非對稱地表荷載對淺埋大斷面隧道影響分析

劉 玲，余小利

（1四川省開江縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站四川636250 2重慶南坪商圈管委會重慶400060）

非對稱地表荷載對淺埋大斷面隧道影響分析

劉 玲1，余小利2

（1四川省開江縣建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站四川636250 2重慶南坪商圈管委會重慶400060）

非對稱地表荷載作用下的淺埋大斷面隧道，其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性與對稱荷載有較大差異。為了研究淺埋大斷面隧道在非對稱地表荷載作用下的支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形特征，本文結(jié)合重慶市軌道3號線工貿(mào)車站暗挖段工程，通過二維彈塑性數(shù)值分析，得到在地表非對稱荷載作用下淺埋大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形特點(diǎn)，應(yīng)以荷載較大側(cè)的支護(hù)參數(shù)作為設(shè)計(jì)的控制參數(shù)，充分重視錨桿的作用，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測控制地表建筑物和中部核心土的變形的結(jié)論，為類似工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

非對稱地表荷載；數(shù)值模擬；淺埋大斷面；雙側(cè)壁

1 引言

近年來，隨著我國交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，新建隧道下穿既有建筑的工況逐漸增多，而對于下穿非對稱地表荷載作用下的淺埋大斷面隧道的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)較少。非對稱荷載是指在圍巖變形和移動不對稱于隧道結(jié)構(gòu)(荷載)中軸線的條件下，“支護(hù)體—圍巖”相互作用系統(tǒng)中圍巖施加于支護(hù)體的荷載。嚴(yán)格地講，對稱荷載條件只可能存在于均質(zhì)且無構(gòu)造應(yīng)力作用的水平巖的隧道中，因此，通常涉及的隧道幾乎都處于非對稱荷載條件之下，只是在不同條件下非對稱荷載作用效應(yīng)不同而已[1],[2]。正是由于大多數(shù)隧道本來就處于非對稱荷載作用下，當(dāng)隧道地表出現(xiàn)較大的非對稱荷載時(shí)，淺埋大斷面隧道結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境更是發(fā)生了很大的變化。在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法中，大多數(shù)支護(hù)體從結(jié)構(gòu)型式到工作特性往往都被設(shè)計(jì)成對稱的，因而當(dāng)其使用環(huán)境改變時(shí)，支護(hù)體工況會發(fā)生較大幅度的變化[3][4]。

2 非對稱荷載作用下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性分析

根據(jù)隧道工程中常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，并應(yīng)用荷載結(jié)構(gòu)法知識將隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型簡化可以得到圖1所示的支護(hù)結(jié)構(gòu)在非對稱荷載作用下的力學(xué)模型，利用結(jié)構(gòu)分析法對模型分析如下：

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)非對稱荷載作用模型

非對稱荷載作用下，最大彎矩出現(xiàn)在起拱段，靠荷載（1-λ）q邊墻，與水平夾角約400處，大小為：

假定支護(hù)結(jié)構(gòu)可縮件設(shè)置于拱腰處（與水平面夾角為45O），則其軸力為：

式中：Mλg為支護(hù)結(jié)構(gòu)在非對稱荷載作用下的最大彎矩。

H、B分別為支護(hù)結(jié)構(gòu)的高度和寬度，h為支護(hù)結(jié)構(gòu)直墻段高度，λ為荷載非對稱系數(shù)，0＜λ＜1。

當(dāng)λ發(fā)生從0變化到1時(shí)，其主要構(gòu)件承受的荷載相差很大，極易造成“支護(hù)一圍巖”系統(tǒng)整體失穩(wěn)，導(dǎo)致支護(hù)設(shè)計(jì)失敗和安全事故[1][2]。

本文根據(jù)非對稱荷載條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，結(jié)合重慶市軌道3號線工貿(mào)車站，研究地表非對稱荷載對淺埋大斷面隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3 工程概況

重慶市軌道交通三號線一期工程的工貿(mào)車站位于重慶市南岸區(qū)工貿(mào)大樓主樓(混凝土22F)的南側(cè)，在大樓裙房(2F)之下。車站的北側(cè)是海銅公路、國際會展中心、東側(cè)為南七路、西南側(cè)接上海城。輕軌線路往西避開工貿(mào)大廈主樓，在其裙樓下設(shè)工貿(mào)車站，出站后線路沿海銅東路向西至銅元局。工貿(mào)站里程：CK5+687.239～CK5+872.239，中心樁號里程CK5+764. 239，車站長約185m，地面標(biāo)高287.30m，站頂標(biāo)高：272m，軌頂標(biāo)高258.915m。

車站主體分兩部分施工：暗挖段CK5+684.639～CK5+808. 589（長123.95m）采用新奧法施工，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)；CK5+808. 589～CK5+872.239（長56m）采用明挖法施工，拱型明洞襯砌結(jié)構(gòu)。新奧法施工段利用車站西側(cè)的溝槽從CK5+808.589開辟工作面進(jìn)入車站，分部開挖，明挖法施工段基坑邊坡開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用噴錨支護(hù)體系。

車站主體結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2 襯砌斷面圖

4 計(jì)算模型及參數(shù)

本文選用自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力場，圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，D-P屈服準(zhǔn)則(Drucke-Prager)。

本文選用的模擬單元類型為：圍巖與初期支護(hù)均采用平面4節(jié)點(diǎn)實(shí)體線性單元(plane42)；二次襯砌、臨時(shí)支撐采用梁單元（Beam3）；錨桿采用2節(jié)點(diǎn)平面等參桿單元(linkl)。

計(jì)算模型的范圍：隧道中線左右分別取75.5m，豎直向上取至地表，地表至下邊界85.9m。

計(jì)算模型左、右邊界為X方向約束，底部邊界為Y方向約束，頂部邊界為自由邊界,按照平面應(yīng)變問題計(jì)算。

整個(gè)計(jì)算模型有限元網(wǎng)格共有6195個(gè)平面單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為5412個(gè)，有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示，計(jì)算的相關(guān)物理參數(shù)見表1、表2。

圖3 隧道開挖有限元模型

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

5 施工模擬步驟

有限元模擬包括初始地應(yīng)力場（包括重力和地面荷載）、隧道開挖等過程進(jìn)行，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2004），在模擬開挖過程中，隧道開挖和初期支護(hù)在相應(yīng)邊界應(yīng)力釋放60%，施作二襯和仰拱完成后在相應(yīng)邊界應(yīng)力釋放40%。南坪輕軌車站暗挖段采用雙側(cè)壁法施工，數(shù)值模擬荷載步如下：

圖4 雙側(cè)壁法施工步序圖

第一步：初始地應(yīng)力計(jì)算。

第二步:施加地表荷載，每層面荷載15kN/m2（隧道軸線左側(cè)按22層，右側(cè)2層荷載施加地面荷載）。

第三步：隧道左洞上部開挖（圖4中1），臨時(shí)支護(hù)及永久初期支護(hù)（圖4中2）。

第四步：隧道左洞中部開挖（圖4中3），臨時(shí)支護(hù)及永久初期支護(hù)（圖4中4）。

第五步：隧道左洞下部開挖（圖4中5），臨時(shí)支護(hù)及永久初期支護(hù)（圖4中6）。

第六步：隧道右洞上部開挖（圖4中7），臨時(shí)支護(hù)及永久初期支護(hù)（圖4中8）。

第七步：隧道右洞中部開挖（圖4中9），臨時(shí)支護(hù)及永久初期支護(hù)（圖4中10）。

第八步：隧道右洞下部開挖（圖4中11），臨時(shí)支護(hù)及永久初期支護(hù)（圖4中12）。

第九步：隧道核心土上部開挖（圖4中13）及永久初期支護(hù)，撤除核心土上部臨時(shí)支護(hù)（圖4中14）。

第十步：施作隧道拱頂和側(cè)墻的二次襯砌（圖4中15）。

第十一步：隧道核心土中部開挖及永久初期支護(hù)，撤除核心土中部臨時(shí)支護(hù)（圖4中16）。

第十二步：隧道核心土下部開挖及永久初期支護(hù)，撤除核心土下部臨時(shí)支護(hù)（圖4中17）。

第十三步：施作鋼筋混凝土仰拱（圖4中18）。

6 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

6.1 隧道左洞施工分析

6.1.1 位移分析

圖5、圖6為左洞開挖后位移云圖。最大水平位移為1.527mm，最小水平位移為-1.572mm。最大豎向位移為1.605mm，最小豎向位移為-0.753mm。

圖5 隧道左洞開挖后水平位移云圖

圖6 隧道左洞開挖后豎向位移云圖

在左洞邊墻處水平位移較大，左洞下部開挖臨時(shí)支撐處豎向位移較大。

6.1.2 初支應(yīng)力分析

圖7、圖8為左洞開挖后初支應(yīng)力云圖。最大S1主應(yīng)力為9.59MPa，最小S3主應(yīng)力為-11.3MPa。

圖7 隧道左洞開挖后初支S1主應(yīng)力云圖

圖8 隧道左洞開挖后初支S3主應(yīng)力云圖

6.1.3 臨時(shí)支撐內(nèi)力分析

圖9、圖10為左洞開挖后臨時(shí)支撐的軸力圖和彎矩圖。最大軸力為93.023kN,最小軸力為-145.818kN；最大彎矩為7.975kN·m,最小彎矩為-7.953 kN·m。

圖9 隧道左洞開挖后臨時(shí)支撐軸力圖

圖10 隧道左洞開挖后臨時(shí)支撐彎矩圖

左洞臨時(shí)支撐兩端的軸力和彎矩都相對比較大，中間的軸力和彎矩相對都比較小。

6.1.4 錨桿軸力分析

圖11為左洞開挖后錨桿軸力圖。最大軸力為17.756kN,最小軸力為-21.094kN。說明錨桿都受拉,數(shù)值不大，滿足承載要求。

圖11 隧道左洞開挖后錨桿軸力圖

由圖11可知拱墻連接處錨桿所受軸力最大。

綜上所述，左洞施工完成時(shí)，在與水平方向約成45°方向產(chǎn)生較大的變形，但支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最不利部位出現(xiàn)在左洞的頂部和右下角。

6.2 隧道右洞施工分析

6.2.1 位移分析

圖12、圖13為右洞開挖后位移云圖。最大水平位移為1.717mm，最小水平位移為-1.958mm。最大豎向位移為2.33mm，最小豎向位移為-0.525mm。

圖12 隧道右洞開挖后水平位移云圖

圖13 隧道右洞開挖后豎向位移云圖

6.2.2 初支應(yīng)力分析

圖14、圖15為右洞開挖后初支應(yīng)力云圖。最大S1主應(yīng)力為7.71MPa。最小S3主應(yīng)力為-11.5MPa。

圖14 隧道右洞開挖后初支S1主應(yīng)力云圖

圖15 隧道右洞開挖后初支S3主應(yīng)力云圖

6.2.3 臨時(shí)支撐內(nèi)力分析

圖16、圖17為右洞開挖后臨時(shí)支撐的軸力圖和彎矩圖。最大軸力為144.742kN,最小軸力為-33.040kN；最大彎矩為7.035kN·m,最小彎矩為-7.033 kN·m。

圖16 隧道右洞開挖后臨時(shí)支撐軸力圖

圖17 隧道右洞開挖后臨時(shí)支撐彎矩圖

6.2.4 錨桿軸力分析

圖18為右洞開挖后錨桿軸力圖。最大軸力為17.371kN,最小軸力為-20.814kN。說明錨桿都受拉,數(shù)值不大，滿足承載要求。

圖18 隧道右洞開挖后錨桿軸力圖

綜上所述，右洞施工完成時(shí)，左洞位移出現(xiàn)調(diào)整，最大位移出現(xiàn)在邊墻，右洞的最大位移也出現(xiàn)在邊墻，在中部未開挖部位的底部出現(xiàn)較大的鼓起，該部分成為最容易失穩(wěn)部位。從初支及錨桿受力可以看出左洞受力較右洞大，但右洞的臨時(shí)支撐較左洞受力不利。因此對受力及變形較大的部位應(yīng)該提高支護(hù)參數(shù)及加強(qiáng)觀測。

6.3 隧道二襯施作分析

6.3.1 位移分析

圖17、圖18為二襯施作完成后位移云圖。最大水平位移為35mm，最小水平位移為-35mm。最大豎向位移為4.7mm，最小豎向位移為-94mm。

圖19 隧道修建完成后水平位移云圖

圖20 隧道修建完成后豎向位移云圖

6.3.2 初支應(yīng)力分析

圖21、圖22為二襯施作完成后初支應(yīng)力云圖。最大S1主應(yīng)力為5.88MPa，最小S3主應(yīng)力為-13.8MPa。

圖21 隧道修建完成后初支S1主應(yīng)力云圖

圖22 隧道修建完成后初支S3主應(yīng)力云圖

6.3.3 二襯和仰拱內(nèi)力分析

圖23、圖24為二襯施作完成后二襯和仰拱內(nèi)力圖。最大軸力為144.449 kN，最小軸力為-434.725 kN；最大彎矩為297.546 kN·m，最小彎矩為-297.419kN·m。

圖23 隧道修建完成后二襯軸力圖

圖24 隧道修建完成后二襯彎矩圖

分析圖23、圖24，由于隧道偏壓，軸力和彎矩不關(guān)于隧道軸線對稱；左墻腳(深埋側(cè))的軸力和彎矩都較右墻腳(淺埋側(cè))的大。

6.3.4 錨桿軸力分析

圖25為二襯施作完成后錨桿軸力圖。最大軸力為19.379kN,最小軸力為-18.256kN。

圖25 隧道修建完成后錨桿軸力圖

綜上所述，從二襯的變形和內(nèi)力圖可以看出，二襯變形及受力基本對稱，在墻腳所受軸力和彎矩較大易產(chǎn)生壓壞，而在頂部二襯受拉，也較一般隧道結(jié)構(gòu)受力大；錨桿軸力在頂部左側(cè)受到較大的拉力，正是由于錨桿的作用導(dǎo)致二襯的變形及受力才出現(xiàn)基本對稱的規(guī)律，最大錨桿拉力出現(xiàn)在與豎直方向夾角約為400左右，與第一部分理論分析基本一致。

7 結(jié)論

（1）淺埋大斷面隧道受到地表的不對稱荷載，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力最不利出現(xiàn)在與豎直方向成約40°方向，這是有別于對稱荷載作用下的規(guī)律也與理論分析較一致。在雙側(cè)壁施工方法中，大荷載側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移的位置隨小荷載側(cè)導(dǎo)洞的開挖而由拱頂變成邊墻。

（2）在不對稱荷載作用下的大斷面淺埋隧道，應(yīng)以荷載較大側(cè)的荷載作為設(shè)計(jì)的控制荷載，支護(hù)參數(shù)作為整段隧道結(jié)構(gòu)斷面的控制參數(shù)以達(dá)到安全的目的。

（3）重視初期支護(hù)的作用。根據(jù)上述分析可知特別是錨桿作用突出，錨桿調(diào)整了二襯的變形及受力，使整個(gè)隧道斷面二襯的受力更加均勻，因此在施工中應(yīng)嚴(yán)格控制錨桿質(zhì)量。

（4）由于隧道淺埋和偏壓，隧道頂部地表荷載較大側(cè)的導(dǎo)洞開挖時(shí)，產(chǎn)生較大的水平位移和沉降，施工中一定要遵循“短開挖，弱爆破，快支護(hù)，勤量測，做好長短超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，做好超前及徑向支護(hù)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)以控制地表建筑的變形。

[1]王亞瓊，張少兵，謝永利，賴金星.淺埋偏壓連拱隧道非對稱支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性狀分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010(5): 3265-3272

[2]伍永平.巷(隧)道支護(hù)中的非對稱荷載效應(yīng)[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),2001(10):55-57

[3]郭軍，王明年，譚忠盛，羅祿森.大跨淺埋黃土隧道中系統(tǒng)錨桿受力機(jī)制研究[J].巖土力學(xué),2010(3):870-874

[4]劉和清.下穿高速公路的淺埋大斷面隧道襯砌受力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(4):95-97

[5]曠文濤,漆泰岳,李斌,周捷.新意法在淺埋大斷面隧道施工中的應(yīng)用研究[J].公路隧道,2009(2):5-9

[6]張虎，譚平.城市輕軌地下車站大斷面隧道施工工法研究[J].西部探礦工程,2011(6):192-196

責(zé)任編輯：李 紅

Analysison the Influenceof Asymmetric Surface Loadson the Shallow Buried Tunnelw ith Large Section

The supporting structure of shallow buried tunnelw ith large section under asymmetric surface loads has very different stress characteristics from thatof symmetric surface loads.To study the stressand deformation characteristics of shallow buried tunnelw ith large section under asymmetric surface loads,the authors,based on the 2D elastop lastic numerical analysis on the underground excavation of Gongmao Station of Chongqing City Metro Line3,getthe resultsand draw the conclusion that thesupporting parametersof thesidew ith heavier loadsshould be taken as the controlparametersin design,the roleofanchorshould be fully stressed,and themonitoring ofbuildingson theground and core soilshould bestrengthened.This thesis can provide some references for sim ilar projects.

asymmetric surface loads;numericalsimulation;shallow buried large section;bilateralwall

U451+.5

A

1671-9107（2012）05-0015-06

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.05.015

2012-01-19

劉玲（1970-），女，本科，工程師，主要從事建筑工程質(zhì)量檢測及質(zhì)量安全監(jiān)督工作。

余小利（1964-），男，工程師，主要從事施工項(xiàng)目管理工作。