汪琳 李永奎 徐海濤
某新建鐵路上跨既有飲水隧道,兩者最短垂直距離為9.2 m,為評(píng)估新建鐵路施工階段與運(yùn)營階段對(duì)飲水隧道的影響,基于有限元軟件建立等比例模型,從應(yīng)力和位移2方面進(jìn)行全面評(píng)估。數(shù)值模擬結(jié)果表明:由新建鐵路施工與運(yùn)營,導(dǎo)致飲水隧道的位移增量值不超過1 mm,豎向最大應(yīng)力增量變化幅度為1.82%,基本可忽略不計(jì)。
新建鐵路; 飲水隧道; 位移增量; 應(yīng)力增量; 評(píng)估
U452.2+6 A
[定稿日期]2022-05-25
[作者簡介]汪琳(1989—),男,本科,工程師,主要從事鐵路路基及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)工作;李永奎(1992—),男,碩士,工程師,主要從事鐵路和公路路基設(shè)計(jì)工作。
近年來,隨著交通建設(shè)的不斷深入,從過去對(duì)空間簡單使用,轉(zhuǎn)變至現(xiàn)在的多層次多方位復(fù)雜利用,新建鐵路、公路上跨或下穿既有基礎(chǔ)設(shè)施的概率逐漸增大,因此評(píng)估分析新建工程對(duì)既有建筑物正常使用的影響,具有較大的工程實(shí)踐價(jià)值。
目前,國內(nèi)外研究新建工程對(duì)既有建筑物的文獻(xiàn)較多,研究對(duì)象多為新建隧道對(duì)既有鐵路、既有公路和既有隧道的影響。趙東平等[1] 、袁溢[2]、鄭俊杰等[3]、王明年等[4]基于FLAC3D對(duì)新建隧道上穿既有隧道的施工方式進(jìn)行了研究,給出了爆破施工的安全控制范圍;王小林等[5]利用MIDAS GTX有限元軟件,以隧道半斷面深孔注漿半徑為控制變量,分析了新建地鐵隧道對(duì)上部既有鐵路路基的沉降變形影響;郭宏博[6]對(duì)上下交叉隧道施工進(jìn)行分析,得出施工引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律;周斌等[7]利用ANASYS有限元,分析了新建公路隧道施工對(duì)既有鐵路隧道內(nèi)力的影響,得出既有隧道結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求;Kimura等[8]基于離心機(jī)模型試驗(yàn),研究了倫敦地鐵施工導(dǎo)致地表沉降的規(guī)律;劉洪洲等[9]利用三維數(shù)值模擬,分析了地鐵盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響。
綜上所述,基于有限元軟件,分析新建鐵路對(duì)既有建筑物的影響是常用方式。但目前研究新建鐵路對(duì)下部既有飲水隧道的影響報(bào)道較少。不同工程實(shí)例的地質(zhì)情況、支護(hù)措施以及隧道尺寸等都存在差異,針對(duì)實(shí)際工程有必要進(jìn)行單獨(dú)分析。本文以某新建鐵路項(xiàng)目為依托,考慮施工階段和運(yùn)營階段對(duì)下部飲水隧道內(nèi)力和變形的影響,研究成果為評(píng)估既有設(shè)計(jì)的合理性提供參考價(jià)值。
1 工程概況
受鐵路線位的控制,某新建鐵路需上跨外徑為6.6 m的既有馬蹄形飲水隧道,襯砌為0.6 m厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),鐵路路肩與飲水隧洞頂部之間為微風(fēng)化巖層,巖體厚度約為19 m。受地形的限制,該區(qū)段鐵路需開挖既有邊坡坡腳以實(shí)現(xiàn)收坡處理,經(jīng)計(jì)算最后采用樁板墻支護(hù)形式。為了減小鐵路施工對(duì)飲水隧道產(chǎn)生破壞,擬采用人工水磨鉆施工錨固樁,因此在建模中不需考慮機(jī)械荷載。
交叉段地層為三疊系上統(tǒng)文賓山組上段(T3wb)泥質(zhì)砂巖、炭質(zhì)砂巖夾煤。灰色、灰黑色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),薄—中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育。強(qiáng)風(fēng)化層W3厚約6~12 m,屬Ⅳ級(jí)軟石;碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化W3呈碎塊狀,巖質(zhì)較軟,屬Ⅳ級(jí)軟石;弱風(fēng)化層W2巖質(zhì)較軟,屬Ⅳ級(jí)軟石。
2 有限元模型
為消除模型邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響,采用鄭穎人建議的邊界范圍:左端邊界為1.5H,坡頂至右端邊界2.5H,上下邊界總高不低于2H。選取模型寬度為77.7 m、長度80.0 m、總高度75.5 m,其中飲水隧道拱底至模型底部的高度為20.0 m。約束情況:前后、左右平面受水平約束,底平面受豎向約束,上平面受施加初始引起的應(yīng)力邊界約束。共劃分310 622個(gè)單元,計(jì)算中,抗滑樁、擋土板和隧道襯砌采用彈性實(shí)體單元模擬,地層采用彈塑性實(shí)體單元模擬。建模信息如圖1所示。
2.1 物理力學(xué)指標(biāo)
根據(jù)已有地質(zhì)勘查報(bào)告,并參考《工程地質(zhì)手冊》,給出數(shù)值模擬范圍內(nèi)土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。
2.2 計(jì)算過程
整個(gè)數(shù)值模擬共有3個(gè)步驟: ①施加邊界約束與初始應(yīng)力,計(jì)算模型的初始應(yīng)力場;②施工模型范圍內(nèi)抗滑樁和擋土板,開挖樁前巖土體露出設(shè)計(jì)線,模擬施工開挖對(duì)飲水隧道內(nèi)力和位移的影響。③鐵路施工完成后,參考TB 10001-2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》,添加列車靜荷載,模擬鐵路運(yùn)營對(duì)引水隧道內(nèi)力與位移的變化。
3 計(jì)算結(jié)果分析
評(píng)估既有飲水隧道的安全性,關(guān)注點(diǎn)在于新建鐵路施工和運(yùn)營階段,對(duì)其內(nèi)力和位移產(chǎn)生的影響。為便于后續(xù)描述,將修建鐵路支護(hù)和開挖過程簡稱為開挖階段,添加列車荷載簡稱為加載階段。將初始應(yīng)力下既有飲水隧道的內(nèi)力值和位移值,與開挖階段和加載階段的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可以評(píng)估出新建鐵路對(duì)既有飲水隧道產(chǎn)生的影響。為定量分析模擬結(jié)果,選取垂直于飲水隧道并通過抗滑樁中部的平面作為研究分析斷面。
3.1 位移結(jié)果分析
3.1.1 豎向位移
圖2是3個(gè)階段下隧道襯砌的豎向位移云圖。圖2(a)是模擬的初始應(yīng)力場,通過圖2(a)可知,飲水隧道的最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂中部區(qū)域,值為0.61 mm,豎向位移從拱頂中部區(qū)域逐漸向拱底中部區(qū)域減小,最小豎向位移值為0.24 mm,初始應(yīng)力場下隧道整體豎向位移值不大,分析是因?yàn)轱嬎淼琅c新建鐵路之間存在約19 m厚的微風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,能夠較好地形成應(yīng)力拱,實(shí)現(xiàn)應(yīng)力重分布。圖2(b)是模擬的開挖階段,通過圖2(b)發(fā)現(xiàn),開挖階段的豎向位移整體有向上隆起的趨勢,符合應(yīng)力釋放現(xiàn)象,與兩側(cè)拱腰成-45°夾角區(qū)域的位移回彈量最大,為1.41×10-3 mm。圖2(c)是模擬的加載階段,添加鐵路影響范圍內(nèi)的豎向面荷載67.8 kPa,產(chǎn)生附加位移最大值為0.04 mm,加載階段的位移變化趨勢與原始階段基本一致。圖3是3個(gè)階段下,模型切片范圍內(nèi)整體豎向位移云圖,從圖3(a)與圖3(b)可以看出引水隧道中部沿線范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯突變,表明出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;從圖3(c)可發(fā)現(xiàn),在附加應(yīng)力作用下,產(chǎn)生的附加豎向位移呈層狀分布,并在飲水隧道附近出現(xiàn)小范圍位移突變。
3.1.2 水平位移
圖4是3個(gè)階段的隧道襯砌水平位移云圖,將圖2(a)與圖4(a)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),出現(xiàn)最大位移的區(qū)域存在顯著差異,水平最大位移出現(xiàn)在與拱腰成-45°夾角的襯砌外側(cè),水平位移沿飲水隧道中線對(duì)稱分布,最大水平位移為8.47×10-2 mm。從圖4(b)與圖(c)發(fā)現(xiàn)在開挖階段與加載階段,附加最大水平位移出現(xiàn)區(qū)域與豎向基本相同,均位于拱頂。
通過圖2與圖4中3個(gè)階段的橫向?qū)Ρ确治?,發(fā)現(xiàn)開挖階段與加載階段對(duì)隧道襯砌水平位移和豎向位移的影響均可忽略不計(jì),位移最大變化量小于1 mm。
3.2 內(nèi)力分析
3.2.1 豎向應(yīng)力
圖5是3個(gè)階段的豎向應(yīng)力云圖。通過圖5(a)可發(fā)現(xiàn),最大豎向應(yīng)力位于兩側(cè)拱腰處,最大值是1.10 MPa,應(yīng)力從拱腰向拱底與拱頂中部區(qū)域逐漸減小至18.10 kPa。對(duì)圖5(b)分析發(fā)現(xiàn),因邊坡開挖導(dǎo)致飲水隧道應(yīng)力出現(xiàn)了小范圍的重分布,拱腰最大應(yīng)力出現(xiàn)小范圍增加,而拱頂與拱底中部區(qū)域的最小應(yīng)力減小至18.00 kPa,變化幅度為0.56%;對(duì)圖5(c)分析發(fā)現(xiàn),在施加附加應(yīng)力下,豎向應(yīng)力整體出現(xiàn)增大趨勢,與初始應(yīng)力場相比,拱腰區(qū)域最大應(yīng)力增加到1.12 MPa,變化幅度為1.82%,拱頂與拱底中部區(qū)域的最小應(yīng)力增加到18.11 kPa,變化幅度為0.06%。從應(yīng)力變化幅度可以看出,鐵路施工階段與加載階段對(duì)飲水涵洞豎向內(nèi)力的影響不大,不會(huì)造成飲水隧道應(yīng)力增量過大而出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象。
3.2.2 水平應(yīng)力
圖6是3個(gè)階段的水平應(yīng)力云圖。圖6(a)是初始應(yīng)力下的水平應(yīng)力場,最大水平應(yīng)力與豎向最大應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域基本一致,位于兩側(cè)拱腰處,最大水平應(yīng)力為0.22 MPa,水平最大應(yīng)力值約為豎向壓應(yīng)力最大值的1/5;圖6(b)開挖階段水平應(yīng)力整體出現(xiàn)減小現(xiàn)象,最大水平應(yīng)力變化幅度為0.4%。圖6(c)為加載階段,與初始最大應(yīng)力相比,拱腰中部區(qū)域外側(cè)最大水平應(yīng)力基本不變。表明開挖階段和加載階段對(duì)隧道襯砌水平應(yīng)力基本無影響。
4 監(jiān)測方案
根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,最大水平應(yīng)力與最大豎向應(yīng)力均位于隧道兩側(cè)拱腰中部區(qū)域,因此通過埋入測力計(jì)對(duì)飲水隧道拱腰中部進(jìn)行收斂監(jiān)測;位移變化最大值出現(xiàn)在拱頂中部,通過埋入位移計(jì),對(duì)隧道拱頂中部的位移進(jìn)行監(jiān)測,以控制分析飲水隧道的沉降變化量。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。
5 結(jié)論
(1)位移結(jié)果表明,開挖階段和加載階段,對(duì)既有飲水隧道襯砌位移影響較小,水平位移與豎向位移新增量值均小于1 mm。
(2)應(yīng)力結(jié)果顯示,新建鐵路在開挖階段和加載階段,對(duì)既有飲水隧道襯砌豎向應(yīng)力和水平的影響較小,最大水平應(yīng)力約是最大豎向應(yīng)力的1/5。
綜上,新建鐵路在非爆施工與正常運(yùn)營階段,對(duì)既有隧道內(nèi)力和位移影響基本可以忽略不計(jì),不會(huì)影響既有飲水隧道的正常使用。評(píng)估的準(zhǔn)確性還需通過后續(xù)觀測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。
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