熊桂開

（1.重慶交通大學(xué)，重慶市 400074；2.重慶市勘測(cè)院，重慶市 400020）

0 引 言

既有隧道為左、右洞分離的結(jié)構(gòu)型式，分離隧道軸線間距為23.5～29.1 m，為小凈距隧道。標(biāo)準(zhǔn)段隧道內(nèi)輪廓按建筑限界寬10.0 m，高5.0 m擬定，采用三心圓斷面，拱半徑5.40 m，曲墻半徑5.73 m，內(nèi)空凈面積72.19 m2，凈高8.19 m，凈寬10.80 m。左、右隧道洞身長(zhǎng)分別為396 m與418 m，為城市短隧道，隧道通風(fēng)方式采用自然通風(fēng)。建筑界限以及內(nèi)輪廓線詳見圖1，復(fù)合型襯砌斷面見圖2。

擬建場(chǎng)地位于南溫泉背斜東翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，未見斷層及次級(jí)褶皺，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。洞頂巖層厚度13.5～67 m,下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂質(zhì)泥巖與砂巖互層狀產(chǎn)出，以砂質(zhì)泥巖為主，巖層呈單斜狀產(chǎn)出，圍巖構(gòu)造裂隙不發(fā)育，泥巖基本無水，砂巖中含少量地下水?；鶐r面坡度近于自然地面坡度，未發(fā)現(xiàn)滑坡、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，斜坡穩(wěn)定，現(xiàn)狀穩(wěn)定。原隧道位于堆場(chǎng)下方，為深埋隧道，最大埋深67 m，由于堆場(chǎng)建設(shè)需對(duì)隧道頂山體進(jìn)行平場(chǎng)施工，平場(chǎng)后其埋深約為28～35 m左右，見圖3。

堆場(chǎng)工程在建設(shè)過程中會(huì)不可避免地對(duì)既有隧道工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，使既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和不均勻沉降，甚至有可能發(fā)生超過管理基準(zhǔn)的變形，從而影響隧道的正常、安全運(yùn)營(yíng)。因此有必要在堆場(chǎng)工程施工前對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力以及對(duì)它們之間的相互影響程度進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

圖1 建筑界限以及內(nèi)輪廓線（單位：mm）

圖2 復(fù)合型襯砌斷面圖（單位：mm）

因此，通過建立三維數(shù)值計(jì)算模型，將堆場(chǎng)工程施工對(duì)于既有隧道工程的影響進(jìn)行模擬分析，研究既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形規(guī)律，以及二者之間的相互影響程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為施工及運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)的指導(dǎo)。評(píng)估的思路是：采用三維地層－結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，預(yù)測(cè)該隧道工程在堆場(chǎng)工程施工前和平場(chǎng)后以及運(yùn)營(yíng)后三種工況下所發(fā)生的變形和應(yīng)力，再根據(jù)隧道工程的縱向沉降值以及應(yīng)力，評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

圖3 堆場(chǎng)與隧道工程的立面位置關(guān)系

2 計(jì)算分析

運(yùn)用ANSYS有限元計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，巖土體采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。平場(chǎng)前模型上邊界按該段最高高程取至地表，埋深67 m，模型共有80 777節(jié)點(diǎn)，72 720個(gè)單元，平場(chǎng)后模型上邊界按該段最高高程取至地表，埋深28 m，模型共有71 944節(jié)點(diǎn)，64 690個(gè)單元。模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型左右兩側(cè)面施加X方向約束，模型底部施工Y向約束，模型前后兩側(cè)面施工Z方向的約束，地表作為模型上邊界，為自由邊界。三維數(shù)值分析中，圍巖采用Solid45單元模擬，隧道結(jié)構(gòu)采用Shell63單元模擬。根據(jù)相關(guān)要求，在隧道頂堆場(chǎng)及相關(guān)道路投入使用后，其地面承受的總荷載不能超過100 kN/m2的要求，本次評(píng)估驗(yàn)算荷載采用平場(chǎng)后地面總荷載為100 kN/m2。計(jì)算分析分三個(gè)工況，工況一為施工前，工況二平場(chǎng)后，工況三為運(yùn)營(yíng)堆載后。

本次建模所采用的計(jì)算參數(shù)見表1，參數(shù)來源參考工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告。計(jì)算模型見圖4～圖7。

表1 計(jì)算參數(shù)一覽表

圖4 平場(chǎng)前計(jì)算模型圖

圖5 平場(chǎng)后計(jì)算模型圖

圖6 平場(chǎng)加載后計(jì)算模型圖

2.1 隧道結(jié)構(gòu)位移分析

隧道結(jié)構(gòu)位移分析成果見表2。

表2 各計(jì)算工況位移表

綜上所述，堆載后隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖畲蟪两抵迪鄬?duì)于未平場(chǎng)前最大增加了1.253 mm+1.434 mm-2.932 mm=-0.245 mm，表明拱頂最大隆起了0.245 mm，拱頂支護(hù)結(jié)構(gòu)有所反彈；隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂?shù)淖钚〕两抵迪鄬?duì)于未平場(chǎng)前最大增加了0.839 mm+1.336 mm-2.096 mm=0.079 mm，表明拱頂最大沉降了0.079 mm。

2.2 隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析成果見表3。

表3 各工況下應(yīng)力分析結(jié)果表

綜上所述，堆載后隧道結(jié)構(gòu)最小應(yīng)力較平場(chǎng)前小，降低幅度達(dá)到了47.44%;堆載后隧道結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力較平場(chǎng)前小，降低幅度達(dá)到了24.83%。

從隧道結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力分析結(jié)果可知，平場(chǎng)后隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降最大隆起0.245 mm，結(jié)構(gòu)發(fā)生了反彈，最大沉降0.079 mm，平場(chǎng)前后其變化不大；而隧道結(jié)構(gòu)最小應(yīng)力平場(chǎng)后較平場(chǎng)前降低了47.44%，隧道結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力平場(chǎng)后較平場(chǎng)前減低了24.83%，堆載后，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力較平場(chǎng)后雖有所增加，此時(shí)隧道結(jié)構(gòu)仍是安全的。

2.3 圍巖位移分析

圍巖位移分析成果見表4。

表4 各計(jì)算工況位移表

綜上所述，計(jì)算加載后拱頂圍巖沉降最大值為2.316 mm，拱頂沉降最小值為0.257 mm，加載后沉降最大值發(fā)生在圍巖頂部，最小值發(fā)生在底部。

2.4 圍巖應(yīng)力分析

圍巖應(yīng)力分析成果見表5。

表5 各工況下圍巖應(yīng)力分析結(jié)果表

綜上所述，各工況下圍巖最小應(yīng)力雖有增大趨勢(shì)，但工況3堆載完成后其值為4 175.4 Pa，小于隧道巖土工程勘察報(bào)告中給出的砂質(zhì)泥巖軸心抗壓強(qiáng)度Rc=7.7 MPa和砂巖的軸心抗壓強(qiáng)度Rc=23.2 MPa，說明堆載后圍巖是安全的；平場(chǎng)后圍巖最大應(yīng)力較平場(chǎng)前明顯降低，降低幅度為50.67%，但堆載完畢后其值略微上升，增長(zhǎng)幅度為15.06%，達(dá)到2.52 MPa，小于隧道巖土工程勘察報(bào)告中給出的砂質(zhì)泥巖軸心抗壓強(qiáng)度Rc=7.7 MPa和砂巖的軸心抗壓強(qiáng)Rc=23.2 MPa，說明堆載后圍巖是安全的。

3 結(jié)論

（1）本文采用數(shù)值模擬分析方法，分析了在隧道頂部山體施工前、平場(chǎng)后及運(yùn)營(yíng)后三種工況下隧道結(jié)構(gòu)與圍巖的位移、應(yīng)力。若堆場(chǎng)建設(shè)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求施工，且運(yùn)營(yíng)后堆場(chǎng)荷載不超過設(shè)計(jì)容許值，則堆場(chǎng)施工以及建設(shè)運(yùn)營(yíng)后對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)影響很小，隧道及圍巖結(jié)構(gòu)是安全的。

（2）隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，類似文中工程建設(shè)項(xiàng)目情況將會(huì)越來越多，工程實(shí)例表明只要采取合適的施工方案和有效的支護(hù)措施，在既有隧道結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)施作是能夠?qū)崿F(xiàn)的。

[1]JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2004.

[2]JTG D70—2004,公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2004.