回填土下穿隧道開挖對既有排水箱涵影響的數(shù)值分析

朱清利

(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，地面交通擁堵問題日益突出，解決城市地面交通問題迫在眉睫。城市軌道交通的建設(shè)使交通擁堵問題得到了一定的緩解，但城市地下管網(wǎng)復(fù)雜，隧道上穿或下穿管網(wǎng)時(shí)往往對管網(wǎng)及隧道本身產(chǎn)生一定的影響。本文以重慶軌道交通10 號線蘭花湖停車場出入段線暗挖區(qū)間隧道為研究對象，通過數(shù)值模擬研究了隧道開挖對不同豎向位置箱涵的影響，可作為地鐵選線和市政管線保護(hù)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

2 工程概況

重慶軌道交通10 號線蘭花湖停車場出入段線暗挖區(qū)間隧道位于重慶市南岸區(qū)重慶工商大學(xué)蘭花湖校區(qū)東北側(cè)，巖性主要以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部分布有深回填土，填土最大厚度約為19.2 m?；靥钔林饕煞圪|(zhì)黏土夾砂巖、砂質(zhì)泥巖碎石組成，并夾雜少量生活垃圾、建筑垃圾，成分復(fù)雜；堆填年限在2～15 年不等，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差。排水箱涵位于擬建隧道的上方，隧道開挖會(huì)對其造成一定的影響。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 模擬工況

由于隧道向上開挖，箱涵向下開挖，所以存在二者間距的變化，假設(shè)隧道與箱涵走向基本一致，為了減少模型計(jì)算量，也為了分析間距的影響，所以將其簡化成下面的研究工況，具體的模擬工況如圖1 所示。選取距離隧道拱頂1 m 處的位置設(shè)為箱涵的初始位置，每次變化箱涵的位置時(shí)向上移動(dòng)6.5 m，分別對其進(jìn)行模擬。

圖1 不同豎向位置箱涵

3.2 數(shù)值模型的建立

本次模擬使用ANSYS 軟件，通過建立二維模型進(jìn)行計(jì)算。考慮到回填土具有明顯的彈塑性，在計(jì)算中將模型簡化為彈塑性平面應(yīng)變問題，采用Drucker-Prager 彈塑性本構(gòu)模型，來模擬回填土的非線性變化過程，箱涵則采用彈性模型[1]。隧道圍巖和開挖土體均采用實(shí)體單元plane42 模擬，箱涵則采用二維梁單元beam3 模擬。隧道的初支和二襯會(huì)減小隧道的豎向位移，為了使規(guī)律更加明顯，本次模擬忽略了隧道的初支和二襯，具體的計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

根據(jù)圣維南原理，隧道周圍大于3～5 倍洞跨范圍外的圍巖受隧道開挖的擾動(dòng)很小[2]。因此，本文數(shù)值模擬模型的邊界尺寸為：上邊界距隧道拱頂為7 倍洞高，左右邊界距隧道拱腰均為7 倍隧道跨度，下邊界距開挖洞底為4 倍洞高。通過殺死開挖土體部分單元來模擬隧道的開挖，并在后處理中輸出箱涵各單元的彎矩和軸力。

3.3 模擬結(jié)果與分析

對箱涵進(jìn)行內(nèi)力分析，包括彎矩分析、軸力分析和安全系數(shù)分析?？紤]到箱涵最危險(xiǎn)的地方在4 個(gè)角點(diǎn)[3]，因此，選取4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)力分析。

3.3.1 箱涵彎矩分析

箱涵的彎矩變化模擬結(jié)果如圖2 所示，隨著箱涵與隧道拱頂距離的增加，箱涵各個(gè)角點(diǎn)彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這是因?yàn)榛靥钔了缮?、穩(wěn)定性差，加之箱涵尺寸較小，距離隧道很近時(shí)沉降很大，箱涵處于一種整體下沉的狀態(tài)，變形很小，所以產(chǎn)生的彎矩很小。當(dāng)箱涵與隧道拱頂?shù)木嚯x為7.5 m時(shí)，其彎矩分布如圖3 所示，各個(gè)角點(diǎn)的彎矩均大于其他點(diǎn)，這是因?yàn)樵? 個(gè)角點(diǎn)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而造成4 個(gè)角點(diǎn)的彎矩值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他點(diǎn)。

圖2 不同豎向位置箱涵彎矩

圖3 箱涵彎矩分布（單位：N/m）

3.3.2 箱涵軸力分析

箱涵的軸力變化模擬結(jié)果如圖4 所示，隨著箱涵與隧道拱頂距離的不斷增加，各點(diǎn)的軸力總體上呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，但當(dāng)距離達(dá)到21.5 m 后，各點(diǎn)的軸力均出現(xiàn)了一個(gè)增加的過程，底板角點(diǎn)軸力的變化較大，頂板角點(diǎn)軸力的增量則較少。當(dāng)箱涵與隧道拱頂?shù)木嚯x為1 m 時(shí)，其軸力分布如圖5 所示，箱涵頂板和底板各點(diǎn)的軸力分布比較平均，側(cè)板的軸力分布則是兩端大中間小，左側(cè)板的中部產(chǎn)生了部分拉力，但其值較小，不會(huì)造成箱涵受拉破壞。

圖4 不同豎向位置箱涵軸力

圖5 箱涵軸力分布（單位：N）

3.3.3 箱涵安全系數(shù)分析

參考相關(guān)規(guī)范，將排水箱涵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)取為1.2，箱涵安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示，當(dāng)箱涵距離隧道拱頂較近時(shí)，箱涵的安全系數(shù)較大；隨著距離的增加，箱涵的安全系數(shù)不斷減小。當(dāng)距離超過7.5 m 后，曲線開始保持穩(wěn)定，此時(shí)4 個(gè)角點(diǎn)的安全系數(shù)值最大為1.19，其他的遠(yuǎn)小于1.2，說明結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生裂縫甚至破壞。當(dāng)距離超過20.5 m 后，安全系數(shù)開始逐漸增大。當(dāng)箱涵離隧道拱頂?shù)木嚯x為14 m 時(shí)，箱涵各點(diǎn)的安全系數(shù)分布如圖7 所示，箱涵4 個(gè)角點(diǎn)的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他點(diǎn)，各板中點(diǎn)的安全系數(shù)均是該板的最大值。

圖6 不同豎向位置箱涵安全系數(shù)

圖7 箱涵安全系數(shù)分布

4 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，分析了隧道開挖對不同豎向位置箱涵的結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）隧道開挖會(huì)造成箱涵的不均勻沉降，從而使箱涵產(chǎn)生內(nèi)力，但當(dāng)箱涵距離隧道拱頂較近時(shí)，由于回填土松散、穩(wěn)定性差的性質(zhì)，箱涵處于整體下沉的狀態(tài)，產(chǎn)生的內(nèi)力較小。

2）隨著箱涵與隧道拱頂距離的增加，箱涵各個(gè)角點(diǎn)的彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，軸力則呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢。

3）隨著箱涵與隧道拱頂距離的增加，安全系數(shù)的值先減小后增大，當(dāng)箱涵與隧道拱頂?shù)木嚯x在7.5～20.5 m 時(shí)，箱涵的安全系數(shù)小于1.2，結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生裂縫甚至破壞。