淺埋暗挖連拱隧道的襯砌結構數(shù)值分析

陳華艷，葉建峰，羅才松

(福建工程學院土木工程學院，福州350108)

隨著城市基礎設施建設的快速發(fā)展，城市道路中新建隧道越來越多，特別在中國發(fā)達城市地區(qū)，由于經(jīng)濟的快速發(fā)展，現(xiàn)有的交通路網(wǎng)已不能滿足日益增加的車流量運輸要求，在此狀況下，越來越多的市政工程得以實施，城市道路通過隧道下穿既有構筑物工程逐年增多，使得對于在役結構的安全性評價越來越得到重視［1］.丁茂瑞［1］、王建秀［2］、藺云宏［3］，陽軍生［4］分別對隧道下穿既有建筑物、公路、鐵路、高壓輸電塔等進行了分析，得出了隧道在下穿這些在役結構時應采取的措施.擬建隧道從既有高層建筑物下穿過，雖然中國有類似工程的成功經(jīng)驗，甚至更為復雜，但考慮到下穿過程每個地方有各自的地質(zhì)環(huán)境，施工技術要求高，需要進行專項計算，以確保施工和運營安全.

1 工程概況

沿海某環(huán)島路隧道為三車道Ⅵ級淺埋連拱隧道.需在高層房屋下穿過，隧道埋置深度僅10～30 m.地質(zhì)條件差，主要穿越殘積土、全風化巖和砂礫狀強風化巖，具有泡水易軟化、崩解，強度降低的特征;地下水位較淺，在較長時間的地下水作用下易產(chǎn)生“流泥”、“流砂”等的不良地質(zhì)現(xiàn)象.設計中采取了全斷面幃幕注漿止水、管棚及小導管超前支護、隔離樁切斷圍巖邊側變形、加強初期支護剛度及雙層二次襯砌結構控制沉降、房屋基底采用高壓旋噴樁加固房屋基礎、三導洞法及CD法組織施工、控制爆破震動速率等措施確保圍巖的穩(wěn)定和控制地面房屋的變形［5］.

如何在不破壞地面建筑物及地下管線的情況下順利穿越該地段是本工程成功的關鍵.為此，對該段隧道結構及施工對地表房屋的影響進行數(shù)值模擬分析十分有必要.

2 隧道結構計算

計算采用大型巖土分析軟件MIDAS/GTS［6］，該軟件是基于Visual C++在Windows環(huán)境下開發(fā)的巖土隧道結構專用有限元分析軟件，提供了多樣化的建模方式，具有強大的分析功能與圖形處理能力.

2.1 計算斷面的選取

按房屋與隧道的空間關系、預加固措施，分別選取2個典型斷面進行計算分析.

2.1.1 第1 斷面

該段隧道處于砂礫狀強風化正長巖和花崗巖內(nèi)，地質(zhì)結構松散，滲透性弱.洞頂以上10 m范圍內(nèi)主要由殘積亞黏土、全風化巖和砂礫狀強風化巖組成，其中殘積亞黏土和全風化巖壓縮性中等，滲透性弱，其細粒土呈流塑狀，穩(wěn)定性極差，土體易出現(xiàn)流土變形.地下水埋深3.2～4.7 m，綜合評價為V－Ⅵ級圍巖.洞頂征地范圍以內(nèi)房屋可拆除，但是位于房屋兩側的受影響房屋有14棟，其中已查明8棟房屋基本完好，2棟房屋一般損壞.房屋離開挖線的最短平面距離只有5.6 m，擬定預加固方案為:沿房屋基礎縱向采用φ120 cm隔離樁護壁，于樁頂設地梁，以增強隔離樁的縱向剛度，沿地梁每隔4.8 m設置一道橫向支撐，以限制樁頂?shù)膫认蛭灰?

2.1.2 第2 斷面

該段隧道圍巖主要由泥質(zhì)粗砂、殘積黏土和全風化層組成，多呈松軟至松散結構，穩(wěn)定性均極差土體壓縮性中等，土體擾動極易變形，地下水埋深2～3 m，綜合評價為Ⅵ級圍巖.據(jù)調(diào)查，該段房屋主要位于線路正上方和線路兩側，受影響的房屋有24棟，其中已查明基本完好的房屋7棟，一般損壞的房屋13棟，嚴重損壞的房屋1棟.

2.2 結構分析中圍巖體采用的范圍

按照一般巖石力學基本原理，圍巖可選用3倍或以上洞徑范圍作為有限元分析區(qū)域，巖體選取范圍以左線中心線為基準，左側延伸到87.4 m，右側延伸到113.2 m;上部延伸到地表;下部延伸到邊墻圓弧中心點以下58.6 m.

2.3 邊界條件及強度準則

計算模型的圍巖體左邊界只有水平方向約束(X方向)，右邊界也只有水平方向約束(X方向)，頂部地表為自由面，底部只有豎直方向約束(Y方向)(自邊墻圓弧中心點以下38.1 m).強度校核采用“摩爾－庫侖”(Mohr－Coulomb)強度準則.

2.4 單元劃分

根據(jù)本段淺埋襯砌段落較長的情況，采用平面應變單元.主要考慮到該斷面附近圍巖比較破碎，開挖過程中掌子面對圍巖體的空間約束作用不會太強;同時掌子面對開挖的圍巖和支護結構有一定的約束作用，作為安全儲備.計算中，第一步模擬在預注漿后，隧道未開挖時的原始地應力狀態(tài)，采用有限元平面應變等參單元劃分網(wǎng)格;隨著計算過程的繼續(xù)(模擬圍巖開挖，施加初期支護等)，逐步減去圍巖體的平面應變單元，加入錨桿單元、噴射混凝土體的線應變單元，如圖1所示.

圖2 隧道施工過程模擬

2.5 計算模型

1)土體采用D－P屈服準則;2)房屋采用實體單元;3)超前支護(管棚、小導管、注漿)采用等代層剛度來模擬;4)初襯、二襯及仰拱采用梁單元模擬;5)錨桿采用桿單元模擬;6)按照設計隧道施工方案來模擬隧道開挖;7)圍巖的無支護應力釋放率為40%，支護承擔60%的圍巖應力釋放.

2.6 計算參數(shù)的選取

見表1.

表1 計算參數(shù)取值

2.7 隧道開挖的模擬步序

計算模型中隧道開挖步序共16步，如圖2.

3 計算結果分析

3.1 地表房屋安全性分析

根據(jù)各典型斷面的計算模型，可計算出以上斷面地表房屋的變形值，各計算斷面的豎直位移分布云圖如圖3所示.表2列出了典型斷面房屋最大沉降值、最大擾度比和最大水平應變，各房屋變形均在最小損壞等級內(nèi).僅僅26號房和34號房的絕對最大沉降值超過了30 mm，但是這兩棟房屋所受應變均小于1‰，表面這兩棟房屋還處于安全狀態(tài)，但在施工中需要注意監(jiān)測.從分析結果可見，設計措施對房屋的保護措施是有效的.

圖3 各斷面豎向位移云圖

表2 房屋變形評價表

3.2 隧道結構安全性分析

同理，由上述計算模型，按照三導洞配合交叉中隔壁法施工，可計算出隧道自身結構的受力情況，其計算結果見圖4所示.根據(jù)以上應力計算分布圖可知，采用設計施工方案施工時，以上各典型斷面初期支護產(chǎn)生的最大拉應力和最大壓應力見表3所示.

表3 各斷面初期支護產(chǎn)生的最大應力值

由表3可知，該隧道開挖后，在第2斷面處，最大拉應力與最大壓應力均最大，分別為1.5 MPa和3.5 MPa.均小于鋼筋混凝土的極限拉應力和極限壓應力.因此，從隧道結構自身看來，設計措施是可行的、安全的.

圖4 各斷面主應力云圖

4 結語

本文通過對擬建隧道結構及地面建筑物進行有限元分析，考慮隧道所處的特殊地質(zhì)條件，模擬隧道開挖的施工全過程，得出了隧道與上部地面建筑物的豎向位移云圖，以及隧道自身結構的主應力云圖.計算結果表明:采取設計擬定的工程措施是可以保證隧道施工過程中地面建筑物與隧道自身安全的.同時，由于有限元模擬分析是建立在均值圍巖和各道工序都完全按照設計意圖開展的理想狀態(tài)之下，沒有考慮施工過程中地下水對圍巖的影響、爆破震動對地面建筑物的影響等因素，這就要求隧道施工過程中密切關注圍巖的變化情況，嚴格注漿工藝，保證注漿質(zhì)量，嚴格控制爆破施工，各道工序也應銜接緊密.即必須對隧道進行動態(tài)施工監(jiān)測管理和安全隱患預報.

［1］丁茂瑞.新建隧道穿越既有建筑物的影響性研究［J］.中外公路，2011，31(4):210－212.

［2］王建秀，鄒寶平，陳學軍，等.填海區(qū)地鐵盾構隧道下穿公路施工地層沉降規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.中國鐵道科學，2013，34(4):33－39.

［3］藺云宏，李冀偉，王 飛.暗挖地鐵隧道斜交下穿既有鐵路的施工研究［J］.鐵道工程學報，2012(11):82－86.

［4］陽軍生，楊元洪，晏 莉，等.大斷面隧道下穿既有高壓輸電鐵塔施工方案比選及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(6):1184－1194.

［5］胡學兵，馬建清，李 勇，等.密集建筑群下城市淺埋大跨隧道設計研究［J］.公路交通技術，2007，增刊:91－95.

［6］王海濤，易富民.MIDAS/GTS巖土工程數(shù)值分析與設計［M］.大連:大連理工大學出版社，2013.