道路与桥梁工程师论文（精选范文10篇）之第四篇
摘要：隧道施工在一定范围内下穿地表建筑物时，不可避免地对地表建筑物产生不同程度的影响。该文结合工程实际，在隧道跨度不变的情况下，综合考虑了围岩级别、隧道中心线-建筑物轴线的距离（L）和隧道顶部覆土层厚度（H）三个因素，利用正交试验法进行试验方案的优选，选出9种正交试验方案进行弹塑性有限元数值模拟试验，并进行直观分析和极差分析。研究表明：当L=0m、H=15m和隧道围岩级别为Ⅳ级时，隧道开挖对地表框架结构内力影响最大；隧道开挖对地表框架结构内力影响次序由大到小依次是：围岩级别→隧道中心线-建筑物轴线的距离（L）→隧道顶部覆土层厚度（H）。研究结果可为隧道下穿地表建筑物施工提供参考。
关键词：隧道施工； 建筑物； 正交试验； 数值模拟；
0 引言
随着地下空间建设的快速发展，隧道开挖对地表建筑物的影响已成为一个热点问题。隧道开挖引起的地层位移将使地表建筑物基础产生不同程度的沉降，对建筑物产生严重的损害[1,2,3,4,5,6,7,8,9],目前，国内外对隧道开挖引起建筑物损害的研究较多，但都集中在各种工况对地表建筑物的影响，对工况下各种因素的影响程度的研究较少。本文以磨盘山隧道为依据，通过分析隧道开挖对地表框架结构影响的各种因素，进行正交试验设计及数值模拟，对各种因素的影响程度进行研究，对保证建筑物的安全和正常使用具有重大意义。
1 地表建筑物工况的隧道施工二维有限元模拟
磨盘山隧道净宽10m,净高6.8m,隧道轴线间距35.5m.考虑到地面建筑物与隧道走向一致，且在其纵向延伸方向上长度较长，可将其简化为平面应变问题考虑，并以垂直隧道走向方向的断面作为计算断面[10].假定土体为均质土层，土体本构模型采用Drucker-Prager模型。隧道采用二台阶法开挖，网格划分如图1所示。将锚杆的力学作用等效为锚杆作用范围内土体力学参数的改善，本文采用预加固区进行模拟，厚度为3m,土体和预加固区采用Plane42实体单元；隧道衬砌采用Beam3单元，厚度为0.4m,按线弹性材料考虑，材料为C35钢筋混凝土。采用Plane42实体单元来模拟建筑物基础，基础埋深为1m,长度为2m.基础上方建筑物为4层，梁柱体系，截面尺寸均为0.6m×0.6m,采用Beam3单元模拟，材料参数见表1.每层活荷载按规范取值，顶层活荷载为0.5kPa,其他层活荷载平均值取2.25kPa,考虑传递到框架梁上的墙体重力，每层楼板面上所加荷载为4.9 kPa（顶层除外）。隧道和建筑物的尺寸见图2,图中H为隧道顶部到地面的垂直距离（m） ;L为建筑物轴线到隧道中心线的水平距离（m） ;D为隧道跨度（m）；整个模型在水平方向取150m,在竖直方向取80m.
图1 网格划分图
图2 建筑物和隧道几何关系图
表1 数值计算中材料物理力学参数
2 数值模拟正交试验设计
为了全面合理地分析各个条件对计算结果的影响，并尽可能减少模拟计算次数，现采用正交试验设计法进行数值模拟方案设计，分析影响计算的各个因素，根据隧道开挖地表沉降变形规律，并参考文献[6,7,8,9]的研究结果，取隧道中心线-建筑物轴线的距离与隧道跨度的比值L/D=0、2、4,隧道顶部覆土层厚度与隧道跨度的比值H/D=1、1.5、2.5进行研究，各试验因素及水平取值如表2所示（已知D=10m）。
表2 试验因素和水平
表3 试验方案设计表
由表2知，选用L9 （34）正交表进行试验设计，试验方案设计见表3.
由表3可知，只需计算水平组合所示的九种情况即可全面合理的反映所有条件组合对结果的影响。
3 有限元计算结果分析
模拟重力场和隧道开挖施工过程。通过对各工况计算，得到隧道施工过程中地表框架结构梁柱体系出现的最大弯矩、剪力和轴力，如表4、表5所示，采用多指标问题的直观分析和极差分析如下：
表4 各工况计算结果
表5 各指标分析表
Ki为因素A、B、C的第i水平所在的试验中考查指标之和（i=1、2、3） , ki为Ki的平均值，因为Ki是三个指标之和，故ki=Ki/3.
通过对各因素对各指标影响的综合分析（表4、表5），得出较好的试验方案（即影响最大的试验方案）。
A1:隧道中心线-建筑物轴线的距离（L），第一水平，0m;
B2:隧道顶部覆土层厚度（H），第二水平，15m;
C2:围岩级别，第二水平，Ⅳ级。
通过考察框架结构的弯矩、轴力和剪力三个试验指标分析各因素对框架结构的影响，经过极差分析可知：三个因素对框架结构的影响次序由大到小依次是：围岩级别→隧道中心线-建筑物轴线的距离（L）→隧道顶部覆土层厚度（H）。
4 结论
在本文所选择的隧道跨度和开挖施工所用的材料参数的基础上，结合正交试验设计方法，进行各因素下二维有限元的弹塑性计算，通过直观分析和极差分析得出以下结论：
（1）当隧道中心线-建筑物轴线的距离L=0m、隧道顶部覆土层厚度H=15m和隧道围岩级别为Ⅳ级时，隧道开挖对地表框架结构内力影响最大，故在类似施工环境条件隧道下穿地表建筑物时，应当控制隧道开挖引起的地表沉降，减弱对地表建筑物的影响；
（2）在隧道跨度不变的情况下，隧道开挖对地表框架结构内力影响次序由大到小依次是：围岩级别→隧道中心线-建筑物轴线的距离（L）→隧道顶部覆土层厚度（H），为隧道下穿地表建筑物施工提供参考。
参考文献
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