山嶺隧道下穿既有高速公路受力變形分析

張 路, 周曉軍， 曾博文

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-10-18

近年來，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了大量的立交工程，如城市中的地鐵隧道下穿既有建筑物、與地下管線相交，山區(qū)中的鐵路隧道下穿高速公路等等。由于高速公路、高鐵、城市建筑物對于沉降控制都有相應(yīng)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，所以在近接施工時如何保證既有工程受到的影響在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)成為工程技術(shù)人員首要考慮的問題。

現(xiàn)有研究中，近接施工已經(jīng)作為重要研究方向被許多學(xué)者所研究。鄭俊杰[1]等人基于溫福鐵路某隧道下穿高速公路隧道分析了既有隧道健全度及施工對策，并對交叉點附近新建隧道的施工方案及既有高速公路隧道的監(jiān)控量測措施進(jìn)行了研究；茍德明[2]對隧道開挖過程中管棚的作用機理進(jìn)行了研究分析，得到了管棚作為支護(hù)結(jié)構(gòu)在新建隧道下穿既有公路時的可行性；陳仕猛[3]利用Ansys對琯頭嶺新建鐵路隧道和既有公路隧道在不同的開挖支護(hù)條件下進(jìn)行了有限元分析，得到了施工過程控制的重點是爆破振動；趙紀(jì)平[4]探討了超淺埋隧道下穿既有高速公路和國道施工技術(shù)，通過對施工方案的比選和不斷優(yōu)化，最終采用優(yōu)化后的CRD法開挖，并驗證了其可行性；張恒[5]把技術(shù)調(diào)研、理論分析和數(shù)值模擬等結(jié)合，對盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降、橋梁樁基變形以及盾構(gòu)掘進(jìn)控制技術(shù)進(jìn)行了研究；劉運[6]采用平面應(yīng)變彈塑形以及三維彈塑形模型和有限單元法研究了淺高速公路下穿淺埋隧道；午向陽[7]等人對施工中可能采用的導(dǎo)坑法、CD法、中導(dǎo)洞法及臺階法進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行優(yōu)化研究；李健[8]等人對隧道進(jìn)入下穿高速公路前的管棚縱向變形進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)實測結(jié)果分析長大管棚在隧道開挖過程中的受力特性與作用機制。

本文基于有限元軟件Abaqus，建立三維有限元交叉模型，分析了上部高速公路運營期間下方新建隧道對于高速公路路基沉降以及新建隧道的受力和變形。

1 數(shù)值模型建立過程

1.1 依托工程背景

研究依托某西部城市的一條新建公路隧道，下穿一條正在運營中的高速公路，隧道輪廓線拱頂處距高速公路路基底部約50m，四車道公路隧道跨度14.08m，為典型的扁平大斷面隧道，根據(jù)地質(zhì)資料綜合評定圍巖等級為IV～V級圍巖。

1.2 數(shù)值模型建立過程及計算參數(shù)

根據(jù)斷面尺寸建立三維交叉有限元模型，建立road及tunnel的part，裝配時將road底面及tunnel頂面施加tie約束，保證其連續(xù)性；單元類型為C3D8R；周邊面施加法向約束，底面固定三個方向的位移；地應(yīng)力平衡采用導(dǎo)入odb文件的方法，路面施加200kPa的均布荷載，整體和局部模型分別如圖1和圖2所示，路基和襯砌采用彈性材料，圍巖采用彈塑形材料，屈服準(zhǔn)則為Mohr-Columb準(zhǔn)則。根據(jù)設(shè)計圖紙?zhí)峁┑氖┕?shù)，初期支護(hù)噴射混凝土厚度為25cm，鋼拱架間距為60cm，采用I20a型鋼，依據(jù)等效原則，將鋼拱架的剛度等效折算給噴射混凝土，具體公式為：

式中：E為剛度等效后的噴射混凝土的彈性模量；E0為素混凝土彈性模量；Sg為鋼拱架橫截面積；Sc為混凝土橫截面積；Es為鋼拱架的彈性模量。

圖1 整體模型

圖2 局部模型

材料參數(shù)取值具體見表1。

表1 材料參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 豎向位移分析

2.1.1 隧道拱頂及仰拱豎向位移

隧道貫通后整體豎向位移云圖如圖3所示。

圖3 豎向位移云圖

提取沿隧道縱向方向拱頂及仰拱中心處的豎向位移，觀察其變化趨勢(圖4)。

圖4 隧道縱向方向豎向位移變化

由圖3和圖4可以看出，豎向位移整體分布呈倒葫蘆型分布，受車輛荷載以及道路兩旁邊坡影響，沿隧道縱向的位移分布并不一致，沉降最大值為3.324cm，發(fā)生在道路路基正下方的隧道拱頂處，向兩邊逐漸減??；仰拱隆起值整體分布較均勻，最大值為1.332cm，發(fā)生在前后邊界面的仰拱中心處，向中間逐漸減小。

2.1.2 路基沉降

路基沉降對于高速公路的正常運營起著至關(guān)重要的作用，尤其是不均勻沉降帶來的路面的不平順，將導(dǎo)致車輛行車舒適感降低，事故風(fēng)險加大等。路基部分豎向沉降云圖如圖5所示，行車方向路基中心點豎向位移變化趨勢如圖6所示。

由圖5可知，隧道下穿部分路基沉降值最大，最大值達(dá)到了約3cm，隨后向兩邊逐漸減小，圖6兩端曲線斜率已接近0，說明隧道開挖對路基沉降的影響已趨于0，影響區(qū)間大約為60m，最大不均勻沉降約為2.21cm，將對路基造成一定的影響。

2.2 塑性區(qū)分布

開挖結(jié)束后的圍巖塑性區(qū)如圖7所示。

圖7 塑性區(qū)分布云圖

由于圍巖條件較差，隧道斷面為扁平大斷面，應(yīng)力重分布較差，墻腳可能會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，再加上隧道上部存在正在運營中的高速公路，且兩邊均為邊坡，出現(xiàn)了較大范圍的塑性區(qū)，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.163×10-3，集中在隧道墻腳及拱腰位置，此外，由于車輛荷載的作用，路基下方及隧道拱肩上也存在塑性區(qū)，分布范圍較大，另一方面，由于坡角較小，邊坡坡度較小，所以邊坡未出現(xiàn)明顯滑動面。

2.3 襯砌內(nèi)力分析

較之其他有限元軟件，Abaqus軟件對于實體單元的內(nèi)力可直接在求解前的場變量輸出中加入SF(SectionForcesandMoments)變量即可，采用JTGD70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[9]計算安全系數(shù)的方法：

當(dāng)e0?0.2h時，為抗壓強度控制承載能力：

KN?φαRabh

式中：Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度；K為安全系數(shù)；N為軸向力(KN)；b為截面寬度(m)；h為截面厚度(m)；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù) ；α軸向力的偏心影響系數(shù)。

當(dāng)e0?0.2h時，為抗壓強度控制承載能力：

式中：R1為混凝土的抗拉極限強度，其他符號意義同上。

分別提取拱頂、拱肩、拱腰、墻腳以及仰拱處的內(nèi)力，具體分布點如圖8所示。

圖8 內(nèi)力監(jiān)測點分布

計算得到的內(nèi)力及安全系數(shù)分布如表2所示。

由內(nèi)力具體值來看，由于車輛荷載的作用，拱頂承受較大的拉力，仰拱由于開挖造成的隆起也由一定的受拉，軸力分布較為均勻；從安全系數(shù)分布來看，拱腰和墻腳的安全系數(shù)較小，墻腳已經(jīng)接近規(guī)范所規(guī)定的安全系數(shù)的限制2.0，其余位置安全系數(shù)較大，足夠安全。

3 結(jié)論

(1)車輛荷載對于隧道的收斂位移值影響較小，路基正下方的拱頂沉降及仰拱隆起與其他區(qū)段相差不大，拱頂沉降最大值出現(xiàn)路基正下方處，為3.324cm；仰拱隆起最大值出現(xiàn)在前后邊界面處，為1.332cm；

表2 內(nèi)力及安全系數(shù)

(2)隧道開挖對于路基沉降有較大影響，路基最大沉降值達(dá)到了約3cm，而未受影響區(qū)的路基最大沉降值僅為0.7cm，路基的不均勻沉降將會給運營中的公路帶來巨大的安全隱患，在施工期間應(yīng)予以注意，比如可在交叉段隧道施工時采取CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等，也可提前通過注漿法加固交叉段圍巖；

(3)對于坡角較小的邊坡，下穿隧道對于邊坡的影響較小，未出現(xiàn)明顯滑動面；

(4)在隧道施工過程中，由于墻腳處襯砌的安全系數(shù)較小，在施工期間，尤其是交叉段施工時，應(yīng)采取相關(guān)措施加強拱腰、墻腳，比如施加鎖腳錨桿、向下注漿等，以此來保證襯砌的安全性。

[1] 鄭俊杰,包德勇,龔彥峰,等.鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報,2006(8):80-84.

[2] 茍德明.既有公路下連拱隧道管棚變形測試與作用機理研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2007.

[3] 陳仕猛.上下交叉隧道近接施工技術(shù)的研究[D].成都: 西南交通大學(xué),2008.

[4] 趙紀(jì)平.超淺埋隧道下穿高速公路、國道施工技術(shù)研究[J].隧道建設(shè),2009,29(4):441-445.

[5] 張恒.下穿立交橋盾構(gòu)隧道掘進(jìn)控制技術(shù)研究[D].成都： 西南交通大學(xué),2009.

[6] 劉運.高速公路下穿隧道施工仿真分析[D].武漢: 武漢理工大學(xué),2010.

[7] 午向陽,蔣宗全,李鵬飛,等.大斷面隧道下穿高速公路施工方案優(yōu)化研究[J].鐵道建筑,2010(11):40-42.

[8] 李健,譚忠盛,喻渝,等.淺埋下穿高速公路黃土隧道管棚變形監(jiān)測及受力機制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(S1):3002-3008.

[9]JTGD70-2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.