基于強(qiáng)度折減法的大跨隧道對(duì)臨近橋基影響的研究*

張安睿 曹 琨

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550000)

隨著我國(guó)隧道建設(shè)的快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2020年底隧道數(shù)量將突破17 000座，運(yùn)營(yíng)里程突破19 000 km，隧道建設(shè)將進(jìn)入高數(shù)量、高技術(shù)、高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的四高建設(shè)期[1-2]。伴隨公路隧道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了山嶺隧道施工臨近既有橋梁結(jié)構(gòu)的情況，隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)造成較大影響，嚴(yán)重時(shí)將危脅橋梁運(yùn)營(yíng)安全[3]。

目前，已有部分學(xué)者針對(duì)性地分析了隧道施工對(duì)臨近樁基的影響。其中，孫吉主[4]通過(guò)理論研究得到了一種基于微條分法的簡(jiǎn)便工程分析方法，可用于分析大跨度隧道開(kāi)挖對(duì)樁基的影響；肖望東[5]利用FLAC3D分析了隧道開(kāi)挖對(duì)樁基上方的地表沉降及樁基的水平和豎向沉降變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，隧道開(kāi)挖在剛經(jīng)過(guò)樁基側(cè)面時(shí)引起的沉降最大，且開(kāi)挖對(duì)離地表下方4 m處的樁基影響較大；劉秋常等[6]針對(duì)城市地鐵盾構(gòu)施工對(duì)周邊既有橋梁樁基的影響，通過(guò)有限元模型分析了3種加固條件下臨近高架橋樁基的變形特征，結(jié)果表明隔離樁方案效果較差，注漿、橫撐加固的方案較好；許桂生[7]利用ABAQUS軟件建立了橋-隧三維數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)城市公路隧道施工條件下地層及橋梁樁基的變形規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，研究發(fā)現(xiàn)靠近隧道兩側(cè)樁基變形明顯大于中部樁基，可通過(guò)增大高壓旋噴樁加固參數(shù)(加固深度和寬度)減小橋梁樁基位移。

以上研究多針對(duì)于隧道開(kāi)挖對(duì)既有建筑物樁基沉降變形的影響進(jìn)行。本文將依托松坎隧道臨近既有蘭海高速韓家店I號(hào)特大橋施工實(shí)際工程，基于強(qiáng)度折減法，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的隧道安全系數(shù)和圍巖潛在破裂面進(jìn)行研究，以此確定出合適的近接距離。

1 工程概況

松坎隧道為分離式特長(zhǎng)隧道，隧道進(jìn)口段下穿既有蘭海高速韓家店I號(hào)特大橋(主跨210 m)，隧道與橋基最近水平距離僅為29.7 m，其相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 松坎隧道與既有韓家店大橋位置關(guān)系圖

該隧道設(shè)計(jì)車(chē)速100 km/h，行車(chē)道寬3 m×3.75 m，凈高5 m，內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)高程距拱頂高度7.94 m，凈寬15.618 m，屬于大跨度隧道。左幅起訖樁號(hào)為ZK4+955-ZK8+070，全長(zhǎng)3 115 m，最大埋深約580 m，右幅起訖樁號(hào)為YK4+920-YK8+025，全長(zhǎng)3 105 m，最大埋深570 m。該隧道進(jìn)出口仰坡地形陡，巖體破碎，易發(fā)生垮塌。

2 強(qiáng)度折減法

強(qiáng)度折減法最早由Zienkiewicz等[8]提出，主要用于邊坡穩(wěn)定性分析，該方法對(duì)巖土體的抗剪參數(shù)進(jìn)行折減，最終獲得巖土體材料的極限破壞狀態(tài)。近年也有鄭穎人[9]、李秀地[10]和唐春安[11]等學(xué)者將其應(yīng)用于隧道穩(wěn)定分析中，取得了一定成果。

在強(qiáng)度折減法中，巖體安全系數(shù)可以通過(guò)臨界破壞狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)與天然狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)相比得到，如式(1)所示。

(1)

式中：Fi為折減系數(shù)(i=1，2，…，n)，當(dāng)巖體處于臨界破壞狀態(tài)時(shí)為安全系數(shù)；c0、φ0分別為初始黏聚力和初始內(nèi)摩擦角；c′、φ′分別為折減后的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型建立

本文采用midas GTS進(jìn)行模型建立，巖土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，隧道襯砌及橋基采用線彈性本構(gòu)模型；隧道埋深為12 m，隧道尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 松坎隧道橫斷面圖(單位：cm)

圖中R1、R2、R3分別隧道開(kāi)挖輪廓拱頂圓、拱墻圓及仰拱圓的半徑，O1和O2分別為拱頂圓和拱墻圓的圓心位置；隧道初支厚0.29 m，二襯厚0.6 m，最大開(kāi)挖跨度17.147 m，內(nèi)輪廓最大寬度15.367 m、最大高度9.9 m。隧道有限元模型見(jiàn)圖3，模型尺寸為200 m×70 m，橋基上施加200 kPa的均布力模擬橋梁上部荷載。

圖3 松坎隧道與韓家店大橋主墩有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)詳勘報(bào)告，隧道及樁底部地層為風(fēng)化巖層，綜合評(píng)定為V級(jí)圍巖，同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，統(tǒng)一取地層初始黏聚力c0為24 kPa，初始內(nèi)摩擦角φ0為42°。另外，本次計(jì)算中，隧道二襯、橋梁承臺(tái)及樁基均采用C30混凝土，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土。襯砌具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 襯砌主要物理力學(xué)參數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 隧道施工整體穩(wěn)定性分析

隧道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布圖見(jiàn)圖4，從圖中可以看出：在未對(duì)巖土體進(jìn)行強(qiáng)度折減的條件下，圍巖塑性區(qū)主要分布在隧道拱腳兩側(cè)，但塑性區(qū)范圍較小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的影響較小；而在臨界條件下，即巖土體的折減系數(shù)為2.4時(shí)，兩隧道中心拱腰處出現(xiàn)貫通地表的塑性區(qū)，此時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)兩側(cè)也出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū)，此時(shí)隧道和橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。由此可知，本工程中隧道施工的整體安全系數(shù)約為2.4。

圖4 隧道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)分布圖

4.2 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下隧道穩(wěn)定性分析

不同強(qiáng)度折減系數(shù)下隧道沉降及水平收斂圖見(jiàn)圖5。

圖5 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下隧道最大沉降及差異沉降圖

由圖5可見(jiàn)，隨著折減系數(shù)的增加，隧道拱頂沉降在折減系數(shù)大于1.5后開(kāi)始急劇增加，隧道水平收斂在折減系數(shù)大于1.3后開(kāi)始急劇增加，但兩者的總體變形量均較?。桓鶕?jù)上一節(jié)可知隧道施工的整體安全系數(shù)為2.4，而本節(jié)中折減系數(shù)大于1.5后已經(jīng)出現(xiàn)拱頂沉降快速變形，說(shuō)明以拱頂沉降作為判據(jù)判定隧道施工時(shí)的整體安全性存在不足，隧道發(fā)生較大沉降可能是因?yàn)樵谀M圍巖強(qiáng)度折減的過(guò)程中，由于圍巖參數(shù)變化導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，但由于襯砌等支護(hù)措施的存在，隧道結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)，總體變形較少。

4.3 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下橋梁穩(wěn)定性分析

不同強(qiáng)度折減系數(shù)下隧道最大沉降及差異沉降圖見(jiàn)圖6。

圖6 不同強(qiáng)度折減系數(shù)下隧道沉降及水平收斂圖

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)折減系數(shù)小于2.4時(shí)，橋梁處于穩(wěn)定狀態(tài)，橋梁最大差異沉降和最大沉降均較小，隧道施工對(duì)橋梁的影響很??；當(dāng)折減系數(shù)大于2.4時(shí)，橋梁最大沉降開(kāi)始急劇增加，當(dāng)折減系數(shù)大于2.6時(shí)，橋梁的最大差異沉降也開(kāi)始上升，橋梁已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，隧道施工將對(duì)橋梁沉降變形造成較大影響，嚴(yán)重時(shí)將危及橋梁的運(yùn)營(yíng)安全；結(jié)合前一節(jié)塑性區(qū)發(fā)展的結(jié)論可以看出，本工程中隧道開(kāi)挖的安全系數(shù)約為2.4。

4.4 隧道與橋基間距對(duì)安全性系數(shù)的影響

分別建立15，20，25，30，35，40 m隧道與橋基不同間距的工況，探究隧道與橋基間距對(duì)施工安全系數(shù)的影響。不同間距下施工安全系數(shù)變化見(jiàn)圖7。

圖7 不同間距下施工安全系數(shù)變化圖

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)隧道與橋基間距小于25 m時(shí)，隧道施工的安全系數(shù)有了較大降低，在該種情況下施工，極有可能對(duì)橋基造成較大影響；當(dāng)隧道距離大于25 m時(shí)，隧道施工的安全系數(shù)較高，且變化量較小，再增加安全距離意義不大。因此結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，建議隧道設(shè)計(jì)位置距離橋基的間距應(yīng)大于25 m，這也證明了本工程實(shí)際施工時(shí)預(yù)留29.7 m的間距是合理的。

5 結(jié)論

1) 塑性區(qū)最開(kāi)始出現(xiàn)在隧道拱腳位置，最終貫通過(guò)程出現(xiàn)在兩隧道中間，由拱腰延伸至地面。

2) 以拱頂沉降作為隧道施工整體穩(wěn)定性分析的判據(jù)存在不足，應(yīng)結(jié)合塑性區(qū)貫通情況合理分析隧道施工的整體安全系數(shù)。

3) 當(dāng)折減系數(shù)小于2.4時(shí)，橋梁最大差異沉降和最大沉降均較小，隧道施工對(duì)橋梁的影響很??；當(dāng)折減系數(shù)大于2.4時(shí)，橋梁已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，因此綜合確定本工程中隧道施工整體安全系數(shù)為2.4。

4) 當(dāng)隧道與橋基間距大于25 m時(shí)，隧道施工的安全系數(shù)較高，且變化量較小，再增加安全距離意義不大，實(shí)際設(shè)計(jì)方案是安全合理的。