呂 利,孫 波,譚 彩

(1.水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢(廣州)有限公司,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術(shù)中心,廣東 廣州 510611;3.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510635;4.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,廣東 廣州 510635)

水工隧洞是重要輸水建筑物,在埋深較大、圍巖完整性較好的區(qū)域,主要依靠圍巖承受大部分山巖壓力;在埋深較淺、圍巖破碎的松散介質(zhì)體區(qū)域,由襯砌承受外部荷載[1-3]。在隧洞上方進(jìn)行路堤填筑,將改變圍巖受力狀況,引起圍巖應(yīng)力重分布,導(dǎo)致襯砌所受力增大,影響襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4-8]。由于填方引起的圍巖應(yīng)力變化機(jī)理較為復(fù)雜,不能采用普氏理論及松散介質(zhì)理論對襯砌所受壓力進(jìn)行計算分析,因此需用有限元數(shù)值模擬方法對襯砌結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行定量計算,提出襯砌的減載方案,并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通常將2.5倍塌落拱高度作為判斷隧洞深埋和淺埋的臨界深度,當(dāng)埋深小于2.5倍塌落拱高度則稱為淺埋隧洞,反之則定義為深埋隧洞。對于深埋隧洞,在圍巖可灌性較好的區(qū)域,采用固結(jié)灌漿法對隧洞周邊的圍巖進(jìn)行加固處理,可以提高圍巖的整體彈性模量,減小襯砌所受山巖壓力[9-11];對于淺埋隧洞,在隧洞頂部設(shè)置加筋沉降區(qū),利用隧洞頂部土體與周邊土體的不均勻沉降,在隧洞頂部產(chǎn)生土拱效應(yīng),可達(dá)到減小隧洞頂部荷載的效果[12-15]。但在具有一定埋深深度、可灌性較差的圍巖情況下,采用以上2種方法均難以達(dá)到有效的減載效果。本文提出一種沿隧洞軸向兩側(cè)一定范圍內(nèi)設(shè)置若干排灌注樁的新型隧洞減載方法,利用樁體將上部荷載傳遞至下部基巖,進(jìn)而實現(xiàn)隧洞減載效果,可為類似工程提供借鑒。

1 計算模型

1.1 計算原理

有限元把求解區(qū)域看作由許多小的在節(jié)點(diǎn)處相互連接的單元(子域)所構(gòu)成,其模型給出基本方程的分片(子域)近似解,由于單元(子域)可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸,所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件。

混凝土和巖土體均為彈塑性材料,按彈塑性增量理論進(jìn)行計算。塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為:

{dσ}=[Dep]{dε}

(1)

其中,

(2)

對物理非線性問題,通常采用分段線性化的純增量法和逐次迭代的方法求解。即將加載過程分成若干個增量步,選擇其中任意一個增量步建立它的增量平衡方程并求解。

按照材料力學(xué)應(yīng)力計算公式進(jìn)行驗算,考慮混凝土受拉作用時,素混凝土襯砌內(nèi)外截面的邊緣應(yīng)力按式(3)、(4)驗算:

(3)

(4)

式中δ1、δ2——素混凝土外、內(nèi)所受應(yīng)力;N——軸向力;M——構(gòu)件所受彎矩;b——截面寬度;h——截面的厚度;W——截面抵抗矩;F——襯砌截面面積。

素混凝土截面邊緣應(yīng)力應(yīng)滿足式(5)、(6)要求:

(5)

(6)

式中K——安全系數(shù),取值1.7;fc——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值;ft——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值;γm——截面抵抗矩塑性系數(shù),取1.55。

1.2 網(wǎng)格模型

計算模型選取高速公路填方與隧洞交叉段,隧洞樁號范圍K9+951—K10+049,隧洞原埋深為6 m,高速公路路基高約10 m,公路走向與隧洞軸線走向近乎垂直。公路路面寬度24 m,坡度為1.00∶1.75,在路堤高度5 m處設(shè)置2 m寬的平臺。出露的巖層從隧洞進(jìn)口至出口主要有太古代的花崗片麻巖;古生代的石灰?guī)r和灰頁巖互層;中生代的砂巖、頁巖及砂頁巖互層;中生代末新生代的次玄武巖和火山碎屑巖類。高速公路填方與隧洞交叉段巖層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖層,層厚14.5 m,下部中風(fēng)化砂巖層計算厚度取20 m。隧洞為無壓城門洞型,采用C25素混凝土澆筑,隧洞襯砌邊墻高3 m,頂拱半徑1.5 m,邊墻和頂拱混凝土厚度為0.3 m,底板厚度為0.4 m。隧洞兩側(cè)灌注樁直徑為1 m,灌注樁連續(xù)成墻,長度為22 m,深入中風(fēng)化砂巖7.5 m,在計算模型中簡化為地連墻。施工時,先在隧洞兩側(cè)設(shè)計位置實施鉆孔灌注樁施工,當(dāng)有多排灌注樁時先完成中間位置灌注樁施工,而后逐漸向兩邊施工,灌注樁實施完成后根據(jù)相關(guān)規(guī)范對其進(jìn)行檢測,檢測合格后逐層填筑路堤。

為分析樁體排數(shù)對隧洞減載效果的影響,控制樁體間距和樁體彈性模量不變,分別計算樁體排數(shù)為1、2、3、4、5、6排時隧洞變形和應(yīng)力的演變規(guī)律;為分析樁體彈性模量對隧洞減載效果的影響,控制樁體間距和樁體數(shù)量不變,分別計算樁體彈性模量為25.5、28.0、30.0、31.5 GPa時隧洞變形和應(yīng)力的演變規(guī)律;為分析樁體間間距對隧洞減載效果的影響,控制樁體數(shù)量和樁體彈性模量不變,分別計算樁體間距為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m時隧洞變形和應(yīng)力的演變規(guī)律。有隧洞襯砌用板單元模擬,其余材料采用三維實體單元模擬,有限元計算模型垂直于隧洞軸線走向方向計算長度取83 m,沿隧洞軸線走向取計算長度為98 m。計算網(wǎng)格模型見圖1,計算節(jié)點(diǎn)數(shù)115 014個,計算單元數(shù)單元159 566個。

a)三維計算模型網(wǎng)格

在隧洞樁號10+000、9+971處分別設(shè)置1、2號2個監(jiān)測斷面。每個監(jiān)測斷面在襯砌頂拱、拱腰、邊墻、底板、邊墻與底板連接點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn),見圖2。

a)1號斷面 b)2號斷面圖2 監(jiān)測斷面監(jiān)測點(diǎn)位布置(mm)

1.3 參數(shù)設(shè)置

計算采用Midas有限元軟件,計算模型物理力學(xué)參數(shù)見表1,三維實體單元服從摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,隧洞襯砌結(jié)構(gòu)服從彈性強(qiáng)度準(zhǔn)則。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2 路堤填方對下覆隧洞襯砌的影響分析

2.1 襯砌的豎向變形分析

圖3為路堤填方引起的地基表面的沉降云圖。從圖中可知,路堤填筑完畢后,路堤下部地基發(fā)生了不同程度的沉降,其中路堤中部下的地面最大沉降量最大,達(dá)到了10.26 cm。圖4為隧洞襯砌的變形云圖。從圖中可知,路堤填方對隧洞襯砌變形影響較為明顯,樁號10+000斷面的襯砌變形量達(dá)到了5.45 cm,襯砌結(jié)構(gòu)變形較大。

圖3 路堤填方引起地基沉降

圖4 路堤填方引起隧洞襯砌變形

2.2 襯砌的應(yīng)力分析

圖5、6分別為路堤填方前、后隧洞襯砌軸力云圖。從圖中可知,填方前隧洞襯砌所受應(yīng)力均為壓力,最大壓力值為99 kN,出現(xiàn)在拱腰位置;填方后隧洞襯砌所受拉力和壓力都大幅增加,在樁號10+000附近,襯砌頂拱和拱腰部分依然受壓,但邊墻底部開始出現(xiàn)拉力,最大值達(dá)到了2 510.89 kN。

圖5 填方前隧洞襯砌軸力

圖6 填方后隧洞襯砌軸力

圖7、8分別為路堤填方前、后隧洞襯砌彎矩云圖。從圖中可知,路堤填筑前隧洞襯砌的最大正彎矩為16.32 kN·m,出現(xiàn)在底板中部;最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在邊墻與底板交接處,最大值為46.87 kN·m。填筑結(jié)束后,路堤下方隧洞段的襯砌彎矩大幅增加,頂拱和拱腰位置處的最大正彎矩達(dá)到了51.83 kN·m,邊墻和底板交接處的負(fù)彎矩值增長到120.67 kN·m。

圖7 填方前隧洞襯砌彎矩

圖8 填方后隧洞襯砌彎矩

2.3 填方后襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

將路堤前后各個監(jiān)測點(diǎn)變形及受力情況統(tǒng)計見表2。從表中可以看出,填筑前隧洞結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài),路堤填筑對隧洞襯砌的變形與受力影響較大。其中,監(jiān)測斷面1號附近的襯砌,頂拱的變形量為5.45 cm,監(jiān)測點(diǎn)1-3、1-4、1-5、2-4處的拉應(yīng)力值均已超過材料的最大受拉允許值,襯砌結(jié)構(gòu)易由此被拉裂。

表2 填方前后襯砌變形及受力

3 減載效果敏感性分析

3.1 樁體設(shè)置范圍對減載效果的影響

監(jiān)測點(diǎn)1-1處的變形隨樁體排數(shù)變化規(guī)律見圖9,監(jiān)測點(diǎn)1-4、1-5處的拉應(yīng)力變化隨樁體排數(shù)變化規(guī)律見圖10。從圖9中可知,隨著灌注樁排數(shù)的增加,監(jiān)測點(diǎn)1-1的豎向變形不斷減小,當(dāng)灌注樁排數(shù)大于4排后,監(jiān)測點(diǎn)變形量穩(wěn)定在1.62 cm。從圖10中可知,監(jiān)測點(diǎn)1-4、1-5的拉應(yīng)力隨著灌注樁排數(shù)的增加逐漸降低,而壓應(yīng)力不斷增加,當(dāng)灌注樁排數(shù)大于4排后,監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。因此,在隧洞兩側(cè)10 m范圍內(nèi)加固,較為合理。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)1-1處變形隨樁體排數(shù)變化規(guī)律

圖10 監(jiān)測點(diǎn)1-1處應(yīng)力隨樁體排數(shù)變化規(guī)律

3.2 樁體彈性模量對減載效果的影響

圖11為不同樁體彈性模量對隧洞減載效果的影響。從圖中可以看出,增加樁體彈性模量對減小隧洞變形基本沒有影響。隨著樁體彈性模量的增大,監(jiān)測點(diǎn)1-4、1-5處的應(yīng)力改變也十分有限,因此,在計算的樁體彈模范圍內(nèi)改變樁體彈性模量對隧洞減載沒有明顯效果。

a)變形

3.3 樁體間距對減載效果的影響

從圖12中可以看出,樁間距對隧洞減載效果有一定影響,隨著樁間距的增加,襯砌頂拱變形不斷加大,監(jiān)測點(diǎn)1-4、1-5處襯砌所受拉應(yīng)力有所增加,所受壓應(yīng)力有所減小。當(dāng)樁間距大于3 m時,監(jiān)測點(diǎn)1-1處的變形增大幅度變大。因此,樁間距設(shè)置為3 m較為適宜。

a)變形

4 結(jié)論

a)路堤填方對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)有較大影響,直接填筑路堤將導(dǎo)致輸水隧洞破壞,在隧洞兩側(cè)一定范圍內(nèi)設(shè)置灌注樁,可以有效減小隧洞襯砌頂拱的變形,改善襯砌的應(yīng)力狀況,具有明顯的減載效果。

b)路堤填筑導(dǎo)致輸水隧洞最大變形位于襯砌頂拱附近,而最大應(yīng)力通常位于側(cè)墻與底板交界位置。

c)灌注樁彈性模量對減載效果影響不大,樁體排數(shù)和樁間距對減載效果影響較大,適當(dāng)增大樁間距,可以提高工程的經(jīng)濟(jì)性,但過大的樁間距會影響減載效果,對于本工程樁間距3 m較優(yōu)。