隧道施工对邻近扩大基础桥梁结构的影响研究

摘 要：近年来，国家对铁路发展的远景规划也扩展到山区、农村，出现新建的铁路越来越多，同时加之城市规划和生态环保的需求，社会对环、水保工作要求的也越来越高，这使得隧道工程所占的比例不断增大。由于隧道施工，会对周边环境造成较大影响，土体结构随之改变，同时也很大程度上影响了周边建筑物的安全性。
　　关键词：隧道；地表位移；理论分析；建模
　　在隧道施工的过程十分艰难复杂，其中会遇到许多难解之题，这样的情况下，有很大的可能会造成地层损失、局部地区地下水位大幅下降、地层表面及内部稳定性受到干扰，等等。这些严重的问题导致土层结构产生明显且大幅度的变化，造成地面下沉的后果，严重影响附近地区和隧道施工建设的安全程度。为不再进行大面积拆迁，不建议采取明挖法。在隧道的施工过程中，比较常用的是暗挖施工.隧道矿山法施工，尤其在特殊地质地段，矿山法已成为一种难以取代的方法由于其工程造价明显低于盾构法.对于很多城市采用矿山法进行隧道施工的情况来说，如何做到高效率的提高工程质量，是隧道施工的重中之重，只有工程质量提高，才能营造一个安全放心的隧道施工环境。因此，正确合理的计算出地表沉降的控制指标对工程施工非常重要，因为地表沉降会对环境造成许多严重影响，如果能够合理的得出指标就能有效避免对环境的伤害。判断地面变形程度主要是参考地层损失参数。地层损失包括两种情况：造成地层损失的第一种情况是由于地表无法排水，原因是隧道在开挖初期或者刚刚通过盾构时产生地层损失；第二种是因为土层进行缓慢改变且逐渐固结所产生地层损失。研究至今，已经得出很多关于计算地面沉降的公式，遗憾的是，绝大多数的公式仅仅考虑了在不排水情况下产生的地层损失，并没有考虑土层固结等引起的地面变形，通过初步计算再进行修正，使得结果尽可能地接近实测值.主要是因为很难全面考虑固结后的情况，因而始终不能有效解决由于固结产生沉降变形的问题。
　　1 理论探讨和计算
　　现今存在许多影响隧道地层移动的因素，主要是由于隧道施工参数、开挖的深浅程度和隧道截面直径、支护构造、地理力学特点及其周边环境共同造成的。一般来说，地表沉降槽的宽度随着开挖隧道的深度增加而增加，从而地表沉降程度变小，结论为：
　　经过多年研究，得出由于开挖隧道造成地面沉降变形的原因主要分为以下两方面 ：一是因为隧道施工会使盆地沉降，但通过计算可以推算出地面沉降程度，该计算方法是以地面最大沉降量公式为基础并假设地面沉降曲线满足高斯分布的条件，计算公式为：
　　式中，为沉降槽的最大沉降量值， J代表到中心轴线的水平距离.为了使土压达到平衡状态，得出一个公式用来避免土层受干扰变形， 并通过随即预测的方式
　　计算地面沉降程度，其计算公式为
　　另一方面，因为隧道施工使周边环境发生变化，损害了环境的整体性，一定程度上影响了研究结果。为了能够更加精准的计算出由于隧道施工造成的地面沉降，在不考虑固结带来的影响的前提下，完善了高斯函数与屈服密度公式的缺憾，对比土层的构造模型，采用有限元法得出沉降结果
　　观察图示1，由计算得出结论，实际测量结果与固结造成的地面沉降的结果相吻合。
　　图1 沿隧道横断面地表沉降曲线
　　2 构建模型
　　由于建筑的土体受重力影响，土层下沉已成为事实，假设新的沉降都是因为施工干扰了土体的稳定性。可以通过使用ANSYA10.0 软件计算并设计模型。
　　2.1 基本假定
　　2.1.1 建立模型时，没有全面考虑填充墙会对框架结构抗侧刚度所造成的的影响，错误的计算填充墙的数值，将填充墙荷载误算成10 kN/m，楼板面的荷载规定为5 kN/m2。
　　2.1.2 假设一种情况，在进行隧道施工时，十字交叉梁基础与附近土层表面之间产生相互作用
　　2.1.3 在工程实施中，柱子和基础都是固接的，并且基础采用了实体单元二柱子采用了梁单元，所以在二者之间需要建立了96个耦合约束方程，以便协调位移，传递弯矩。
　　3 有限元模型尺寸和边界约束条件的确定
　　（1）依据PECK 的沉降槽理论，计算宽为：
　　其中，Z代表隧道深度；□代表土体中形成的摩擦角度，依据实地测量的报告估算出各层土体的内摩擦角平均值，计算后沉降槽半宽为 17.5 m，在隧道轴线左侧取30 m，若另一边有建筑物，取50 m，这样有效避模型边界效应的影响。
　　4 空间分析模型
　　为了正确，科学，合理的分析模型结果，以平面分析为基础，应该结合空间分析模型进行计算，这个主要原因有两个方面：第一方面，平面模型具有一定的局限性。因为平面模型并不能全方位的反映出需要的信息，无法考虑不同构造物的空间工作状况，只能反映出最不利位置和工况的可能结果，构造物与构造物之间的联系较繁杂，不能仅仅根据片面的分析就得出设计结论；第二方面，因为隧道内部的横竖曲线的半径很小，因此应该在分析模型中考虑该因素的影响。
　　5 关于力学模型的参数取值
　　本文采用计算机软件进行建模和受力分析，并且是进行了平面应变的受力分析计算，将道路下沉隧道、隧道管片衬砌的钢筋混凝土假设为线弹性材料，围岩考虑为弹塑性材料，对于平面模型和空间模型，力学参数取值是按照附近地段的工程地质详勘报告提供的岩土计算，如表1所示。
　　表1 某城市大道工程下沉隧道力学模型中岩土力学参数取值表
　　模型号 钻孔号 土层名称 土层代号 弹性模量
　　（Pa） 泊松比 密度（kg/m3） 内聚力（Pa） 摩擦角（°）
　　1 MEZ3-SY-22 粉质粘土 <1> 4.54E+06 0.35 1980 22700 25.70
　　粉质粘土 <5-2> 8.55E+06 0.30 2000 30300 31.40