高速公路近接既有引水隧洞施工及運(yùn)營安全分析研究

錢薔薇

中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司

1 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，各種交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速增加，新建高速公路、地鐵隧道近接既有建筑物、小凈距平行隧道、上下交叉隧道等形式的土木工程不斷涌現(xiàn)。在高速公路、鐵路及水利等工程修建過程中，如何保證既有結(jié)構(gòu)物安全運(yùn)營又要兼顧新建工程的施工安全，一直都是土木工程從業(yè)者所關(guān)注的問題并開展了大量的研究工作[1][2][3]。本文以某新建高速公路近接既有引水隧洞施工及運(yùn)營為工程實(shí)例，采用ANSYS 有限元軟件對最薄弱段結(jié)構(gòu)安全數(shù)值模擬，分析對既有引水隧洞的影響。

2 工程概況

某新建高速公路設(shè)計(jì)路線兩次交叉既有引水隧洞，隧洞寬3.4m，高4.6m。第一次交叉高速公路路基與引水隧洞之間的覆蓋厚度最薄處只有8.6m，長度90m，第二次交叉高速公路路基與引水隧洞之間的覆蓋厚度最薄處為15m，長度136m。高速公路路基填方及完工后的汽車荷載極有可能對隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成影響，而該引水隧洞作為水庫用水的主要來源，如隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定出現(xiàn)問題，將對下游人民的生產(chǎn)生活造成不可估量的影響。能否準(zhǔn)確合理地評價交叉處高速公路建設(shè)與運(yùn)營期間對既有引水隧洞的影響，并對薄弱段提出合理可行的引水隧洞加固方案至關(guān)重要[3]。文章采用ANSYS有限元軟件對路線交叉最薄弱處覆蓋層厚度最薄處在施工及運(yùn)營期不同工況下的隧洞結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并對最薄處隧洞上部圍巖固結(jié)灌漿加固后的隧洞結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行復(fù)核評價，為新建高速公路施工運(yùn)營及既有引水隧洞管理單位決策提供依據(jù)。

3 模型建立

3.1 有限元分析模型建立

路線交叉最薄弱處覆蓋土層由下至上依次是引水隧洞漿砌片石、粉砂質(zhì)泥巖及回填土。文章采用ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)平面模型，分析薄弱處新建高速路基填方施工前、施工后、建成通車后三種工況下既有引水隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。模型由引水隧洞漿砌片石襯砌及巖土層組成，模型土層采用實(shí)體單元solid45，隧洞結(jié)構(gòu)襯砌采用殼單元shell63 進(jìn)行模擬[4][5]。

3.2 計(jì)算參數(shù)選擇

具體隧洞結(jié)構(gòu)安全數(shù)值模擬分析所采用地質(zhì)參數(shù)詳見下表1，高速公路建成通車工況汽車荷載按JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》公路Ⅰ級荷載設(shè)計(jì)。其中公路-Ⅰ級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk按JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第7.0.3條執(zhí)行（見表1）。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算主要參數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 工況一(路基填方施工后）分析

4.1.1 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算簡圖

圖1 路基填方施工后隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定應(yīng)力計(jì)算云圖

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

從上圖1可以看出，隧洞襯砌的第一主應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為0.87MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)。最大拉應(yīng)力約為0.34MPa，發(fā)生在隧洞底部。第三主應(yīng)力也以受壓為主，由于篇幅限制未列圖示意，其最大壓應(yīng)力為4.01MPa,發(fā)生在隧洞底部左右側(cè)。最大拉應(yīng)力為0.04MPa,發(fā)生在隧洞底部。

因此高速公路路基填方施工后隧洞襯砌的最大壓應(yīng)力4.01MPa 小于8.8MPa，滿足漿砌片石壓應(yīng)力設(shè)計(jì)要求，而最大拉應(yīng)力0.34MPa大于0.3MPa，不滿足漿砌片石設(shè)計(jì)應(yīng)力要求，故高速公路施工后隧洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

4.2 工況二（建成通車后）分析

4.2.1 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算簡圖

圖2 高速公路建成通車后隧洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算云圖

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

從上圖2可以看出，在高速公路建成通車后隧洞襯砌的隧洞襯砌的第一主應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為0.9MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)。最大拉應(yīng)力約為0.36MPa，發(fā)生在隧洞底部。第三主應(yīng)力也以受壓為主，由于篇幅限制未列圖示意，其最大壓應(yīng)力為4.18MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)，最大拉應(yīng)力為0.005MPa。

因此高速公路建成通車后隧洞襯砌的最大壓應(yīng)力4.18MPa小于8.8MPa，滿足漿砌片石壓應(yīng)力設(shè)計(jì)要求，而最大拉應(yīng)力0.36MPa 大于0.3MPa，不滿足漿砌片石設(shè)計(jì)應(yīng)力要求，故高速公路建成通車后隧洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

通過上述結(jié)構(gòu)安全模擬數(shù)值分析，無論是高速公路路基填方施工還是建成通車工況，隧洞結(jié)構(gòu)都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如不進(jìn)行處治加固，將帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險問題。文章根據(jù)長江科學(xué)院巖基研究所朱杰兵、景峰、尹建民針對三峽工程F215斷層帶灌漿試驗(yàn)研究成果[6]，采用對洞頂破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿加固處治，將粉砂質(zhì)泥灌漿固結(jié)后的彈性模量參數(shù)取為4GPa后再次對在建成通車工況下隧洞結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4.3 固結(jié)灌漿后建成通車工況安全復(fù)核

4.3.1 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算簡圖

圖3 固結(jié)灌漿后建成通車后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算云圖

4.3.2 計(jì)算結(jié)果

從上圖3可以看出，隧洞襯砌的第一主應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為0.55MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)。最大拉應(yīng)力約為0.23MPa，發(fā)生在隧洞底部。第三主應(yīng)力也以受壓為主，由于篇幅限制未列圖示意，其最大壓應(yīng)力為2.66MPa，發(fā)生在隧洞底部左右側(cè)。最大拉應(yīng)力為0.002MPa，發(fā)生在隧洞底部。最大壓應(yīng)力及拉應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)漿砌片石應(yīng)力要求，隧洞結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語

通過上述對引水隧洞在施工及運(yùn)營期固結(jié)灌漿前后不同工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，采用對隧洞上部圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處治，可以確保既有引水隧洞結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營，這也為類似新建高速公路近接既有隧道施工及運(yùn)營安全提供一種處治方案。