華唐立交下穿道設(shè)計(jì)方案有限元分析

華唐立交下穿道設(shè)計(jì)方案有限元分析

文勇
(重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 400015)

華唐立交工程是重慶市江北區(qū)城市道路的重要工程，該工程用下穿地通道穿越建新南路。下穿地通道為明挖法施工，部分區(qū)段位于已建成軌道三號(hào)線華新街—觀音橋區(qū)間隧道上方，地通道路面與隧道洞頂最近距離僅1.5m。為了確保下穿道施工不影響軌道三號(hào)線區(qū)間隧道的安全，本文用三維彈塑性有限元方法，對(duì)華唐立交下穿道的施工進(jìn)行有限元仿真模擬，預(yù)測(cè)施工過(guò)程中區(qū)間隧道的變形和內(nèi)力變化。計(jì)算結(jié)果表明，下穿道施工對(duì)軌道三號(hào)線區(qū)間隧道的影響主要為縱向變形，現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能抵抗縱向變形產(chǎn)生的附加內(nèi)力。華唐立交修建完成后，區(qū)間隧道內(nèi)力滿足承載力要求和抗裂要求。這一結(jié)論為該工程的順利實(shí)施提供了依據(jù)。

隧道；有限元分析；設(shè)計(jì)方案

1 工程概述

華唐立交位于重慶市嘉陵江大橋北橋頭，是重慶市江北區(qū)城市道路網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)。該立交往西接渝澳大道，聯(lián)系建新南路西部片區(qū)，往東通過(guò)黃觀路聯(lián)系東部片區(qū)。華唐立交工程的實(shí)施，將有助于提高重慶市江北觀音橋片區(qū)東西連接，完善江北區(qū)城市路網(wǎng)。

華唐立交采用下穿地通道形式穿越建新南路，下穿道為東西方向雙向四車(chē)道的地通道，車(chē)行道凈寬16m。在工程附近，有已建成的軌道三號(hào)線華新街—觀音橋區(qū)間隧道和建新南路下穿道。華唐立交下穿道的修建，是通過(guò)拓寬已有的建新南路下穿道實(shí)現(xiàn)。華唐立交下穿道采用明挖法施工，因下穿道部分區(qū)域與重慶市軌道三號(hào)線平行，所以下穿道施工對(duì)軌道三號(hào)線的影響為地面卸載，卸載幅度為0～6m的覆土荷載。施工完成后，軌道三號(hào)線洞頂開(kāi)挖面與下穿道路面最不利位置處高差僅1.5m。在華唐立交下穿匝道附近，還有鄰近的城市領(lǐng)地和人才交流中心兩座高層建筑。下穿道與周?chē)ㄖ钠矫嫖恢藐P(guān)系見(jiàn)圖1所示。

華唐立交下穿道結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2，在兩側(cè)邊墻采用樁板式擋墻，并通過(guò)上跨橋結(jié)構(gòu)連接兩側(cè)道路。樁基礎(chǔ)為2m×1.5m的方形挖孔樁，上跨橋?yàn)楹?jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)，梁高1.8m。軌道三號(hào)區(qū)間隧道線因下穿道修建后，使覆土層厚度降低，華唐立交路面車(chē)輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的作用不能簡(jiǎn)化成均布荷載；同時(shí)路面車(chē)輛荷載的沖擊效應(yīng)也不能忽略，應(yīng)視為動(dòng)荷載。為了抵消華唐立交路面車(chē)輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，設(shè)計(jì)方在區(qū)間隧道覆土層較薄的區(qū)域設(shè)置了樁板加固結(jié)構(gòu)，如圖3。通過(guò)樁板加固結(jié)構(gòu)直接承受路面車(chē)輛荷載，并傳遞到隧道下方的圍巖中，使區(qū)間隧道不直接承受地面車(chē)輛荷載，保證了隧道結(jié)構(gòu)的安全。

由于華唐立交下穿道與軌道三號(hào)線距離較近，并且與周邊高層建筑距離較近，因此，下穿道的修建可能會(huì)對(duì)軌道三號(hào)線產(chǎn)生產(chǎn)生一定影響，需要通過(guò)有限元仿真分析對(duì)其可行性進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估分析。

2 三維有限元模型

2.1 計(jì)算范圍和單元?jiǎng)澐?/h3>

計(jì)算采用ANSYS有限元程序進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)影響范圍為開(kāi)挖直徑5倍的原則[1]，計(jì)算模型沿線路縱向取300m，沿線路橫向取250m，從地表向下取100m。計(jì)算土體采用SOLID45實(shí)體單元，隧道襯砌采用SHELL63殼體單元，屈服條件采用Drucker－Prager屈服準(zhǔn)則。建好的三維有限元模型如圖4～6。

2.2 圍巖參數(shù)

有限元計(jì)算范圍內(nèi)的圍巖，按成因年代可劃分為人工填土層（圍巖1）、中等風(fēng)化砂巖層（圍巖2）和泥巖層（圍巖3）三大類(lèi)，即分成3個(gè)主要地層。各層圍巖的分布范圍可參考圖7，圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。砂巖層和泥巖層的圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

表1 三維模型計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算荷載

根據(jù)荷載類(lèi)型，可將荷載分成恒載和活荷載兩部分。其中恒載為結(jié)構(gòu)自重，隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖釋放荷載，高層建筑修建產(chǎn)生的地面超載。隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的圍巖釋放荷載由有限元程序模擬開(kāi)挖計(jì)算得到，高層建筑修建產(chǎn)生的地面超載按每層樓17.5kPa計(jì)算，城市領(lǐng)地為32層高層建筑，產(chǎn)生的地面超載為560kPa；人才交流中心為9層高層建筑，產(chǎn)生的地面超載為157.5kPa?；詈奢d為車(chē)輛荷載產(chǎn)生的地面超載取20kPa。

2.4 計(jì)算步

有限元計(jì)算中考慮兩個(gè)計(jì)算階段，即施工階段和正常運(yùn)營(yíng)階段。在施工階段，計(jì)算模型只考慮高層建筑產(chǎn)生的地面超載和下穿道施工對(duì)周?chē)ㄖY(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，有限元模型見(jiàn)圖8；正常運(yùn)營(yíng)階段，有限元模型不僅作用于有高層建筑產(chǎn)生的地面超載，還有建新南路通車(chē)后的地面車(chē)輛荷載和下穿匝道的車(chē)輛荷載，有限元模型見(jiàn)圖9。

計(jì)算模型采用19個(gè)計(jì)算步進(jìn)行下穿道施工和運(yùn)營(yíng)階段的模擬。計(jì)算步1模擬初始應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)；計(jì)算步2～7模擬軌道三號(hào)線區(qū)間隧道施工和施工完畢后的應(yīng)力狀態(tài)；然后用計(jì)算步8～18模擬華唐路下穿匝道圍巖的開(kāi)挖和樁板擋墻結(jié)構(gòu)的修建；最后用計(jì)算步19模擬正常使用階段下穿道和軌道三號(hào)線區(qū)間隧道在路面車(chē)輛荷載作用下的受力狀態(tài)。區(qū)間隧道與下穿道開(kāi)挖和支護(hù)在ANSYS中可采用“死”、“生”單元的方法實(shí)現(xiàn)[2]。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算結(jié)果比較

按當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式和施工方法得到有限元模型的位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 位移計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

從表2中看出，下穿道施工產(chǎn)生的地表側(cè)向位移大于地表豎向位移，這是因下穿道施工是通過(guò)擴(kuò)寬已有建新南路下穿道實(shí)現(xiàn)的，樁板擋墻的分布范圍對(duì)地表位移的控制起主要作用；高層建筑產(chǎn)生的位移值要小于地表位移值，因此華唐立交下穿道施工只要能確保邊坡開(kāi)挖后變形的穩(wěn)定，就可以保證高層建筑的穩(wěn)定；華唐立交下穿道施工對(duì)軌道三號(hào)線區(qū)間隧道的作用主要是因地面卸載，使區(qū)間隧道縱向產(chǎn)生不均勻變形。不均勻變形不僅使區(qū)間隧道橫截面受力發(fā)生變化，還使隧道縱向產(chǎn)生較大內(nèi)力，需要對(duì)隧道橫向、縱向截面內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算。

通過(guò)表2所示的位移結(jié)果可以得到，按當(dāng)前華唐立交下穿匝道所提供的結(jié)構(gòu)形式和支護(hù)措施，可以較好地控制下穿道施工時(shí)垂直邊坡的穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)軌道三號(hào)線區(qū)間隧道和周?chē)邔咏ㄖa(chǎn)生較大變形影響，是可行的修建方案。

3.2 位移沉降曲線

從表2的位移計(jì)算結(jié)果中可以看出，下穿道修建主要引起軌道三號(hào)線縱向局部產(chǎn)生變形。為了更好了解下穿道施工對(duì)軌道三號(hào)線區(qū)間隧道的影響，取縱截面A-A進(jìn)行位移監(jiān)控，繪出下穿道施工時(shí)各關(guān)鍵計(jì)算狀態(tài)下的拱頂位移曲線。監(jiān)控截面A-A的位置如圖10所示，位移曲線結(jié)果見(jiàn)圖11。

從圖11所示位移曲線中可以看出，下穿道施工主要引起區(qū)間隧道的局部隆起，如圖12所示，這是因下穿道施工相當(dāng)于在區(qū)間隧道上方進(jìn)行局部卸載所造成的。當(dāng)施工完成路面通車(chē)后，汽車(chē)荷載作用在路面和下穿道底板上，在一定程度上減小了因施工產(chǎn)生的土體卸載作用，降低了區(qū)間隧道的局部不均勻變形，因此運(yùn)營(yíng)階段區(qū)間隧道的拱頂隆起要小于施工階段。

區(qū)間隧道除頂拱發(fā)生變形外，仰拱也有一定隆起。因軌道三號(hào)線采用混凝土軌道梁結(jié)構(gòu)形式，所以對(duì)軌道梁的變形有嚴(yán)格要求。計(jì)算結(jié)果表明，下穿道施工對(duì)區(qū)間隧道仰拱產(chǎn)生的最大位移僅1.32mm，因此能夠滿足軌道梁的變形要求。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全性評(píng)價(jià)

軌道三號(hào)線區(qū)間隧道內(nèi)力計(jì)算，取下穿道與區(qū)間隧道最近位置作為橫向內(nèi)力控制截面；同時(shí)取區(qū)間隧道洞頂縱向截面A-A作為縱向內(nèi)力控制截面。按照施工階段隧道襯砌應(yīng)力進(jìn)行積分，可以得到區(qū)間隧道橫向彎矩和縱向彎矩，如圖13、圖14。

表3 襯砌內(nèi)力驗(yàn)算

區(qū)間隧道橫向內(nèi)力分析時(shí)，軸力較大，可按照壓彎構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力安全系數(shù)和裂縫寬度；縱向分析時(shí)，軸力較小，可按純彎構(gòu)件計(jì)算內(nèi)力安全系數(shù)和裂縫寬度。由軌道三號(hào)線區(qū)間隧道竣工資料得到隧道二次襯砌厚550mm，橫向截面按Φ20@100配筋，縱向截面按Φ12@250配筋，內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。表3表明，華唐立交下穿道采用的結(jié)構(gòu)形式和支擋措施，在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段，可以保證區(qū)間隧道的承載能力要求和正常使用要求。

4 結(jié)論

（1）用有限元模擬下穿道開(kāi)挖，能再現(xiàn)施工過(guò)程中的力學(xué)現(xiàn)象，從而使設(shè)計(jì)或施工能夠從宏觀角度把握下穿道施工對(duì)現(xiàn)有區(qū)間隧道的影響。

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，軌道三號(hào)線區(qū)間隧道截面、配筋設(shè)計(jì)均滿足承載力和正常使用要求。

（3）結(jié)構(gòu)安全評(píng)估分析表明，由于軌道三號(hào)線區(qū)間隧道和華唐立交下穿匝道所處圍巖性質(zhì)較好，并且施工時(shí)采用了合適的支擋措施和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行加固，所以下穿道施工和今后的運(yùn)營(yíng)不會(huì)對(duì)軌道三號(hào)線和周?chē)邔咏ㄖY(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響，不需要對(duì)區(qū)間隧道和周?chē)邔咏ㄖM(jìn)行加固處理。

[1]關(guān)寶樹(shù).隧道力學(xué)概論[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，1993:49-54.

[2]吳波，高波，等.城市地鐵小間距隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2005；（3）84-89.

[3]GB50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]李強(qiáng)，王明年.淺埋隧道近接施工地表沉降有限元分析[J].四川建筑，2004，24(5):98-101.

[5]章立峰，劉建國(guó).地鐵區(qū)間隧道施工過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬分析[J].隧道建設(shè)，2003，23(6):P3-5.

Finite Element Analysis of the Designing of the Underpass Road of the Huatang Overpass

With the underpass road crossing Jianxin South Road,Huatang Overpass Project is an important project in the urban road construction in Jiangbei District,Chongqing.The underpass road of this project will be constructed with the open-cut method,part of which is over the tunnel of No.3 Railway Line from Huaxin Street to Guanyin Qiao that has already been completed,and the closet distance between the road and the tunnel roof is only 1.5m.In order to make sure that the construction of the underpass road will not threat the safety of the tunnel of No.3 railway Line,this paper makes FEM simulation of the construction of the underpass road of Huatang Overpass and predicts the deformation and the changes of internal forces of the tunnel during the construction by using the Three-dimensional elastoplastic finite element method.Based on the results of calculation,the major influence on the No.3 Railway Line tunnel is vertical variability which will produce additional internal forces,which the present design of the tunnel structure can resist and obsorb.After the construction of Huatang Overpass,the internal forces will meet the demands of capacity and crack.This conclusion provides evidence for the smooth construction of the project.

tunnel;finite element analysis;design

U412.35

A

1671-9107（2011）02-0010-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.02.010

2010-11-8

文勇（1975-），男，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

責(zé)任編輯:余詠梅

施工經(jīng)驗(yàn)