陳華艷，葉建峰，羅才松

(福建工程學(xué)院土木工程學(xué)院，福州350108)

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，城市道路中新建隧道越來越多，特別在中國(guó)發(fā)達(dá)城市地區(qū)，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的交通路網(wǎng)已不能滿足日益增加的車流量運(yùn)輸要求，在此狀況下，越來越多的市政工程得以實(shí)施，城市道路通過隧道下穿既有構(gòu)筑物工程逐年增多，使得對(duì)于在役結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)越來越得到重視［1］.丁茂瑞［1］、王建秀［2］、藺云宏［3］，陽(yáng)軍生［4］分別對(duì)隧道下穿既有建筑物、公路、鐵路、高壓輸電塔等進(jìn)行了分析，得出了隧道在下穿這些在役結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)采取的措施.擬建隧道從既有高層建筑物下穿過，雖然中國(guó)有類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，甚至更為復(fù)雜，但考慮到下穿過程每個(gè)地方有各自的地質(zhì)環(huán)境，施工技術(shù)要求高，需要進(jìn)行專項(xiàng)計(jì)算，以確保施工和運(yùn)營(yíng)安全.

1 工程概況

沿海某環(huán)島路隧道為三車道Ⅵ級(jí)淺埋連拱隧道.需在高層房屋下穿過，隧道埋置深度僅10～30 m.地質(zhì)條件差，主要穿越殘積土、全風(fēng)化巖和砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖，具有泡水易軟化、崩解，強(qiáng)度降低的特征;地下水位較淺，在較長(zhǎng)時(shí)間的地下水作用下易產(chǎn)生“流泥”、“流砂”等的不良地質(zhì)現(xiàn)象.設(shè)計(jì)中采取了全斷面幃幕注漿止水、管棚及小導(dǎo)管超前支護(hù)、隔離樁切斷圍巖邊側(cè)變形、加強(qiáng)初期支護(hù)剛度及雙層二次襯砌結(jié)構(gòu)控制沉降、房屋基底采用高壓旋噴樁加固房屋基礎(chǔ)、三導(dǎo)洞法及CD法組織施工、控制爆破震動(dòng)速率等措施確保圍巖的穩(wěn)定和控制地面房屋的變形［5］.

如何在不破壞地面建筑物及地下管線的情況下順利穿越該地段是本工程成功的關(guān)鍵.為此，對(duì)該段隧道結(jié)構(gòu)及施工對(duì)地表房屋的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析十分有必要.

2 隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算

計(jì)算采用大型巖土分析軟件MIDAS/GTS［6］，該軟件是基于Visual C++在Windows環(huán)境下開發(fā)的巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件，提供了多樣化的建模方式，具有強(qiáng)大的分析功能與圖形處理能力.

2.1 計(jì)算斷面的選取

按房屋與隧道的空間關(guān)系、預(yù)加固措施，分別選取2個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算分析.

2.1.1 第1 斷面

該段隧道處于砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化正長(zhǎng)巖和花崗巖內(nèi)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，滲透性弱.洞頂以上10 m范圍內(nèi)主要由殘積亞黏土、全風(fēng)化巖和砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖組成，其中殘積亞黏土和全風(fēng)化巖壓縮性中等，滲透性弱，其細(xì)粒土呈流塑狀，穩(wěn)定性極差，土體易出現(xiàn)流土變形.地下水埋深3.2～4.7 m，綜合評(píng)價(jià)為V－Ⅵ級(jí)圍巖.洞頂征地范圍以內(nèi)房屋可拆除，但是位于房屋兩側(cè)的受影響房屋有14棟，其中已查明8棟房屋基本完好，2棟房屋一般損壞.房屋離開挖線的最短平面距離只有5.6 m，擬定預(yù)加固方案為:沿房屋基礎(chǔ)縱向采用φ120 cm隔離樁護(hù)壁，于樁頂設(shè)地梁，以增強(qiáng)隔離樁的縱向剛度，沿地梁每隔4.8 m設(shè)置一道橫向支撐，以限制樁頂?shù)膫?cè)向位移.

2.1.2 第2 斷面

該段隧道圍巖主要由泥質(zhì)粗砂、殘積黏土和全風(fēng)化層組成，多呈松軟至松散結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性均極差土體壓縮性中等，土體擾動(dòng)極易變形，地下水埋深2～3 m，綜合評(píng)價(jià)為Ⅵ級(jí)圍巖.據(jù)調(diào)查，該段房屋主要位于線路正上方和線路兩側(cè)，受影響的房屋有24棟，其中已查明基本完好的房屋7棟，一般損壞的房屋13棟，嚴(yán)重?fù)p壞的房屋1棟.

2.2 結(jié)構(gòu)分析中圍巖體采用的范圍

按照一般巖石力學(xué)基本原理，圍巖可選用3倍或以上洞徑范圍作為有限元分析區(qū)域，巖體選取范圍以左線中心線為基準(zhǔn)，左側(cè)延伸到87.4 m，右側(cè)延伸到113.2 m;上部延伸到地表;下部延伸到邊墻圓弧中心點(diǎn)以下58.6 m.

2.3 邊界條件及強(qiáng)度準(zhǔn)則

計(jì)算模型的圍巖體左邊界只有水平方向約束(X方向)，右邊界也只有水平方向約束(X方向)，頂部地表為自由面，底部只有豎直方向約束(Y方向)(自邊墻圓弧中心點(diǎn)以下38.1 m).強(qiáng)度校核采用“摩爾－庫(kù)侖”(Mohr－Coulomb)強(qiáng)度準(zhǔn)則.

2.4 單元?jiǎng)澐?/h3>

根據(jù)本段淺埋襯砌段落較長(zhǎng)的情況，采用平面應(yīng)變單元.主要考慮到該斷面附近圍巖比較破碎，開挖過程中掌子面對(duì)圍巖體的空間約束作用不會(huì)太強(qiáng);同時(shí)掌子面對(duì)開挖的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)有一定的約束作用，作為安全儲(chǔ)備.計(jì)算中，第一步模擬在預(yù)注漿后，隧道未開挖時(shí)的原始地應(yīng)力狀態(tài)，采用有限元平面應(yīng)變等參單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格;隨著計(jì)算過程的繼續(xù)(模擬圍巖開挖，施加初期支護(hù)等)，逐步減去圍巖體的平面應(yīng)變單元，加入錨桿單元、噴射混凝土體的線應(yīng)變單元，如圖1所示.

圖2 隧道施工過程模擬

2.5 計(jì)算模型

1)土體采用D－P屈服準(zhǔn)則;2)房屋采用實(shí)體單元;3)超前支護(hù)(管棚、小導(dǎo)管、注漿)采用等代層剛度來模擬;4)初襯、二襯及仰拱采用梁?jiǎn)卧M;5)錨桿采用桿單元模擬;6)按照設(shè)計(jì)隧道施工方案來模擬隧道開挖;7)圍巖的無支護(hù)應(yīng)力釋放率為40%，支護(hù)承擔(dān)60%的圍巖應(yīng)力釋放.

2.6 計(jì)算參數(shù)的選取

見表1.

表1 計(jì)算參數(shù)取值

2.7 隧道開挖的模擬步序

計(jì)算模型中隧道開挖步序共16步，如圖2.

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表房屋安全性分析

根據(jù)各典型斷面的計(jì)算模型，可計(jì)算出以上斷面地表房屋的變形值，各計(jì)算斷面的豎直位移分布云圖如圖3所示.表2列出了典型斷面房屋最大沉降值、最大擾度比和最大水平應(yīng)變，各房屋變形均在最小損壞等級(jí)內(nèi).僅僅26號(hào)房和34號(hào)房的絕對(duì)最大沉降值超過了30 mm，但是這兩棟房屋所受應(yīng)變均小于1‰，表面這兩棟房屋還處于安全狀態(tài)，但在施工中需要注意監(jiān)測(cè).從分析結(jié)果可見，設(shè)計(jì)措施對(duì)房屋的保護(hù)措施是有效的.

圖3 各斷面豎向位移云圖

表2 房屋變形評(píng)價(jià)表

3.2 隧道結(jié)構(gòu)安全性分析

同理，由上述計(jì)算模型，按照三導(dǎo)洞配合交叉中隔壁法施工，可計(jì)算出隧道自身結(jié)構(gòu)的受力情況，其計(jì)算結(jié)果見圖4所示.根據(jù)以上應(yīng)力計(jì)算分布圖可知，采用設(shè)計(jì)施工方案施工時(shí)，以上各典型斷面初期支護(hù)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力見表3所示.

表3 各斷面初期支護(hù)產(chǎn)生的最大應(yīng)力值

由表3可知，該隧道開挖后，在第2斷面處，最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力均最大，分別為1.5 MPa和3.5 MPa.均小于鋼筋混凝土的極限拉應(yīng)力和極限壓應(yīng)力.因此，從隧道結(jié)構(gòu)自身看來，設(shè)計(jì)措施是可行的、安全的.

圖4 各斷面主應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)擬建隧道結(jié)構(gòu)及地面建筑物進(jìn)行有限元分析，考慮隧道所處的特殊地質(zhì)條件，模擬隧道開挖的施工全過程，得出了隧道與上部地面建筑物的豎向位移云圖，以及隧道自身結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力云圖.計(jì)算結(jié)果表明:采取設(shè)計(jì)擬定的工程措施是可以保證隧道施工過程中地面建筑物與隧道自身安全的.同時(shí)，由于有限元模擬分析是建立在均值圍巖和各道工序都完全按照設(shè)計(jì)意圖開展的理想狀態(tài)之下，沒有考慮施工過程中地下水對(duì)圍巖的影響、爆破震動(dòng)對(duì)地面建筑物的影響等因素，這就要求隧道施工過程中密切關(guān)注圍巖的變化情況，嚴(yán)格注漿工藝，保證注漿質(zhì)量，嚴(yán)格控制爆破施工，各道工序也應(yīng)銜接緊密.即必須對(duì)隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)施工監(jiān)測(cè)管理和安全隱患預(yù)報(bào).

［1］丁茂瑞.新建隧道穿越既有建筑物的影響性研究［J］.中外公路，2011，31(4):210－212.

［2］王建秀，鄒寶平，陳學(xué)軍，等.填海區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道下穿公路施工地層沉降規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2013，34(4):33－39.

［3］藺云宏，李冀偉，王 飛.暗挖地鐵隧道斜交下穿既有鐵路的施工研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(11):82－86.

［4］陽(yáng)軍生，楊元洪，晏 莉，等.大斷面隧道下穿既有高壓輸電鐵塔施工方案比選及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(6):1184－1194.

［5］胡學(xué)兵，馬建清，李 勇，等.密集建筑群下城市淺埋大跨隧道設(shè)計(jì)研究［J］.公路交通技術(shù)，2007，增刊:91－95.

［6］王海濤，易富民.MIDAS/GTS巖土工程數(shù)值分析與設(shè)計(jì)［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，2013.