基于有限元法的既有隧道穩(wěn)定性分析

基于有限元法的既有隧道穩(wěn)定性分析

隨著地下空間開發(fā)利用的深入，新隧道的結(jié)構(gòu)將不可避免地導致土層中的二次變形擾動。隧道的建造必須受到老隧道的影響。如何保證近距離疊交施工情況下盾構(gòu)的順利推進和鄰近老隧道的安全,是施工中非常關(guān)注的問題、,確保已建地下空間設施正常使用和盾構(gòu)的順利掘進,對于我國地鐵建設和城市地下空間的開發(fā)利用,具有非常重要指導作用、。本文以某隧道工程為背景,地下段采用盾構(gòu)施工,盾構(gòu)外徑10m,為雙線通過,兩線凈距10m,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)頂距在建地鐵隧道凈距8.5m。研究近距離疊交雙線隧道情況下新隧道盾構(gòu)施工對老隧道的影響,以尋求隧道間相互作用規(guī)律,在施工中采取相應措施,以保護老隧道安全運行。文中利用三維非線性有限元程序?qū)ι?、下行隧道疊交過程中新隧道加固前后盾構(gòu)施工引起老隧道應力、位移變化情況。1三維開元模型1.1支護初位移場及應力場利用ANSYS把一次靜力或穩(wěn)態(tài)分析作為多個載荷步的第一個載荷步處理,可將開挖分析過程分為兩個步驟。(1)第一步為求解初位移場。對于重力場產(chǎn)生初位移和應力場,應該只施加重力荷載并考慮巖土材料非線性,作小變形靜力分析。(2)利用ANSYS中提供單元“死”、“活”功能,在相應載荷步,重新“激活”襯砌或支護部分單元,并改變單元材料特性,分析直至整個過程結(jié)束,應力狀態(tài)為當前載荷步應力狀態(tài)。1.2實體單元模擬計算模型尺寸為長96m,寬50m,高40m,經(jīng)優(yōu)化后網(wǎng)格如圖1所示。共有6040個單元,30520個節(jié)點,除盾殼單元用Shell63單元模擬外,其余單元用三維8節(jié)點實體單元Solid45模擬。下部為先開挖的下行隧道,上部為后開挖的上行隧道,約束條件為左右兩側(cè),前后兩側(cè)施加水平方向的單向約束,下側(cè)施加豎直方向的單向約束,上側(cè)為自由端,也就是地面,施加重力荷載。本工程采用注漿辦法對土體進行加固處理,為明確加固效果,對該工程進行加固前后兩種工況進行計算分析。土體參數(shù)見表1。1.3隧道土體參數(shù)本文對加固前后兩種工況進行討論。其中,工況一分析的是隧道在未進行任何加固措施的力學性能,土體參數(shù)按原始地層選取;工況二分析的是隧道用混凝土材料進行填充加固后的力學性能,加固后參數(shù)見表1中序號7。2在未加固期間的結(jié)果分析中2.1盾構(gòu)施工前后大變形值比較如圖2,未加固工況下最后開挖步,開挖工作面通過左側(cè)既有隧道的正下方,最大豎向位移為-25.26mm,最大水平位移-10.74mm,發(fā)生位置在既有隧道的中部。盾構(gòu)施工時原有隧道的沉降變形值及水平距離變形值宜控制在10mm內(nèi),從所計算的位移值看到,必須對開挖隧道進行地層加固。圖中豎向位移為“-”表示沉降,水平位移為“-”表示與盾構(gòu)掘進方向相同。2.2隧道縱向變形差分析如圖3,均勻沉降對于既有隧道的穩(wěn)定性和使用條件不會產(chǎn)生太大影響,只考慮隧道自身的沉降值并不能完全起到保護既有隧道的要求,對隧道自身的變形值做出分析更有意義。在上層右線線截面拱底處選取位移較大兩點分析隧道縱橫向變形差,對于防止既有隧道的可能破壞更有價值。從圖3看到,豎向位移變形值大于10mm,需要進行加固處理。3綜合分析的結(jié)果3.1加固土體對水平位移的影響如圖4,在工況2情況下,右線豎向位移有明顯下降。其中豎向位移下降最大幅度為60.2%,水平位移最大下降幅度為48.7%。說明加固土體對減小盾構(gòu)開挖所引起既有隧道的反應有顯著作用。如圖5,在工況2情況下,左線豎向位移有明顯下降。但左線豎向位移在工況1情況下數(shù)值比右線小42%,水平位移較為接近,在施工過程中應更多注意既有隧道右線位移變化情況。3.2對盾構(gòu)隧道的加固從圖6看到:右線既有隧道產(chǎn)生了較大應力,所以有必要對地層進行加固,以確保盾構(gòu)隧道通過時既有隧道的安全。在工況二加固情況下,左右線的最大主拉應力均有顯著下降,數(shù)值小于混凝土極限拉應力,且應力值較為接近,可有效阻止混凝土裂縫產(chǎn)生。4地層變形(1)在未對地層進行加固情況下,下層隧道盾構(gòu)施工引起既有隧道的最大沉降差為24.3mm,最大水平位移差為10.2mm。(2)在未對地層進行加固情況下,盾構(gòu)隧道最大主拉應力為3.18MPa,主