錢薔薇

中鐵城市發(fā)展投資集團有限公司

1 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的加快，各種交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速增加，新建高速公路、地鐵隧道近接既有建筑物、小凈距平行隧道、上下交叉隧道等形式的土木工程不斷涌現(xiàn)。在高速公路、鐵路及水利等工程修建過程中，如何保證既有結(jié)構(gòu)物安全運營又要兼顧新建工程的施工安全，一直都是土木工程從業(yè)者所關(guān)注的問題并開展了大量的研究工作[1][2][3]。本文以某新建高速公路近接既有引水隧洞施工及運營為工程實例，采用ANSYS 有限元軟件對最薄弱段結(jié)構(gòu)安全數(shù)值模擬，分析對既有引水隧洞的影響。

2 工程概況

某新建高速公路設(shè)計路線兩次交叉既有引水隧洞，隧洞寬3.4m，高4.6m。第一次交叉高速公路路基與引水隧洞之間的覆蓋厚度最薄處只有8.6m，長度90m，第二次交叉高速公路路基與引水隧洞之間的覆蓋厚度最薄處為15m，長度136m。高速公路路基填方及完工后的汽車荷載極有可能對隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成影響，而該引水隧洞作為水庫用水的主要來源，如隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定出現(xiàn)問題，將對下游人民的生產(chǎn)生活造成不可估量的影響。能否準(zhǔn)確合理地評價交叉處高速公路建設(shè)與運營期間對既有引水隧洞的影響，并對薄弱段提出合理可行的引水隧洞加固方案至關(guān)重要[3]。文章采用ANSYS有限元軟件對路線交叉最薄弱處覆蓋層厚度最薄處在施工及運營期不同工況下的隧洞結(jié)構(gòu)安全進行了數(shù)值模擬分析，并對最薄處隧洞上部圍巖固結(jié)灌漿加固后的隧洞結(jié)構(gòu)安全進行復(fù)核評價，為新建高速公路施工運營及既有引水隧洞管理單位決策提供依據(jù)。

3 模型建立

3.1 有限元分析模型建立

路線交叉最薄弱處覆蓋土層由下至上依次是引水隧洞漿砌片石、粉砂質(zhì)泥巖及回填土。文章采用ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件建立荷載-結(jié)構(gòu)平面模型，分析薄弱處新建高速路基填方施工前、施工后、建成通車后三種工況下既有引水隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變。模型由引水隧洞漿砌片石襯砌及巖土層組成，模型土層采用實體單元solid45，隧洞結(jié)構(gòu)襯砌采用殼單元shell63 進行模擬[4][5]。

3.2 計算參數(shù)選擇

具體隧洞結(jié)構(gòu)安全數(shù)值模擬分析所采用地質(zhì)參數(shù)詳見下表1，高速公路建成通車工況汽車荷載按JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》公路Ⅰ級荷載設(shè)計。其中公路-Ⅰ級車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：

集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk按JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第7.0.3條執(zhí)行（見表1）。

表1 數(shù)值模擬計算主要參數(shù)表

4 計算結(jié)果分析

4.1 工況一(路基填方施工后）分析

4.1.1 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算簡圖

圖1 路基填方施工后隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定應(yīng)力計算云圖

4.1.2 計算結(jié)果

從上圖1可以看出，隧洞襯砌的第一主應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為0.87MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)。最大拉應(yīng)力約為0.34MPa，發(fā)生在隧洞底部。第三主應(yīng)力也以受壓為主，由于篇幅限制未列圖示意，其最大壓應(yīng)力為4.01MPa,發(fā)生在隧洞底部左右側(cè)。最大拉應(yīng)力為0.04MPa,發(fā)生在隧洞底部。

因此高速公路路基填方施工后隧洞襯砌的最大壓應(yīng)力4.01MPa 小于8.8MPa，滿足漿砌片石壓應(yīng)力設(shè)計要求，而最大拉應(yīng)力0.34MPa大于0.3MPa，不滿足漿砌片石設(shè)計應(yīng)力要求，故高速公路施工后隧洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

4.2 工況二（建成通車后）分析

4.2.1 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算簡圖

圖2 高速公路建成通車后隧洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算云圖

4.2.2 計算結(jié)果

從上圖2可以看出，在高速公路建成通車后隧洞襯砌的隧洞襯砌的第一主應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為0.9MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)。最大拉應(yīng)力約為0.36MPa，發(fā)生在隧洞底部。第三主應(yīng)力也以受壓為主，由于篇幅限制未列圖示意，其最大壓應(yīng)力為4.18MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)，最大拉應(yīng)力為0.005MPa。

因此高速公路建成通車后隧洞襯砌的最大壓應(yīng)力4.18MPa小于8.8MPa，滿足漿砌片石壓應(yīng)力設(shè)計要求，而最大拉應(yīng)力0.36MPa 大于0.3MPa，不滿足漿砌片石設(shè)計應(yīng)力要求，故高速公路建成通車后隧洞結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

通過上述結(jié)構(gòu)安全模擬數(shù)值分析，無論是高速公路路基填方施工還是建成通車工況，隧洞結(jié)構(gòu)都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如不進行處治加固，將帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險問題。文章根據(jù)長江科學(xué)院巖基研究所朱杰兵、景峰、尹建民針對三峽工程F215斷層帶灌漿試驗研究成果[6]，采用對洞頂破碎圍巖進行固結(jié)灌漿加固處治，將粉砂質(zhì)泥灌漿固結(jié)后的彈性模量參數(shù)取為4GPa后再次對在建成通車工況下隧洞結(jié)構(gòu)安全進行數(shù)值模擬分析。

4.3 固結(jié)灌漿后建成通車工況安全復(fù)核

4.3.1 隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算簡圖

圖3 固結(jié)灌漿后建成通車后隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算云圖

4.3.2 計算結(jié)果

從上圖3可以看出，隧洞襯砌的第一主應(yīng)力以受壓為主，最大壓應(yīng)力為0.55MPa，發(fā)生在隧洞底部左右兩側(cè)。最大拉應(yīng)力約為0.23MPa，發(fā)生在隧洞底部。第三主應(yīng)力也以受壓為主，由于篇幅限制未列圖示意，其最大壓應(yīng)力為2.66MPa，發(fā)生在隧洞底部左右側(cè)。最大拉應(yīng)力為0.002MPa，發(fā)生在隧洞底部。最大壓應(yīng)力及拉應(yīng)力均滿足設(shè)計漿砌片石應(yīng)力要求，隧洞結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語

通過上述對引水隧洞在施工及運營期固結(jié)灌漿前后不同工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，采用對隧洞上部圍巖進行固結(jié)灌漿處治，可以確保既有引水隧洞結(jié)構(gòu)的安全運營，這也為類似新建高速公路近接既有隧道施工及運營安全提供一種處治方案。