邊坡開挖對(duì)下臥鐵路隧道影響的數(shù)值分析

楊耀

(長沙城市發(fā)展集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410011)

為緩解日趨嚴(yán)峻的交通壓力，鄰近隧道施工的新建市政道路和道路拼寬改建工程逐漸增多。新建構(gòu)筑物與相鄰既有隧道之間發(fā)生相互作用，會(huì)造成既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體應(yīng)力重分布，這種作用取決于構(gòu)筑物與隧道之間的位置關(guān)系、新建構(gòu)筑物的規(guī)模、施工方法和既有隧道的結(jié)構(gòu)狀況、健全度等因素。該文對(duì)某國道邊坡開挖上跨鐵路隧道工程進(jìn)行三維有限元分析，動(dòng)態(tài)模擬邊坡開挖的分層放坡施工過程，對(duì)既有鐵路隧道的變形特性及內(nèi)力分布進(jìn)行預(yù)判，對(duì)邊坡開挖施工提出建議。

1 工程概況

該工程現(xiàn)狀道路斷面寬24.5 m，為雙向四車道一級(jí)公路，瀝青路面，路面標(biāo)高約38 m。位于山體的半山腰，采用半填半挖防護(hù)形式。西側(cè)為自然山體，山頂高程約90 m，老路西側(cè)邊緣采用挖方形式，挖方邊坡高度約10 m、坡度約90°。改建后采用38 m路基斷面，邊坡采用階梯式放坡開挖，開挖最大高度約38.7 m(見圖1)。

圖1 邊坡開挖橫斷面(單位：m)

隧道長1.2 km，高約8.25 m，跨度5.9 m，襯砌厚0.5 m。隧道與老路東側(cè)邊緣平面距離約13 m，山體開挖對(duì)隧道平面影響范圍距洞口0～130 m，影響范圍內(nèi)隧道埋深10～36 m，Ⅳ級(jí)圍巖。入口處隧道斷面結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 隧道橫斷面(單位：cm)

2 邊坡開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的仿真模擬

山體開挖對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響是個(gè)典型的三維問題。為從整體上把握開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)的不均勻變形及附加內(nèi)力，考慮隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用并模擬山體開挖過程，結(jié)合工程地質(zhì)條件及邊坡施工方案，選用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分析邊坡施工對(duì)既有隧道的影響。

2.1 模型參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)資料，按圍巖級(jí)別綜合考慮，該項(xiàng)目涉及的圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。該隧道建成于1961年，已運(yùn)營很長時(shí)間，對(duì)隧道襯砌砼強(qiáng)度采用回彈法進(jìn)行檢測，襯砌砼材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。計(jì)算模型的邊界約束為：模型底部約束Z方向，左右兩側(cè)約束X方向，前后約束Y方向。

表1 地層的物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模型假定

(1) 地層土體本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫彈塑性模型，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

(2) 采用三維實(shí)體模擬巖土體，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用板殼單元模擬。

(3) 因隧道服役時(shí)間較長，計(jì)算時(shí)不考慮初期支護(hù)的作用；從偏安全角度考慮，邊坡開挖后不考慮邊坡支護(hù)作用。

(4) 隧道開挖應(yīng)力釋放40%，襯砌施作應(yīng)力釋放60%，即襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)60%的圍巖壓力。

2.3 施工過程模擬

三維動(dòng)態(tài)施工模擬主要流程：1) 計(jì)算場地初始地應(yīng)力場；2) 隧道開挖(應(yīng)力釋放40%)；3) 施作二次襯砌(應(yīng)力釋放60%)；3) 從上至下分層分塊開挖邊坡土體，邊坡土體根據(jù)放坡級(jí)數(shù)共分為4層，每級(jí)開挖高度沿道路方向變化，最大為10 m；4) 邊坡開挖完成后，施加汽車荷載，采用公路-Ⅰ級(jí)、六車道加載，沖擊系數(shù)取1.3。

2.4 有限元模型

山體邊坡開挖長度約120 m，局部開挖寬度約48 m，為涵蓋整個(gè)開挖區(qū)域，模型范圍取水平方向120 m、縱向183 m，豎向取至地表，隧道以下部分取至隧道底部以下33 m。計(jì)算模型見圖3～5。

圖3 計(jì)算模型整體網(wǎng)格

2.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

從山體邊坡放坡開挖引起的整體變形、隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形和受力等方面進(jìn)行分析。

2.5.1 模型整體位移分析

圖6為山體邊坡開挖完成后邊坡周邊整體豎向位移云圖，圖7為開挖完成后新增汽車荷載時(shí)整體豎向位移云圖。

圖4 邊坡放坡開挖后模型

圖5 隧道襯砌模型及與邊坡的位置關(guān)系

由圖6、圖7可知：山體邊坡開挖卸荷引起坡面和坡底土體出現(xiàn)一定隆起變形，隨著開挖卸荷規(guī)模的增大，隆起變形值逐漸增大。但總體而言隆起變形不大，從第1層土體開挖到邊坡開挖完成，最大隆起變形為7.4 mm。開挖完成新增汽車荷載作用后，隆起變形變?yōu)?.3 mm，減少0.1 mm。

圖6 開挖完成時(shí)邊坡豎向位移云圖(單位：mm)

圖7 新增汽車荷載時(shí)邊坡豎向位移云圖(單位：mm)

2.5.2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形分析

圖8為開挖完成后隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向變形云圖，圖9為開挖完成后新增汽車荷載時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向變形云圖，圖10為不同開挖階段隧道拱頂沿線豎向位移變化曲線。

圖8 開挖結(jié)束時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：mm)

圖9 新增汽車荷載時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)豎向變形云圖(單位：mm)

圖10 隧道襯砌結(jié)構(gòu)隆起變形曲線

由圖8～10可知：1) 邊坡土體開挖造成隧道覆土減薄，發(fā)生豎向卸荷，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生以豎向隆起位移為主的變形。2) 隨著邊坡開挖逐漸下移，即開挖范圍和深度的增加，隆起變形逐漸加大，邊坡開挖完成時(shí)襯砌位移達(dá)到最大，最大豎向位移為3.5 mm。3) 新增汽車荷載后，隧道最大豎向位移變?yōu)?.4 mm，減少0.13 mm。可見，汽車荷載的影響相當(dāng)于覆土壓重，可減少隧道襯砌結(jié)構(gòu)隆起變形。4) 總體而言，邊坡開挖引起的隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形較小。

2.5.3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圖11、圖12分別為模型60 m處襯砌結(jié)構(gòu)典型斷面的軸力和彎矩，表3為邊坡開挖過程中隧道襯砌內(nèi)力變化量。襯砌內(nèi)力變化取為絕對(duì)值(內(nèi)力變化=|襯砌初始內(nèi)力-開挖i步襯砌內(nèi)力|)，以便對(duì)比開挖前后內(nèi)力差異，分析內(nèi)力增量。

圖11 典型斷面襯砌軸力(單位：kN)

圖12 典型斷面襯砌彎矩(單位：kN·m)

表3 邊坡開挖期間隧道襯砌內(nèi)力變化(絕對(duì)值)

由圖11、圖12、表3可知：1) 邊坡開挖前，隧道襯砌結(jié)構(gòu)X方向軸力最大值為-1 057.3 kN，彎矩最大值為123.3 kN·m；邊坡開挖結(jié)束時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)X方向軸力最大值為-1 015.7 kN，彎矩最大值為118.6 kN·m，比開挖前分別減小41.6 kN、4.7 kN·m，軸力減小幅度大于彎矩，使隧道受力偏心距增大，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。邊坡開挖前，Y方向軸力最大值為-529.6 kN，彎矩最大值為-20.4 kN·m；邊坡開挖結(jié)束時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)Y方向軸力最大值為-553.0 kN，彎矩最大值為-34.1 kN·m，比開挖前分別增加24 kN、13.7 kN·m。隧道軸線方向的不均勻變形使隧道沿軸線方向內(nèi)力增加，但增幅不大。2) 邊坡開挖前后，X方向軸力最大變化量達(dá)687.3 kN，彎矩最大變化值為51.4 kN·m；Y方向軸力最大變化量達(dá)409.3 kN，彎矩最大變化值為24.9 kN·m。由于邊坡開挖卸載，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化明顯。3) 新增汽車荷載與無汽車荷載作用時(shí)相比，隧道襯砌X方向軸力最大變化量為32.6 kN，彎矩最大變化值為2.3 kN·m；Y方向軸力最大變化量達(dá)20.5 kN，彎矩最大變化值為1.1 kN·m，為施工期間襯砌內(nèi)力最大變化量的4%～5%。由于應(yīng)力擴(kuò)散作用，汽車荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小。4) 從60 m橫斷面處的隧道內(nèi)力來看，隨著邊坡開挖卸荷范圍和規(guī)模的增大，隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和內(nèi)力分布形態(tài)均發(fā)生變化，其中拱部所受影響最大。

2.5.4 隧道襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分析

表4、表5分別為邊坡開挖過程中隧道襯砌主應(yīng)力和主應(yīng)力變化量。襯砌主應(yīng)力變化取絕對(duì)值(應(yīng)力變化=|襯砌初始應(yīng)力-開挖i步襯砌應(yīng)力|)，以便討論開挖前后應(yīng)力差異，分析應(yīng)力增量。

表4 邊坡開挖期間隧道襯砌主應(yīng)力最大值 kPa

表5 邊坡開挖期間隧道襯砌主應(yīng)力變化(絕對(duì)值) kPa

由表4、表5可知：1) 邊坡開挖前，隧道襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力最大值為1.15 MPa，邊坡開挖結(jié)束時(shí)變?yōu)?.48 MPa，比開挖前增加0.33 MPa，增幅最大部位位于距洞口67.3 m處。既有隧道老舊，現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)其襯砌砼狀況尚可；現(xiàn)場回彈試驗(yàn)結(jié)果顯示襯砌砼強(qiáng)度等級(jí)約為C18，則其極限抗拉強(qiáng)度為1.6 MPa，邊坡開挖結(jié)束時(shí)襯砌最大拉應(yīng)力值未超過其抗拉強(qiáng)度極限值。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于Ⅳ和Ⅴ級(jí)圍巖，巖體力學(xué)方法(數(shù)值計(jì)算)計(jì)算結(jié)果比荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果大。此外，參考公路隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖地段，二次襯砌承擔(dān)20%～40%的應(yīng)力釋放荷載，而該項(xiàng)目取為60%的應(yīng)力釋放荷載。從這些角度來看，計(jì)算所得結(jié)論偏于保守。2) 邊坡開挖前，隧道襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力最大值為-4.8 MPa，邊坡開挖結(jié)束時(shí)變?yōu)?4.49 MPa，比開挖前減少0.31 MPa。但總體而言，襯砌受到的壓應(yīng)力不大，遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。3) 邊坡開挖前后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力最大變化量達(dá)0.88 MPa，第三主應(yīng)力最大變化量達(dá)2.06 MPa。由于邊坡開挖卸載，隧道襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力變化明顯，與襯砌內(nèi)力變化趨勢一致。4) 新增汽車荷載與無汽車荷載作用時(shí)相比，隧道襯砌第一主應(yīng)力最大變化量為0.064 MPa，第三主應(yīng)力最大變化量為0.12 MPa，分別為施工期間應(yīng)力最大變化量的7.3%和5.7%。由于應(yīng)力擴(kuò)散作用，汽車荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力的影響較小。

3 結(jié)論

綜合分析該改建工程的相關(guān)資料，結(jié)合山體邊坡開挖情況、下臥隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用三維數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行邊坡開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，邊坡放坡開挖施工對(duì)既有隧道有一定影響，在不進(jìn)行邊坡支護(hù)、地層加固或隧道結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)所受最大拉應(yīng)力較接近砼極限抗拉強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備不夠。主要結(jié)論如下：1) 山體邊坡開挖卸荷引起坡底土體出現(xiàn)一定隆起變形，整個(gè)開挖過程中土體最大隆起變形為7.4 mm。2) 邊坡土體開挖引起的隧道變形以豎向隆起位移為主，最大豎向位移為3.5 mm。總體而言，邊坡開挖引起的隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形較小。3) 由于邊坡開挖卸載，隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)和內(nèi)力分布形態(tài)均發(fā)生明顯變化?？傮w而言，隧道襯砌橫向內(nèi)力減少、縱向內(nèi)力增加。4) 邊坡開挖前后，隧道襯砌第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力變化量最大分別達(dá)0.88、2.06 MPa，邊坡開挖卸載導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力發(fā)生明顯變化。在整個(gè)邊坡開挖過程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均未達(dá)到其材料極限強(qiáng)度，但結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度富裕量不大，施工中應(yīng)密切關(guān)注隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形與受力變化。5) 由于應(yīng)力擴(kuò)散作用及地表荷載引起地層附加應(yīng)力隨深度逐漸減小，新增汽車荷載對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形的影響較小。

根據(jù)緊鄰隧道開挖工程案例，結(jié)合該項(xiàng)目邊坡開挖工程特點(diǎn)及既有隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，邊坡開挖施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的主要影響體現(xiàn)在：因隧道上部開挖，土壓被解除，會(huì)導(dǎo)致垂直荷載減少、側(cè)壓增大、拱頂向上變形；隧道埋深減少，會(huì)損傷原有卸荷拱作用；邊坡開挖卸荷會(huì)造成隧道發(fā)生隆起變形，且存在不對(duì)稱情況，可能使襯砌結(jié)構(gòu)處于偏壓狀態(tài)，遠(yuǎn)離開挖處的隧道結(jié)構(gòu)受到的影響較小，從而使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縱向不均勻變形和附加內(nèi)力，影響隧道結(jié)構(gòu)的使用安全。