近接樁基的朝天門(mén)隧道二次襯砌安全分析

邱紅勝，李燦

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)*

近接樁基的朝天門(mén)隧道二次襯砌安全分析

邱紅勝，李燦

(武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)*

為研究淺埋隧道下穿嵌巖樁后，在不同樁位及樁荷載逐級(jí)增加的情況下，隧道二次襯砌的安全系數(shù)影響規(guī)律，以重慶朝天門(mén)隧道為研究對(duì)象建立模型.采用ANSYS有限元軟件模擬隧道施工過(guò)程以及隧道上方建筑加層，計(jì)算了在不同樁位及樁荷載增加情況下的二次襯砌安全系數(shù).結(jié)果表明：8#樁所在斷面，在理想圍巖條件下，計(jì)算安全系數(shù)為8.89，滿足安全要求；樁在隧洞中心兩倍隧洞半徑范圍內(nèi)時(shí)，最小安全系數(shù)對(duì)樁荷載增加極度敏感，對(duì)水平距離的減小敏感，不利于二次襯砌的安全性，表明朝天門(mén)隧道上方建筑物應(yīng)該盡量避免加層，或應(yīng)對(duì)該范圍內(nèi)的樁基進(jìn)行托換.

朝天門(mén)隧道；二次襯砌；安全分析；嵌巖樁；淺埋隧道

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)西部城市建設(shè).隧道建設(shè)作為重慶市交通發(fā)展的關(guān)鍵，將不可避免接近或下穿地表建筑物.高層建筑大多采用樁基礎(chǔ)，所以必然遇到樁荷載作用下隧道穿行的問(wèn)題，甚至隧道建成后，樁荷載加載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的難題.針對(duì)樁-地層-結(jié)構(gòu)模型的研究，于晨均，朱逢斌等和張永興等人主要研究了隧道施工對(duì)于隧洞上方已有樁基的影響[1- 4]；王成和邱陳瑜等人通過(guò)使用有限元強(qiáng)度折減法，重點(diǎn)研究了在不同樁位和不同樁荷載作用下，圍巖地層安全系數(shù)的變化規(guī)律，卻沒(méi)有考慮隧道開(kāi)挖施工影響，以及樁荷載加載對(duì)于襯砌安全性的影響[5- 6].鄒育麟等人整理并分析了隧道襯砌裂縫形成的原因，其中縱向裂縫主要是由圍巖應(yīng)力和位移變化而導(dǎo)致[7].在王華牢和王亞瓊等人的研究中，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后，襯砌結(jié)構(gòu)特征截面安全系數(shù)急劇降低[8- 9].二次襯砌作為隧道安全和防水的最后防線，若因襯砌裂縫而使其整體性遭到破壞，結(jié)構(gòu)安全性大幅降低，襯砌結(jié)構(gòu)承載能力減弱，隧道結(jié)構(gòu)使用壽命縮短.

在樁-地層-結(jié)構(gòu)模型的研究中，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的研究較少，特別是隧道建成之后樁荷載增加的情況.針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文以重慶朝天門(mén)隧道K4+916.5為研究背景.考慮嵌巖樁體與隧洞拱頂?shù)牟煌恢藐P(guān)系，隧道建成后，逐級(jí)增加樁荷載，以研究其對(duì)二次襯砌安全系數(shù)的影響規(guī)律.

1 安全系數(shù)

一般地，將安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果[11]用于實(shí)際工程的設(shè)計(jì)，并以此對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)估.

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)的規(guī)定(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)，對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.混凝土構(gòu)件的安全系數(shù)根據(jù)偏心距e=M/N和0.2h之間的關(guān)系，按不同公式計(jì)算.

e≤0.2h時(shí)，構(gòu)件安全系數(shù)按受壓控制計(jì)算，采用公式：

(1)

式中,K為計(jì)算安全系數(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為軸向力偏心影響系數(shù)，按α=1-1.5e0/h取用；Ra為混凝土或砌體極限抗壓強(qiáng)度.

e>0.2h時(shí)，構(gòu)件安全系數(shù)按受拉控制計(jì)算，采用公式：

(2)

式中,Rl為混凝土抗拉極限強(qiáng)度；其余同上.

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，在永久荷載和基本可變荷載的荷載組合下，抗壓極限強(qiáng)度安全系數(shù)控制值為[K]=2.4，抗拉極限強(qiáng)度安全系數(shù)控制值為[K]=3.6.K≥[K]時(shí)，結(jié)構(gòu)滿足安全系數(shù)要求.

2 二次襯砌安全分析的有限元法

2.1 工程背景

在朝天門(mén)隧道中，35層大廈所在隧道段為大正段.隧洞采用直墻高為1.75m半圓半徑為5.85m的拱形結(jié)構(gòu)，拱頂距離地面10m，為淺埋隧道.大正段內(nèi)，拱圈上方分布嵌巖樁22根，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌.初支：噴射混凝土5cm厚，采用間距為1.2m長(zhǎng)為6m的Φ32mm麥迪式錨桿和間距1.0m長(zhǎng)3m的Φ22mm藥包錨桿，以及間距0.5m的I20a型鋼拱架；二次襯砌：厚度為60cm的C25模筑素混凝土[12]，根據(jù)《規(guī)范》，其對(duì)應(yīng)抗壓和抗拉強(qiáng)度極限值分別為Ra=19MPa，Rl=2MPa.隧洞施工通過(guò)大正段時(shí)，大廈已建至第18層，其后大廈停止施工，直到隧道通過(guò)并竣工，大廈恢復(fù)施工并建至第35層[13]；半年后，發(fā)現(xiàn)70余條縱橫向及斜裂縫，煤炭科學(xué)研究院總院重慶分院于2000年1月中旬發(fā)現(xiàn)位于K4+916及K4+925處存在多處縱向裂縫，集中在拱頂和拱腰，并進(jìn)行了注漿加固.2008年9月檢查發(fā)現(xiàn)朝天門(mén)隧道存在裂縫將近100處，縱向裂縫將近占一半，因此有必要進(jìn)行安全分析[14].

2.2 計(jì)算條件

2.2.1 巖體與結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)工程勘察試驗(yàn)得到巖塊的相關(guān)參數(shù)，參照《重慶工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(DB50/5005-98)，將巖塊參數(shù)折減為巖體參數(shù).大正段為砂巖和砂質(zhì)泥巖，根據(jù)圍巖分級(jí)，分別對(duì)應(yīng)Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)圍巖；結(jié)構(gòu)參數(shù)選用依照《規(guī)范》，錨桿加固圈范圍取為3m，按照經(jīng)驗(yàn)取將地層圍巖參數(shù)的彈性模量和粘聚力分別增強(qiáng)3倍[15],參數(shù)詳見(jiàn)表1.

表1 圍巖及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2.2 有限元模型

在計(jì)算模型中，地層采用ANSYS的Drucker-Prager理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系.參考共同作用模型[10]理論，巖層選用PLANE42單元，襯砌結(jié)構(gòu)(如圖1)選用BEAM3單元，通過(guò)鏈桿單元傳導(dǎo)兩者之間力的作用，建立平面模型.邊界條件：取左右及向下10倍隧洞半徑，向上取到地表；上部為自由邊界，底部為固定約束，左右兩側(cè)為水平約束.通過(guò)計(jì)算得到二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并利用式(1),(2)計(jì)算得出襯砌的安全系數(shù).

圖1 二次襯砌截面位置

2.2.3 工況模擬及計(jì)算方案

本文中選取8#樁體K4+916.5所在斷面進(jìn)行計(jì)算，該斷面樁底距離拱頂約7m，樁底面寬度為2m，單樁最大荷載為19 840kN.有研究表明，平面應(yīng)變方法解決三維空間問(wèn)題時(shí)，樁荷載取用實(shí)際荷載的2/3，采用集中力作用在樁中部[6].考慮大廈施工材料堆積，在樁上作用11 000kN的初始豎向作用力，并施加重力加速度，以模擬隧道開(kāi)挖前地層的初始應(yīng)力場(chǎng).考慮鋼拱架的作用，按照[15]中的等效，初襯厚度采用20cm，二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度為60cm進(jìn)行計(jì)算.再運(yùn)用ANSYS中單元的殺死和激活功能，模擬隧洞的開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，隧道釋放系數(shù)按文獻(xiàn)[14]中的經(jīng)驗(yàn)取為0.35.激活支護(hù)后，再對(duì)樁豎向加載求解.

計(jì)算方案：Ⅲ級(jí)圍巖下，以3 000kN為一級(jí)，加載9級(jí)達(dá)到38 000kN；Ⅳ級(jí)圍巖下，以1 000kN為一級(jí)，加載9級(jí)，達(dá)到20 000kN.變化樁和拱頂位置的水平距離D和垂直距離H，其中D為0、3、6、8.5和12.5m；H為5、6、7和8m.每種圍巖條件下計(jì)算20個(gè)樁位，具體計(jì)算方案位置參考圖2.

圖2 樁與隧道位置關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 8#樁體斷面計(jì)算與分析

在8#樁體斷面，D=0，H=7，樁荷載由11 000kN逐步增大到20 000kN時(shí).在Ⅲ級(jí)圍巖條件下，計(jì)算得到二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖3，圖4；Ⅳ級(jí)圍巖條件下，二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，如圖5，圖6(以下各圖單位均以N及N·m計(jì)).

圖3 Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌軸力

圖4 Ⅲ級(jí)圍巖二次襯砌彎矩

圖5 Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌軸力

圖6 Ⅳ級(jí)圍巖二次襯砌彎矩

根據(jù)計(jì)算內(nèi)力圖，兩種圍巖條件下，隧道二次襯砌拱腰、拱頂?shù)妮S力和彎矩均較大，且Ⅳ級(jí)圍巖下較Ⅲ級(jí)圍巖下大.曲墻軸力較大，但是彎矩較小.該計(jì)算條件下，安全系數(shù)最小位置均在拱頂位置，且均為受拉控制.Ⅲ級(jí)圍巖下，最小安全系數(shù)為8.9；Ⅳ級(jí)圍巖下，最小安全系數(shù)僅為1.2，拱腰處受拉控制，安全系數(shù)較小為4.3.

根據(jù)地層資料，8#樁體所在斷面地層以砂巖為主，存在與砂質(zhì)泥巖互層的情況，且經(jīng)檢測(cè)，該斷面處圍巖裂隙為弱活動(dòng)性水平.而計(jì)算為圍巖整體性完好的理想條件下的結(jié)果，根據(jù)計(jì)算所得，拱頂位置安全系數(shù)最小，這與大廈竣工半年后，在該斷面處拱頂位置出現(xiàn)縱向貫穿裂縫對(duì)應(yīng)；另外經(jīng)計(jì)算得，Ⅲ級(jí)圍巖下拱頂豎向位移為5.7mm，而實(shí)際工程監(jiān)測(cè)值為6.1mm，相差僅為0.4mm，故可按該模型計(jì)算.

3.2 不同樁位對(duì)安全系數(shù)的影響

(1)水平方向距離變化

H=7時(shí)，變化樁中心距離拱頂中心線水平距離，兩種不同圍巖條件下，每一級(jí)加載對(duì)應(yīng)的截面最小安全系數(shù)所得曲線為圖7和圖8，不同水平位置時(shí)最小安全系數(shù)所在截面位置如表2：

圖7 H=7時(shí)Ⅲ級(jí)圍巖下各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

圖8 H=7時(shí)Ⅳ級(jí)圍巖下各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

位置D/m0368.512.5Ⅲ級(jí)2022232426Ⅳ級(jí)2022232426

由表2，兩種圍巖條件下，隨著D增大，最小安全系數(shù)位置由拱頂移向拱腰.隨著D增大，Ⅲ級(jí)圍巖下，樁荷載為11 000kN時(shí)，截面最小安全系數(shù)由26.3增大0.5倍達(dá)到40.4；20 000kN時(shí)，由8.89增大到18.9；38 000kN時(shí)，由2.1增大到5.8.Ⅳ級(jí)圍巖下，樁荷載為11 000kN時(shí)，截面最小安全系數(shù)由13.9增大到32.9；20 000kN時(shí)，由1.2增大到3.3.其中D由8.5增大到12.5時(shí)，截面最小安全系數(shù)迅速增大.

另外，在不同的D時(shí)，逐級(jí)增大樁荷載.Ⅲ級(jí)圍巖中，在前5級(jí)樁荷載的作用下，截面最小安全系數(shù)下降較快，D=0時(shí)最顯著，由26.3降低82.4%到4.6；后4級(jí)樁荷載作用下，截面最小安全系數(shù)下降速度相對(duì)平緩.Ⅳ級(jí)圍巖中，前2級(jí)樁荷載作用下，最小安全系數(shù)迅速降低(D=12.5m除外)，D=3時(shí)最顯著，由18.0降低73.9%至4.7；再逐級(jí)加載到20 000kN時(shí)，安全系數(shù)仍然在減少，但是相對(duì)平緩很多.而在D=12.5m時(shí)，最小安全系數(shù)在前5級(jí)荷載作用下減小較快，繼續(xù)加載，最小安全系數(shù)減小平緩，且在20 000kN樁荷載作用下時(shí)仍然達(dá)到3.3.

(2)拱頂垂直距離變化

在D=0時(shí)，變化樁底距離拱頂?shù)呢Q向距離，不同圍巖條件下，每一級(jí)樁荷載對(duì)應(yīng)截面最小安全系數(shù)所得曲線為圖9和圖10：

圖9 D=0時(shí)Ⅲ級(jí)圍巖下各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

圖10 D=0時(shí)Ⅳ級(jí)圍巖下各級(jí)荷載對(duì)應(yīng)安全系數(shù)

D=0時(shí)，二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小位置均出現(xiàn)在拱頂.根據(jù)上圖可見(jiàn)，隨著H增大，最小安全系數(shù)增大，但是增大幅度較小.Ⅲ級(jí)圍巖下，除圖中曲線有起伏之外，安全系數(shù)在不同垂直距離下，最小安全系數(shù)變化較小，樁荷載為11 000kN時(shí)，安全系數(shù)僅由24.3增大到27.5；20 000kN時(shí)，由4.8增大到9.6；38 000kN時(shí)，由1.2增大到3.2.曲線異動(dòng)的產(chǎn)生，表明隨著樁荷載增加，二次襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)計(jì)算由受壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾刂?Ⅳ級(jí)圍巖下，作用樁荷載為11 000kN時(shí)，隨著H增大，最小安全系數(shù)提升較大，由9.0增大至19.6，隨著樁荷載加載，在前2級(jí)荷載作用下，安全系數(shù)迅速降低；當(dāng)樁荷載增至20 000kN時(shí)，最小安全系數(shù)僅由0.9增大至1.4.

(3)臨界樁荷載P

受壓及受拉控制計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最低控制分別為2.4和3.6.結(jié)合最小控制安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的樁荷載級(jí)別，通過(guò)內(nèi)插法計(jì)算得出其對(duì)應(yīng)的臨界荷載.在兩種不同圍巖條件下，可見(jiàn)不同樁位下的臨界荷載，詳見(jiàn)表3和表4及圖11和圖12.

表3 Ⅲ級(jí)圍巖下各樁位臨界荷載

*注：表中臨界荷載值單位以MN計(jì).

表4 Ⅳ級(jí)圍巖下各樁位臨界荷載

*注：表中臨界荷載值單位以MN計(jì).

圖11 Ⅲ級(jí)圍巖下臨界樁載

圖12 Ⅳ級(jí)圍巖下臨界樁載

在兩種圍巖條件下，計(jì)算所得P與初始樁荷載之差，對(duì)應(yīng)為隧道結(jié)構(gòu)完成之后容許加載量，記容許加載量與初始樁載之百分比為樁荷載增加比.Ⅲ級(jí)圍巖下，荷載增加比在106.36%以上，最小增加比出現(xiàn)在D=0，H=5處.隨著D增大，荷載增加比增大，且增幅較大，特別在D=12.5m

時(shí)，荷載增加比達(dá)到245.45%以上；隨著H增大，荷載增加比增加較大.Ⅳ級(jí)圍巖下，荷載增加比在15.45%以上，最小出現(xiàn)在位置D=0，H=5處，隨著D增大，荷載增加比增大，在D=8.5到D=12.5時(shí)，增幅顯著，在D=12.5時(shí)達(dá)到78.2%；H增大時(shí)，荷載增加比隨H增大僅有小幅度的增加.

4 結(jié)論

在朝天門(mén)隧道8#樁體所在斷面，理想Ⅲ級(jí)圍巖條件下，樁荷載由11 000kN增加到20 000kN時(shí)，拱頂安全系數(shù)由26.3迅速降低至8.9，均大于3.6.故大正大廈在后期施工過(guò)程中，隧道二次襯砌安全性滿足要求.但是該斷面地層多為砂巖，存在砂質(zhì)泥巖互層，且?guī)r層裂隙發(fā)展為弱活動(dòng)性.隨著圍巖裂隙的發(fā)展，圍巖承載能力降低，二次襯砌分擔(dān)更多荷載，致使該斷面拱頂安全系數(shù)進(jìn)一步降低.隧道建成半年后出現(xiàn)縱向貫穿裂縫，這與建筑加層及圍巖裂隙的發(fā)展是分不開(kāi)的.二次襯砌整體性遭到破壞，安全性將進(jìn)一步降低，建議注漿加固封閉裂縫之后，通過(guò)粘貼碳纖維增加鋼拱架等方式進(jìn)行進(jìn)一步加固.

朝天門(mén)隧道大正段為嵌巖樁作用下的淺埋隧道結(jié)構(gòu)，在隧道完成之后，不同樁位的樁荷載持續(xù)增加的情況下，二次襯砌的安全性受到影響，分析得到以下規(guī)律結(jié)論，可為相關(guān)工程提供借鑒參考：

(1)樁體距離隧洞中心水平距離在兩倍隧洞半徑內(nèi)時(shí).Ⅲ級(jí)圍巖下，樁荷載增加16 000kN時(shí)，最小安全系數(shù)迅速降低到4.6，二次襯砌安全性對(duì)樁荷載增加較為敏感，可允許隧道上方建筑物在隧道建成之后，適當(dāng)加層；Ⅳ級(jí)圍巖下，樁荷載增加2 000kN時(shí)，最小安全系數(shù)迅速降低到4.7，此時(shí)二次襯砌安全性對(duì)樁荷載增加極度敏感，所以應(yīng)當(dāng)禁止該條件下隧道上方建筑物加層;

(2)Ⅲ級(jí)及Ⅳ級(jí)圍巖下(除Ⅳ級(jí)圍巖在初始樁荷載作用下)，隨著樁底距拱頂?shù)母叨仍龃?，隧道二次襯砌最小安全系數(shù)增大，二次襯砌安全系數(shù)對(duì)高度變化不敏感.Ⅳ級(jí)圍巖在初始樁荷載作用下時(shí)，隨著H增大，最小安全系數(shù)由9.0增大到19.6，此時(shí)隧道與樁底高度距離越大越好;

(3)臨界荷載表明，Ⅲ級(jí)圍巖較Ⅳ級(jí)圍巖承載能力強(qiáng).朝天門(mén)隧道中，樁荷載增加在相應(yīng)圍巖條件下的臨界荷載以下時(shí)，二次襯砌安全系數(shù)滿足要求，利于保證其完整性和安全性.

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Safety Analysis of Secondary Lining in Chao Tianmen Tunnel under Pile Foundation

QIU Hongsheng,LI Can

(School of Transportation,Wuhan University of Technology,Hubei 430063,China)

In order to study the influence rule of safety factor in tunnel secondary lining when a shallow tunnel underneath pass a rock-socketed pile which is in different position and added the load level, a model was set up by taking Chao Tianmen tunnel as a study object.Finite element software ANSYS is used to simulate the process of tunnel construction and the story-adding of buildings,and the safety factor of secondary lining is calculated under the situation of different pile position and pile load increasing.The results show that when the surrounding rock condition is ideal,in the section where pile 8# is,the calculative safety factor is 8.89 which satisfies the safety requirements.The minimum safety factor is extremely sensitive to the load increase of pile and the decrease of horizontal range when the distance between a pile and the center of tunnel is in the range of two times of tunnel radius.The result indicates that the storey-adding above Chao Tianmen tunnel should be avoided or the pile foundation within the range should be underpinned.

Chao Tianmen tunnel;secondary lining;safety analysis;rock-socketed pile;shallow tunnel

1673- 9590(2017)03- 0078- 06

2016- 06- 01基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308429)

邱紅勝(1966-)，男，教授，博士，從事巖土及隧道工程襯砌災(zāi)害防控的研究E-mail:13377889059@163.com.

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