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地铁开挖对地基沉降影响的数值分析
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内容提示：根据现场地质条件,以地基关键断面为研究对象建立相应的数值模型,应用自行开发RFPA2D程序就广州地铁二号线盾构开挖对新南方购物中心大楼稳定性影响问题进行了数值模拟研究·分析了隧道断面洞顶的沉降位移和建筑物地基的沉降位移,数值模拟结果再现了隧洞开挖引起的周围岩体的损伤破坏过程,得到了隧洞及地基周围岩土的应力变化图,塑性区破坏图,以及位移矢量图,预报了破碎带的未来发展趋势·数值计算结果与采用解
摘 要:根据现场地质条件,以地基关键断面为研究对象建立相应的数值模型,应用自行开发RFPA2D程序就广州地铁二号线盾构开挖对新南方购物中心大楼稳定性影响问题进行了数值模拟研究·分析了隧道断面洞顶的沉降位移和建筑物地基的沉降位移,数值模拟结果再现了隧洞开挖引起的周围岩体的损伤破坏过程,得到了隧洞及地基周围岩土的应力变化图,塑性区破坏图,以及位移矢量图,预报了破碎带的未来发展趋势·数值计算结果与采用解析算法的结果进行了对比验证,结果与现场观测资料基本吻合·
关键词:地铁开挖;地基沉降;数值模拟;建筑物稳定性;有限元法;塑性区;岩体损伤
由于城市地铁开挖引起的相应的问题(比如说地基沉降、地表沉陷等)近年来在实际工程中显得尤为关注,特别是地铁开挖引起地基沉降的位移变化情况、应力分布状态以及隧洞的稳定性是设计者和施工单位所关心的·为了限制岩土体的变形破坏,必须选用适当的开挖方法和相应的加固措施·正确预测开挖后地铁周围岩土体的位移变化、应力矢量分布以及隧洞的变形破坏和破坏范围显得十分重要·但由于工程开挖问题涉及到的地质因素、工程因素复杂[1,2],本文提出采用自行开发的RFPA2D数值模拟技术和工程分析法对隧洞盾构施工过程引起浅基础下土层的应力应变进行分析·
工程实例以广州地铁盾构开挖对新南方购物中心大楼稳定性影响的分析为例·
1 工程概况
广州地铁二号线客村—鹭江站区间是盾构法的施工区间·该区间隧洞穿越六层的新南方购物中心时,有一排柱的基础位于开挖隧洞的侧上方,垂直距离是7.79~8.69m·按设计单位提供的地质资料、地铁断面宽度为10m,最高拱高为6m,平均埋深为11m,围岩主要为砂岩,具体地质及隧洞相关位置如图1所示,地层由上至下分布顺次为:杂填土(1)、粉质粘土(2)、硬塑,标贯击数N为16~36,强风化泥质砂岩(3)、中风化泥质砂岩(4)、微风化泥质砂岩(5)的层状分布·
1.1 开挖方式
地铁开挖方式采用盾构法,土压平衡式盾构机内径5.4m,衬砌砼管片厚0.3m,盾构外径6.14m,纵向长度约7.8m,依靠安装在已有足够强度管片的周圈上10多个千斤顶的水平推力掘进,最大水平总推力约31000kN·当盾构向前掘进时,会对地面、建筑物、桩基产生影响·在盾构机的后部,需对已安装好1.5m长的圆环混凝土管片进行注浆,此时,圆环管片与周围的岩土体存在15cm的间隙,在土体及基底荷载作用下,基础将产生沉降·
2 数值模拟
2.1 岩石破坏过程分析系统(RFPA2D)简介
本文所用RFPA2D系统[3~12]是一个基于有限元应力分析原理以及弹性损伤理论开发能模拟岩石介质变形与破坏的数值模拟软件,当残余强度取值很大时,同样可以模拟理想弹塑性和脆塑性岩土介质·与其他已有的逐渐破坏模型(ProgressiveFailure/Fracture/DamageMode)一样,RFPA2D包括应力分析和破坏分析·应力分析求解器采用有限元进行,依据有效应力原理完成每一计算步在外载荷或环境因素作用下(加载,开挖和位移边界条件的改变等)的力学响应·逐渐破坏模型是在假定组成材料各单元的力学性质整体上服从Weibull分布的基础上,根据一定的破坏准则检查材料中是否有单元破坏,对破坏单元则采用刚度特性退化(分离处理)和刚度重建(接触处理)的办法进行处理·
考虑到岩土类材料的抗拉强度,因此本文采用了修正的库仑(Coulomb)准则(包含拉伸断裂Tensioncut-off[6])作为单元破坏的强度判据·上述分析过程可以处理裂纹萌生、扩展以及裂纹的非规则路径选择问题·
2.2 数值模型
取垂直于隧洞的横剖面作为研究对象,按照平面应变问题考虑·计算取20m×40m的分析区域,上部取到地表,左右两侧的水平位移取零,垂直方向可自由滑动,底部水平和垂直位移取零·分析在盾构施工过程中,管片衬砌与周围岩土体之间150mm缝隙引起的地基应力和位移变化·计算时,为了将实际的空间问题简化成平面问题计算,将柱底的荷载N除以3,并乘1.3的增大系数,而隧道仅在1.5m长有15cm间隙变成无限长的间隙·
2.3 计算参数
针对该工程的具体问题,按照盾构法施工,选取相应的材料物理力学计算参数见表1所示,计算每一步地铁隧道的受力状态和隧洞顶底端的位移·
2.4 计算结果
图2为剪应力分布图,从图可以看出由于隧洞的开挖,房屋基础产生应力集中,但没有破坏,说明隧洞开挖引起的地基下沉并不严重,图3为塑性区分布图,图中隧洞底部有应力集中,同时有破坏,这是由于隧洞周围主要是粉质粘土,由于隧洞开挖容易引起塌落·图4为位移矢量图,再现了隧洞开挖后的位移发展趋势·由于篇幅限制,本文只给出了一个计算步的剪应力图,塑性破坏图与位移矢量图·关于这部分的研究将于另文介绍·
图5,图6给出了隧洞开挖后的地基下沉曲线和洞顶的下沉曲线·其中从图5可以得到基础下沉的最大位移值为20mm,洞顶的沉降位移为29mm,而现场观测到的基础下沉位移为23mm, 洞顶的下沉位移为33mm·这表明数值模拟结果与现场观测资料基本吻合,数值模拟结果极具工程参考价值·
对于多层岩土层,可以利用微分条块的办法划分岩土层,微分条块数量越多计算结果越精确·在考虑每一微分条块不同物理力学指标的同时,就可以将单一岩土层隧洞开挖极限塌落高度与变形计算式改写成多层岩土层隧洞开挖极限塌落高度与变形的计算式·
根据图7中岩土受力平衡关系写出下式·
隧洞开挖上覆n条岩土层(对于i条厚度hi)重力与侧边剪力差值F为
将上述各参数代入式(3)中,则隧洞开挖的极限塌落高度为4.25m·在作者的模型中,隧道洞顶与柱基之间的垂直距离为7.79m,因而,柱基是稳定的·下沉值即剪切变形W=18.6mm,这与RFPA2D的数值模拟结果基本吻合·
4 结 论
本文应用RFPA2D程序进行数值模拟计算,数值模拟结果得到了地基沉降的位移变化过程曲线,应力矢量分布图以及隧洞的塑性破坏区,同时利用解析方法进行了分析,结果与现场勘察及观测资料基本吻合·分析结果对于隧洞开挖过程中的安全性支护,以及对上面建筑物采取合理的安全防护措施提供了科学依据,具有一定的参考价值·
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8978.htm
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