorenz教堂地基的影響，有效的保護(hù)城市景觀建筑的建筑安全。因此，在某市地鐵Lorenz教堂段，相應(yīng)的安全措施的建立是非常有必要的。畢業(yè)論文，數(shù)值模擬。
圖 13比較有和沒有安全措施情況下的地表沉降
圖 14比較有和沒有安全措施情況下的地表水平位移
本文通過FLAC 3D軟件對(duì)地鐵隧道施工的數(shù)值模擬，在具體施工前，對(duì)不同的施工方法分別進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果比較分析，找到一個(gè)切實(shí)可行的施工方案，達(dá)到了保護(hù)著名建筑的目的。 FLAC 軟件在對(duì)城市地鐵隧道施工的數(shù)值分析方面，有著很好的應(yīng)用前景。
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