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        回填土下穿隧道開(kāi)挖對(duì)既有排水箱涵影響的數(shù)值分析

        2022-06-03 08:39:26朱清利
        關(guān)鍵詞:箱涵角點(diǎn)軸力

        朱清利

        (中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司,重慶 400065)

        1 引言

        隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,地面交通擁堵問(wèn)題日益突出,解決城市地面交通問(wèn)題迫在眉睫。城市軌道交通的建設(shè)使交通擁堵問(wèn)題得到了一定的緩解,但城市地下管網(wǎng)復(fù)雜,隧道上穿或下穿管網(wǎng)時(shí)往往對(duì)管網(wǎng)及隧道本身產(chǎn)生一定的影響。本文以重慶軌道交通10 號(hào)線蘭花湖停車場(chǎng)出入段線暗挖區(qū)間隧道為研究對(duì)象,通過(guò)數(shù)值模擬研究了隧道開(kāi)挖對(duì)不同豎向位置箱涵的影響,可作為地鐵選線和市政管線保護(hù)技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

        2 工程概況

        重慶軌道交通10 號(hào)線蘭花湖停車場(chǎng)出入段線暗挖區(qū)間隧道位于重慶市南岸區(qū)重慶工商大學(xué)蘭花湖校區(qū)東北側(cè),巖性主要以砂巖、砂質(zhì)泥巖為主,局部分布有深回填土,填土最大厚度約為19.2 m?;靥钔林饕煞圪|(zhì)黏土夾砂巖、砂質(zhì)泥巖碎石組成,并夾雜少量生活垃圾、建筑垃圾,成分復(fù)雜;堆填年限在2~15 年不等,結(jié)構(gòu)松散,穩(wěn)定性差。排水箱涵位于擬建隧道的上方,隧道開(kāi)挖會(huì)對(duì)其造成一定的影響。

        3 數(shù)值模擬及分析

        3.1 模擬工況

        由于隧道向上開(kāi)挖,箱涵向下開(kāi)挖,所以存在二者間距的變化,假設(shè)隧道與箱涵走向基本一致,為了減少模型計(jì)算量,也為了分析間距的影響,所以將其簡(jiǎn)化成下面的研究工況,具體的模擬工況如圖1 所示。選取距離隧道拱頂1 m 處的位置設(shè)為箱涵的初始位置,每次變化箱涵的位置時(shí)向上移動(dòng)6.5 m,分別對(duì)其進(jìn)行模擬。

        圖1 不同豎向位置箱涵

        3.2 數(shù)值模型的建立

        本次模擬使用ANSYS 軟件,通過(guò)建立二維模型進(jìn)行計(jì)算??紤]到回填土具有明顯的彈塑性,在計(jì)算中將模型簡(jiǎn)化為彈塑性平面應(yīng)變問(wèn)題,采用Drucker-Prager 彈塑性本構(gòu)模型,來(lái)模擬回填土的非線性變化過(guò)程,箱涵則采用彈性模型[1]。隧道圍巖和開(kāi)挖土體均采用實(shí)體單元plane42 模擬,箱涵則采用二維梁?jiǎn)卧猙eam3 模擬。隧道的初支和二襯會(huì)減小隧道的豎向位移,為了使規(guī)律更加明顯,本次模擬忽略了隧道的初支和二襯,具體的計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

        表1 物理力學(xué)參數(shù)表

        根據(jù)圣維南原理,隧道周圍大于3~5 倍洞跨范圍外的圍巖受隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)很小[2]。因此,本文數(shù)值模擬模型的邊界尺寸為:上邊界距隧道拱頂為7 倍洞高,左右邊界距隧道拱腰均為7 倍隧道跨度,下邊界距開(kāi)挖洞底為4 倍洞高。通過(guò)殺死開(kāi)挖土體部分單元來(lái)模擬隧道的開(kāi)挖,并在后處理中輸出箱涵各單元的彎矩和軸力。

        3.3 模擬結(jié)果與分析

        對(duì)箱涵進(jìn)行內(nèi)力分析,包括彎矩分析、軸力分析和安全系數(shù)分析??紤]到箱涵最危險(xiǎn)的地方在4 個(gè)角點(diǎn)[3],因此,選取4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)力分析。

        3.3.1 箱涵彎矩分析

        箱涵的彎矩變化模擬結(jié)果如圖2 所示,隨著箱涵與隧道拱頂距離的增加,箱涵各個(gè)角點(diǎn)彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),這是因?yàn)榛靥钔了缮?、穩(wěn)定性差,加之箱涵尺寸較小,距離隧道很近時(shí)沉降很大,箱涵處于一種整體下沉的狀態(tài),變形很小,所以產(chǎn)生的彎矩很小。當(dāng)箱涵與隧道拱頂?shù)木嚯x為7.5 m時(shí),其彎矩分布如圖3 所示,各個(gè)角點(diǎn)的彎矩均大于其他點(diǎn),這是因?yàn)樵? 個(gè)角點(diǎn)處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而造成4 個(gè)角點(diǎn)的彎矩值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他點(diǎn)。

        圖2 不同豎向位置箱涵彎矩

        圖3 箱涵彎矩分布(單位:N/m)

        3.3.2 箱涵軸力分析

        箱涵的軸力變化模擬結(jié)果如圖4 所示,隨著箱涵與隧道拱頂距離的不斷增加,各點(diǎn)的軸力總體上呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì),但當(dāng)距離達(dá)到21.5 m 后,各點(diǎn)的軸力均出現(xiàn)了一個(gè)增加的過(guò)程,底板角點(diǎn)軸力的變化較大,頂板角點(diǎn)軸力的增量則較少。當(dāng)箱涵與隧道拱頂?shù)木嚯x為1 m 時(shí),其軸力分布如圖5 所示,箱涵頂板和底板各點(diǎn)的軸力分布比較平均,側(cè)板的軸力分布則是兩端大中間小,左側(cè)板的中部產(chǎn)生了部分拉力,但其值較小,不會(huì)造成箱涵受拉破壞。

        圖4 不同豎向位置箱涵軸力

        圖5 箱涵軸力分布(單位:N)

        3.3.3 箱涵安全系數(shù)分析

        參考相關(guān)規(guī)范,將排水箱涵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)取為1.2,箱涵安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖6 所示,當(dāng)箱涵距離隧道拱頂較近時(shí),箱涵的安全系數(shù)較大;隨著距離的增加,箱涵的安全系數(shù)不斷減小。當(dāng)距離超過(guò)7.5 m 后,曲線開(kāi)始保持穩(wěn)定,此時(shí)4 個(gè)角點(diǎn)的安全系數(shù)值最大為1.19,其他的遠(yuǎn)小于1.2,說(shuō)明結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生裂縫甚至破壞。當(dāng)距離超過(guò)20.5 m 后,安全系數(shù)開(kāi)始逐漸增大。當(dāng)箱涵離隧道拱頂?shù)木嚯x為14 m 時(shí),箱涵各點(diǎn)的安全系數(shù)分布如圖7 所示,箱涵4 個(gè)角點(diǎn)的安全系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他點(diǎn),各板中點(diǎn)的安全系數(shù)均是該板的最大值。

        圖6 不同豎向位置箱涵安全系數(shù)

        圖7 箱涵安全系數(shù)分布

        4 結(jié)論

        本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,分析了隧道開(kāi)挖對(duì)不同豎向位置箱涵的結(jié)構(gòu)受力影響規(guī)律,主要結(jié)論如下:

        1)隧道開(kāi)挖會(huì)造成箱涵的不均勻沉降,從而使箱涵產(chǎn)生內(nèi)力,但當(dāng)箱涵距離隧道拱頂較近時(shí),由于回填土松散、穩(wěn)定性差的性質(zhì),箱涵處于整體下沉的狀態(tài),產(chǎn)生的內(nèi)力較小。

        2)隨著箱涵與隧道拱頂距離的增加,箱涵各個(gè)角點(diǎn)的彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),軸力則呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢(shì)。

        3)隨著箱涵與隧道拱頂距離的增加,安全系數(shù)的值先減小后增大,當(dāng)箱涵與隧道拱頂?shù)木嚯x在7.5~20.5 m 時(shí),箱涵的安全系數(shù)小于1.2,結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生裂縫甚至破壞。

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