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        新建橋梁上跨既有隧道工程的設(shè)計

        2021-10-09 05:05:12陳本武
        工程建設(shè)與設(shè)計 2021年13期
        關(guān)鍵詞:受力土體數(shù)值

        陳本武

        (嘉興市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,浙江 嘉興 314000)

        1 引言

        在既有隧道的基礎(chǔ)上建設(shè)橋梁等會引起既有結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)改變,增加附加應(yīng)力,或者使隧道產(chǎn)生變形,嚴重影響隧道的安全性和耐久性[1]。為解決新建工程施工對既有隧道的破壞,必須在施工前對新建工程和隧道進行評估,制定安全措施。通過有限元對結(jié)構(gòu)進行模型建立,然后進行數(shù)值分析,得到相關(guān)數(shù)據(jù)后,制定出滿足結(jié)構(gòu)需要的方案方法[2]。

        2 隧道結(jié)構(gòu)計算

        2.1 土壓力計算

        在城市建設(shè)過程中,隧道一般為淺埋隧道,所以,在施工時最常采用的方法是明挖法和盾構(gòu)法。明挖隧道在襯砌結(jié)構(gòu)的土壓力計算時可以采用靜止土壓力、庫倫土壓力、朗肯土壓力等相關(guān)理論公式進行結(jié)構(gòu)計算。靜止土壓力計算時所依據(jù)的理論基礎(chǔ)是:假定隧道周邊的土體受力處于平衡狀態(tài),且對襯砌結(jié)構(gòu)不造成影響[3]。

        2.2 襯砌結(jié)構(gòu)計算

        從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度考慮,土體對隧道結(jié)構(gòu)的作用可以認為是作用在隧道上的荷載。土體對隧道產(chǎn)生的變形可以忽略不計。所以在進行隧道的內(nèi)力和變形計算時,只需要知道土體產(chǎn)生的荷載分布規(guī)律以及數(shù)值大小即可[4]。本節(jié)中土體對隧道的荷載作用可以通過主動荷載模式、主動和被動荷載模式、實地量測荷載模式進行處理,處理方法如下:

        1)主動荷載模式下認為作用的荷載只有圍巖壓力,不考慮其他作用力。所以,在土壓力的作用下,隧道結(jié)構(gòu)可以自由變形。工程中土體結(jié)構(gòu)松散,對隧道沒有足夠的變形約束時,為滿足工程需要和結(jié)構(gòu)需求,可以采用主動荷載模式。主動荷載模式如圖1a 所示。

        2)主動和被動荷載模式。相比于主動荷載模式,主動加被動荷載模式考慮了土體與隧道結(jié)構(gòu)之間的相互作用力,隧道結(jié)構(gòu)既承受土體作用下的主動荷載,又承受彈性反力[5]。這種模式考慮結(jié)構(gòu)受力較全面,變形與實際工程較為接近,隧道受力也更合理。主動和被動荷載模式如圖1b 所示。

        3)量測荷載模式。在進行荷載的實地量測時,考慮的荷載種類包括作用于隧道結(jié)構(gòu)的主動土壓力和彈性反力。當(dāng)土體與隧道結(jié)構(gòu)共同工作時,量測荷載有切向荷載和徑向荷載兩種類型的荷載。量測荷載模式如圖1c 所示。

        圖1 力學(xué)計算模型

        3 橋梁施工對隧道影響

        3.1 工程概況

        本文依據(jù)的是某地上跨隧道的新建橋梁,橋梁中心樁號為K0+128.15,鋪裝層橫坡為2%的單項橫坡,梁端設(shè)有伸縮縫。橋面為變截面,寬度為9.5~11.5 m,頂板厚度為25 cm,底板厚25~50 cm,底板寬7.5 m。上部結(jié)構(gòu)采用的是鋼筋混凝土箱梁,橫斷面形式為單箱雙室。支點處腹板的厚度為70 cm。鋼筋采用HPB300、HRB400 2 種,其軸心抗拉強度取值為1.65 MPa。

        全橋箱梁模型建立及計算采用MIDAS 有限元軟件進行。為了保證隧道在模擬過程中的受力變形情況盡可能地接近實際工程,本節(jié)將模型的分析分為2 種工況,分別為開挖階段模擬分析和回填階段模擬分析。通過2 種工況來計算隧道的應(yīng)力和變形情況。

        3.2 開挖受力分析

        1)隧道應(yīng)力分析:開挖土體會使隧道對應(yīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力重分布,由分析可知,隧道主要承受壓應(yīng)力,其壓應(yīng)力的最大值在隧道頂板中心位置,值為5.83 MPa,本文隧道混凝土采用C30 混凝土,最大壓應(yīng)力值在承受范圍。

        2)隧道變形分析:土體開挖以后,由于應(yīng)力釋放的作用,隧道的豎向變形主要方向為豎直向上,通過模型計算數(shù)值可知,豎向最大位移出現(xiàn)在隧道頂板位置,其數(shù)值為12.3 mm,豎向最小位移出現(xiàn)在底板位置,其數(shù)值為7.3 mm。所以在土體開挖的過程中要對隧道進行豎向位移觀測,必要時采取支護等措施來保證隧道的安全性。

        3.3 回填受力分析

        1)隧道應(yīng)力分析:土體在進行回填施工過程中會對隧道相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力重分布,隧道主要承受土體作用下的壓應(yīng)力,主要作用點為隧道頂板中心,作用最大值為5.37 MPa。而在隧道的底板附近出現(xiàn)應(yīng)力集中,主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力。本文隧道混凝土采用C30 混凝土,最大壓應(yīng)力值在承受范圍。

        2)隧道變形分析:隧道在回填土的作用下主要表現(xiàn)為下沉變形,通過模型計算數(shù)值可知,隧道的最大豎向位移發(fā)生在隧道土體附近,其值為-5.2 mm。隧道發(fā)生豎向位移主要是因為土體豎向變形引起的,但數(shù)值顯示隧道變形較小,不影響隧道正常使用。

        橋梁施工前后對隧道的彎矩和軸力影響較大,如隧道頂板中點處軸力變化幅度最大,橋梁施工前軸力為-205.7 kN,橋梁施工后軸力為22.30 kN,本節(jié)抽取隧道內(nèi)、外壁的內(nèi)力值,來計算隧道進行安全性系數(shù)以及對隧道結(jié)構(gòu)進行安全評估,具體數(shù)據(jù)如見表2。通過隧道土體回填的安全系數(shù)驗算可知:新建橋梁在整個建設(shè)過程中,對隧道的安全性影響不大,隧道的安全系數(shù)都比規(guī)范值大,所以隧道的安全性和可靠度滿足要求[6]。既有隧道相比于橋梁施工前,其結(jié)構(gòu)承載力有所降低,但仍滿足正常使用的要求。

        表2 土體回填安全系數(shù)

        4 結(jié)語

        本文通過對新建橋梁上跨隧道的研究表明:

        1)隧道在進行土壓力計算時經(jīng)常采用靜止土壓力、庫倫土壓力、朗肯土壓力等相關(guān)理論進行結(jié)構(gòu)計算。

        2)橋梁建設(shè)前后對隧道的軸力和彎矩影響不大,但軸力和彎矩數(shù)值發(fā)生不同程度變化。新建橋梁在開挖、回填土過程中,隧道各部分安全系數(shù)雖有所降低,但仍然滿足規(guī)范要求;隧道的承載力也有所下降,但仍能滿足正常使用標準。

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