路 敏，李建平

（1.楊凌示范區(qū)農(nóng)科資產(chǎn)管理有限公司，陜西 楊凌 712100；2.楊凌示范區(qū)市政園林工程有限公司，陜西 楊凌 712100）

0 引言

隧洞是埋至于地層中的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。1970 年，國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織將隧洞定義為以某種用途、在地面下用任何方法按規(guī)定形狀和尺寸修筑的斷面積大于2 m2的洞室[1]。而隧洞安全是擺在廣大隧洞施工管理者和技術(shù)人員面前的一個(gè)課題，也是一個(gè)難題。畢可為為研究小凈距隧洞施工之間的相互影響，運(yùn)用FLAC 2D 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并認(rèn)為先行開挖暗挖段再施工單線盾構(gòu)區(qū)間可最大限度減少二者之間的不利影響，保證地鐵區(qū)間施工安全[2]。魏綱采用二維有限元方法對(duì)鄰近中低層建筑物工況下的暗挖隧洞施工進(jìn)行模擬和分析，得出建筑物的存在會(huì)增大隧洞開挖引起的地面沉降和襯砌的受力與變形，同時(shí)隧洞開挖也會(huì)使鄰近建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形[3]。賴金星基于彈塑性有限元方法對(duì)雙連拱隧洞施工過(guò)程進(jìn)行分析，得到施工過(guò)程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，以及初期支護(hù)和二次襯砌的受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，分析結(jié)果為羊泉溝隧洞的順利貫通提供了有效指導(dǎo)[4]。祝文化利用FLAC 10 軟件建立淺埋偏壓?jiǎn)喂八矶从?jì)算模型，模擬圍巖在不同施工階段的變化情況，得到了圍巖在不同施工階段的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及塑性區(qū)的分布規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了一些可靠的結(jié)論[5]。張會(huì)剛針對(duì)深圳地鐵新建隧洞鄰接既有隧洞工程，利用FLAC3D 軟件進(jìn)行施工過(guò)程模擬，顯示在本地質(zhì)條件和特定盾構(gòu)推力情況下，變形量滿足設(shè)計(jì)要求；沉降曲線相對(duì)平坦，滿足既有隧洞橫向差異沉降要求[6]。賴金星為研究常見小型溶洞引起的隧洞穩(wěn)定性問(wèn)題，應(yīng)用有限元方法，分析溶洞處于隧洞不同位置對(duì)圍巖位移和隧洞結(jié)構(gòu)受力的影響，表明隧底溶洞距離為1 m 時(shí)，仰拱軸力增加21%，其余部分變化微弱；側(cè)壁溶洞距離為1 m 時(shí)，邊墻軸力增加14.8%，其余部分變化微弱；隧頂溶洞距離為1 m 時(shí)，拱頂軸力增加10%；其余部分變化微弱[7]。張志強(qiáng)針對(duì)深圳地鐵新建隧洞鄰接既有樁基的地鐵工程，進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬的施工力學(xué)行為研究，發(fā)現(xiàn)與無(wú)樁情況相比較，鄰接樁基施工將引起新建隧洞自身結(jié)構(gòu)，特別是與既有樁基鄰接一側(cè)邊墻不利的受力狀況和變形特征；并且鄰接施工還將引起既有樁基產(chǎn)生偏向隧洞水平方向的“拉伸”形情況[8]。張治國(guó)基于Winkler 地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，研究不同隧道埋深、距離基坑開挖現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)近、不同地基土質(zhì)和不同隧道外徑等因素對(duì)隧道縱向變形的影響，結(jié)合大型三維有限元數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[9]。

本文從新建上覆工程對(duì)原有的供水隧洞安全影響的角度出發(fā)，利用MidasGTS-NX 軟件，選用2D“地層- 結(jié)構(gòu)”計(jì)算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后兩種工況下對(duì)供水隧洞進(jìn)行位移、彎矩與安全系數(shù)方面的數(shù)值分析。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地屬構(gòu)造剝蝕淺丘溝谷地貌，但目前該場(chǎng)地已全部平場(chǎng)，地形坡度較小，最低點(diǎn)位于場(chǎng)區(qū)南側(cè)，最高點(diǎn)位于場(chǎng)地西側(cè)，相對(duì)高差8.56 m 左右。斜坡坡角一般0°～8°，地形較為平緩，場(chǎng)地地形地貌簡(jiǎn)單?？辈旆秶鷥?nèi)巖層呈單斜狀構(gòu)造，無(wú)區(qū)域性斷層通過(guò)，構(gòu)造地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，巖層傾向285°～315°，傾角5°～12°。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，場(chǎng)區(qū)內(nèi)及附近并無(wú)活動(dòng)斷裂通過(guò)。通過(guò)鉆探揭示，場(chǎng)地基巖風(fēng)化裂隙較發(fā)育，裂隙發(fā)育程度隨深度增加而減弱。上覆工程范圍面積為2548.5 m2。上覆工程結(jié)構(gòu)標(biāo)高為251.500 m，帶有深度為600 mm 的厚覆土。

2 隧洞結(jié)構(gòu)安全評(píng)估辦法

2.1 計(jì)算模型

本次采用有限元分析軟件MidasGTS-NX，按照原設(shè)計(jì)的參數(shù)建立2D“地層- 結(jié)構(gòu)”模型，計(jì)算供水隧洞斷面的位移、彎矩和安全系數(shù)。

“2D 地層- 結(jié)構(gòu)”法分析地層結(jié)構(gòu)法主要包括地層的合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過(guò)程模擬以及施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用、周圍地層與結(jié)構(gòu)相互作用的模擬。地層結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算理論即為地層結(jié)構(gòu)法，其原理是將襯砌和地層視為整體，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算襯砌與地層的內(nèi)力，以此來(lái)驗(yàn)算地層的穩(wěn)定性和進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)。利用有限元軟件建立起“地層- 結(jié)構(gòu)”模型，根據(jù)施工過(guò)程模擬各種工況，再利用軟件分析結(jié)果，分別提取隧洞現(xiàn)狀和新建上覆工程后供水隧洞典型斷面的位移、襯砌軸力、彎矩值，并對(duì)供水隧洞設(shè)計(jì)竣工圖的襯砌形式進(jìn)行分析檢算。

2.2 計(jì)算參數(shù)

本次評(píng)估檢算參數(shù)參考地勘資料中的巖土參數(shù)及類似工程計(jì)算取值，具體見表1。

表1 數(shù)值模擬的物理力學(xué)性能主要參數(shù)表

2.3 計(jì)算工況

工況分為：①上覆工程未建時(shí)供水隧洞現(xiàn)狀；②新建上覆工程后供水隧洞分析。

模型中襯砌采用梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型；地層及混凝土結(jié)構(gòu)（除樁基外）采用平面應(yīng)變單元模擬，選用莫爾- 庫(kù)倫本構(gòu)模型；模型前后左右為水平約束，下部為豎直及水平約束，頂部為自由邊界；2D 模型示意見圖1。

圖1 2D 模型示意圖

2.4 典型斷面“地層-結(jié)構(gòu)法”計(jì)算結(jié)果及分析

本次研究共有8 個(gè)斷面進(jìn)行對(duì)比分析，在此我們選一個(gè)最不利的典型斷面著重分析。

2.4.1 供水隧洞位移分析

本次位移分析以既有隧洞運(yùn)營(yíng)狀態(tài)為原始狀態(tài)，分析新建上覆工程后既有隧洞襯砌的位移變化量。

從圖2 中可以看出，新建上覆工程之后，典型斷面全隧襯砌仰拱底最大位移為4.89 mm，而結(jié)合表2，各斷面仰拱底最大位移均滿足最大位移不得大于6 mm 的要求。

表2 各斷面仰拱底最大位移表

圖2 典型斷面位移圖

2.4.2 供水隧洞襯砌安全系數(shù)分析

（1）軸力分析

①未新建上覆工程前隧洞襯砌軸力見圖3。

圖3 典型斷面軸力圖

②新建上覆工程隧洞襯砌軸力見圖4。

圖4 典型斷面軸力圖

通過(guò)軸力圖顯示，對(duì)比兩種工況后得出在新建上覆工程后，軸力最大值位于兩側(cè)邊墻處，供水隧洞處于受壓狀態(tài)，各典型斷面結(jié)果顯示，仰拱及拱頂處軸力較小，邊墻及拱腳處軸力較大。

綜合比較各斷面處的軸力數(shù)據(jù)，見表3。

（2）彎矩分析

①未新建上覆工程前既有隧洞襯砌彎矩見圖5。

圖5 典型斷面彎矩圖

通過(guò)彎矩圖顯示，供水隧洞現(xiàn)狀最大彎矩位于拱腳處，各典型斷面結(jié)果顯示彎矩整體呈對(duì)稱分布。

②新建上覆工程后隧洞襯砌彎矩見圖6。

通過(guò)彎矩圖顯示，新建上覆工程修建后供水隧洞最大彎矩位于拱腳處，各典型斷面結(jié)果顯示彎矩整體呈對(duì)稱分布。

綜合比較各斷面的彎矩?cái)?shù)據(jù)，見表4。

表3 典型斷面“地層結(jié)構(gòu)法”最大軸力表

表4 典型斷面“地層結(jié)構(gòu)法”最大彎矩表

圖6 典型斷面彎矩圖

（3）安全系數(shù)分析

①未新建上覆工程前隧洞襯砌安全系數(shù)見表5。

表5 典型斷面襯砌安全系數(shù)表

續(xù)表5

②新建上覆工程后隧洞襯砌安全系數(shù)見表6。

表6 典型斷面襯砌安全系數(shù)表

續(xù)表6

如表7 所示，供水隧洞在新建上覆工程之后，典型斷面隧洞結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與未建上覆工程時(shí)相比變化量為2.28，是變化量最大的斷面，而綜合來(lái)看所有斷面的安全系數(shù)變化量均小于規(guī)定的限值2.4，滿足規(guī)范要求，說(shuō)明新建上覆工程對(duì)供水隧洞的安全影響可以忽略不計(jì)。

表7 最小安全系數(shù)對(duì)比表

3 結(jié)論

從新建上覆工程對(duì)原有的供水隧洞安全影響的角度出發(fā)，利用MidasGTS-NX 軟件，選用2D“地層- 結(jié)構(gòu)”計(jì)算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后兩種工況下對(duì)供水隧洞進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析新建上覆工程對(duì)隧洞位移、彎矩與安全系數(shù)影響，主要結(jié)論如下：

（1）供水隧洞在新建上覆工程之后，與原始狀態(tài)對(duì)比全隧襯砌仰拱底最大位移為4.89 mm，滿足最大位移不得大于6 mm 的要求，說(shuō)明新建上覆工程并沒(méi)有對(duì)供水隧洞的安全造成影響。

（2）供水隧洞彎矩情況通過(guò)彎矩圖顯示，隧洞原始狀態(tài)與新建上覆工程修建后最大彎矩均位于拱腳處，各典型斷面結(jié)果顯示彎矩整體呈對(duì)稱分布，并沒(méi)有對(duì)供水隧洞的安全造成影響。

（3）供水隧洞在新建上覆工程之后，隧洞結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與未建上覆工程時(shí)相比結(jié)構(gòu)安全系數(shù)變化量較小，且均小于規(guī)定的限值2.4，滿足規(guī)范要求。