山體泄水渠開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道及橋梁影響研究

莊美琪楊東光吳熠文

(1． 深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東深圳518040; 2． 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，受地質(zhì)、地形因素的限制，一些新建的基礎(chǔ)設(shè)施與原有的公路山體隧道距離較近，如在傍山隧道處開(kāi)挖水渠、公路，修建水庫(kù)等[1]。由于新舊結(jié)構(gòu)之間的距離較小，新修建的設(shè)施會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生相應(yīng)的影響，使隧道發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致隧道襯砌開(kāi)裂、漏水，威脅既有隧道的運(yùn)營(yíng)安全[2]。因此研究山體開(kāi)挖對(duì)既有山體隧道的變形影響規(guī)律十分必要?，F(xiàn)有研究表明，山體開(kāi)挖對(duì)既有山體隧道的變形規(guī)律存在影響[3,4]。

本文以深圳市大鵬新區(qū)壩光片區(qū)防洪(潮)排澇工程的大坑槽水工程為背景，根據(jù)地勘資料采用HSS模型及HB模型進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。分析大坑槽水干流渠道開(kāi)挖及人行天橋施工對(duì)葵壩隧道與鹽壩高速公路橋樁的影響，可為后續(xù)施工和類(lèi)似項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

大坑槽水工程是壩光片區(qū)防洪(潮)排澇工程二標(biāo)的一部分，干流經(jīng)過(guò)葵壩隧道上方和鹽壩高速的3號(hào),4號(hào)樁中間，泄水渠寬度為4.68 m，最大開(kāi)挖深度為3.9 m，大坑槽水干流渠道采用機(jī)械開(kāi)挖。新建人行天橋跨大坑槽水，位于葵壩隧道南側(cè)。大坑槽水泄水渠、葵壩隧道、鹽壩高速和人行橋的平面位置關(guān)系如圖1所示。

葵壩隧道全線(xiàn)采用雙向4車(chē)道市政道路標(biāo)準(zhǔn)，建筑限界寬為10 m，高為5 m。鹽壩高速橋跨徑布置為7×30 m共1聯(lián)，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩、灌注樁基礎(chǔ)?？麎嗡淼来┰綐蛄簶痘凑涨稁r樁設(shè)計(jì)。

左線(xiàn)隧道從5號(hào),6號(hào)橋墩之間穿過(guò)，右線(xiàn)隧道從4號(hào),5號(hào)橋墩之間穿過(guò)。

大坑槽水工程經(jīng)過(guò)葵壩隧道和鹽壩高速區(qū)域的山體邊坡地表被第四系覆蓋，履蓋層厚度較大，基巖受風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖石較破碎，巖芯呈塊狀。大坑槽水工程區(qū)域地層主要為雜填土、漂石、全風(fēng)化凝灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、弱風(fēng)化凝灰?guī)r等。泄水渠挖土層主要為漂石和全風(fēng)化凝灰?guī)r。

2 數(shù)值模型

2.1 模型介紹

為準(zhǔn)確泄水渠開(kāi)挖和人行橋施工對(duì)葵壩路隧道和鹽壩橋樁的影響程度，本報(bào)告采用有限元軟件PLAXIS 3D進(jìn)行了數(shù)值分析，PLAXIS軟件是國(guó)際通用的巖土工程有限元軟件，具備強(qiáng)大的建模、分析功能，擁有非常全面的土本構(gòu)模型，可以很好的進(jìn)行巖土工程的分析。

葵壩隧道、泄水渠人行橋基礎(chǔ)、鹽壩高速橋樁和環(huán)壩路相對(duì)位置如圖2所示，模型尺寸為300 m×400 m×110 m，模型的尺寸能較好的消除邊界效應(yīng)的影響。

2.2 本構(gòu)模型與土層參數(shù)

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行二維數(shù)值模擬，土體采用小應(yīng)變硬化土(HSS)模型[5]和霍克-布朗(HB)模型[6,7]模擬，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取土后進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)確定場(chǎng)地內(nèi)典型地層模型參數(shù)，其值如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

2.3 相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)

葵壩隧道襯砌在PLAXIS 3D中用Shell單元模擬，襯砌厚度為二襯厚度，相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 葵壩隧道襯砌參數(shù)

人行橋基礎(chǔ)為鋼筋混凝土基礎(chǔ)，在PLAXIS 3D中用實(shí)體單元模擬，相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表3。

表3 人行橋基礎(chǔ)參數(shù)

鹽壩高速橋樁為鋼筋混凝土樁，在PLAXIS 3D中用Embedded beams單元模擬，相關(guān)參數(shù)取值見(jiàn)表4所示。

表4 鹽壩高速橋樁參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

人行橋施工和泄水渠開(kāi)挖穩(wěn)定后，本文對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算的葵壩隧道和鹽壩高速橋樁的變形及內(nèi)力進(jìn)行提取分析。X表示與隧道垂直方向，Y表示隧道往洞門(mén)方向，uz表示隧道豎直方向的變形，ux表示隧道垂直方向的變形，uy表示隧道往洞門(mén)方向的變形，M2作用在YZ平面內(nèi)的附加彎矩，M3作用在XZ平面內(nèi)的附加彎矩。

從圖3～圖5中可以看出，隧道的豎向變形在0 mm～0.5 mm，豎向變形較大區(qū)域出現(xiàn)在泄水渠開(kāi)挖下方的區(qū)域，其中最大豎向變形為0.5 mm。隧道的X方向水平變形在-0.1 mm～0.2 mm，較大區(qū)域出現(xiàn)在靠近洞口處，變形方向朝泄水渠開(kāi)挖處，X方向最大水平位移為0.2 mm。隧道的Y方向水平變形均不足0.03 mm，說(shuō)明泄水渠的開(kāi)挖對(duì)隧道的Y方向水平變形基本沒(méi)有影響。

隧道的豎向變形和X方向水平變形主要是因?yàn)樗淼烙覀?cè)泄水渠開(kāi)挖引起的回彈變形。遠(yuǎn)離泄水渠開(kāi)挖區(qū)域隧道的變形和附加彎矩越來(lái)越小，在距離泄水渠開(kāi)挖區(qū)域40 m之外豎向變形很小，基本不受影響。

為分析橋樁最危險(xiǎn)情況，分別選取變形及附加彎矩最大的樁進(jìn)行分析。樁的最大豎向變形出現(xiàn)在泄水渠經(jīng)過(guò)第三排橋樁的區(qū)域，從圖6可以看出，樁體最大豎向變形為0.8 mm，且樁體上部變形略小于下部，樁體被拉伸。

樁的X方向水平變形較大區(qū)域出現(xiàn)在泄水渠開(kāi)挖經(jīng)過(guò)的第三排橋樁區(qū)域，最大變形為0.6 mm，樁的Y方向水平變形較大區(qū)域出現(xiàn)在泄水渠開(kāi)挖的區(qū)域，最大變形為0.5 mm，如圖7，圖8所示，樁的水平變形隨深度逐漸增大，但變形均不大，且遠(yuǎn)離泄水渠開(kāi)挖處變形越來(lái)越小，在距離泄水渠30 m外變形很小，基本不受影響。

樁的YZ平面內(nèi)附加彎矩最大區(qū)域出現(xiàn)在一、二、三排樁靠近泄水渠南北開(kāi)挖區(qū)域，M2最大值為42 kN·m。樁的XZ平面內(nèi)附加彎矩最大區(qū)域出現(xiàn)在靠近泄水渠東西開(kāi)挖區(qū)域的第三排樁，M3最大值為92 kN·m。如圖9，圖10所示，樁的彎矩極值位置與水平變形的反彎點(diǎn)一致，滿(mǎn)足變形規(guī)律。

大坑槽水工程開(kāi)挖及人行橋施工引起葵壩隧道和鹽壩高速橋樁最大變形和最大附加彎矩結(jié)果如表5所示。

表5 最大變形及附加彎矩結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)深圳市大鵬新區(qū)壩光片區(qū)防洪(潮)排澇工程的大坑槽水工程進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，分析大坑槽水干流渠道開(kāi)挖及人行天橋施工對(duì)葵壩隧道與鹽壩高速公路橋樁的影響，獲得以下結(jié)論：

1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示正常施工條件下，葵壩隧道最大水平變形和豎向變形分別為0.5 mm和0.2 mm，變形十分微小，說(shuō)明大坑槽水工程施工對(duì)葵壩隧道影響十分微小，不影響葵壩隧道的正常運(yùn)營(yíng)。

2)在設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)做好地面和揭露巖體的防排水措施，并加強(qiáng)和原有引排水措施的銜接，防止地面水和地下水向下滲透、富集，從而對(duì)隧道排水系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

3)合理安排開(kāi)挖次序，盡量縮短開(kāi)挖暴露時(shí)間，避開(kāi)汛期施工，以免順層導(dǎo)水危害隧道。

4)施工前應(yīng)對(duì)葵壩隧道、鹽壩高速橋樁以及周邊環(huán)境制定針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方案和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，一旦出現(xiàn)險(xiǎn)情要做到早發(fā)現(xiàn)、早處理。通過(guò)監(jiān)測(cè)，及時(shí)優(yōu)化、調(diào)整施工參數(shù)，做到動(dòng)態(tài)信息化施工。