新建隧道下穿既有高速公路施工力學行為分析

黃 強,王正明

(1.浙江省湖州市建工集團有限公司,浙江湖州 313000;2.中鐵四局,安徽合肥 230023)

新建隧道下穿既有高速公路施工力學行為分析

黃 強1,王正明2

(1.浙江省湖州市建工集團有限公司,浙江湖州 313000;2.中鐵四局,安徽合肥 230023)

通過對新建隧道下穿既有高速公路路面受力及變形分析可知,新建隧道下穿過程中,既有高速公路路面將產生較大的豎向下沉,路面底部處于較為不利的受力狀態,新建隧道上弧形開挖過程中路面將產生最大位移量。建議在施工中就上述部位及不利工況應重點監控,確保工程安全。

隧道; 下穿; 既有公路; 施工; 分析

隨著公路交通基礎設施的迅猛發展及公路、鐵路網的逐漸密集,新建隧道在既有公路臨近及其下部穿過的事例越來越多,特別是我國東部地區,由于經濟的快速發展,現有的公路網已不能滿足日益增加的車流量運輸要求,在此狀況下,越來越多的復線及連接線工程得以實施,下穿既有構筑物工程逐年增多,使得對于已運營的結構安全性評價越來越得到重視。

擬建的新隧道位于我國華東某改道工程線上,設計中道路等級為四車道一級公路,隧道內巖性單一,以花崗巖為主,巖性條件一般,設計中依據巖性條件將其劃分為Ⅲ ～Ⅴ級圍巖,隧道內構造不甚發育,受地質構造影響輕微。值得注意的是:隧道在K 9+100附近下穿已運營的高速公路,拱頂距離公路路面最薄處僅 7m左右,下穿地段主要位于強風化花崗巖中,巖體總體性狀較差,設計中將其列為Ⅴ級圍巖段,施工中采用管棚注漿超前支護配合分部開挖預留核心土方式掘進,考慮到已運營高速公路車流量較大,車型復雜,為保障施工期間既有公路的安全運營,對下穿段進行數值分析是很有必要的。

1 新建隧道下穿既有公路力學分析

1.1 計算依據及計算模型的確定

圖1 總體模型

根據新建隧道的實際形態,在綜合分析下穿既有高速公路平縱斷面圖及地質資料的基礎上,選擇最不利工況(拱頂距路面僅7 m)建立分析模型,模型建立時以該段地質參數、地形實態為依據(圖 1)。

考慮埋深較淺,計算中以自重應力場為主。模型建立時寬度方向(即x方向)由隧道中線位置向兩側各延伸 50m、高度方向(即y方向)取仰拱底部以下36m、拱頂以上取實際埋深。在模型的下邊界施加豎向約束;左、右邊界施加水平約束。根據隧道特點,采用平面應變分析[1],隧道圍巖材料特性按均質彈塑性考慮,采用Druck-Prager屈服準則,圍巖和二襯采用二維平面單元(p lane42),初期支護噴混凝土采用梁單元(beam3),對于設計中的錨桿及管棚超前加固,根據以往數值模擬經驗資料,擬對加固區采用提高圍巖材參數的方法來進行模擬[2、3]。計算按實際的開挖步驟進行如圖1所示。

1.2 計算參數的選取

計算參數是參考《工程地質勘查報告》的基礎上,結合《公路隧道設計規范》并綜合室內物理力學試驗資料按較低數值選取如表 1所示。需要說明的是對于表中圍巖管棚超前加固區及錨桿支護效果采用的是提高圍巖物理力學參數的方法來實現的,考慮到圍巖加固效果受諸多因素影響,鑒于目前國內外對于該方面研究資料也較為缺乏[4、5],故此,本次分析在參考已有資料的基礎上,對于預加固區圍巖參數提高一個級別;對于錨桿的支護效果,依據《公路隧道設計規范》(第9.2.5條文說明),只提高了加固區內聚力c值,提高幅度約 30%[6]。計算中模擬隧道開挖時,具體計算過程嚴格按照施工步驟進行,計算過程中,根據《公路隧道設計規范》,擬讓初支及圍巖承擔 40%,二襯承擔60%的圍巖壓力。

圖2 研究面拱頂及既有高速公路路面特征點

考慮計算的主要目的是為了研究在上述施工方案下既有高速公路的安全性狀況,計算中選取了特定研究面進行分析,網格劃分見圖 2所示。

1.3 計算結果分析

根據近接施工的研究分析表明,下穿高速公路過程中既有路面的沉降將是影響其正常使用功能的重要因素,基于此,本次分析重點對下穿過程中高速公路路面的沉降狀況進行探討。

1.3.1 位移分析

依據研究目的,獲得下穿過程中圍巖位移及其矢量如圖3所示,從圖中可以看出:

(1)隧道開挖后,拱頂將產生下沉,拱頂將產生隆起,最大下沉值達14mm,最大隆起量達30mm,量值較大;水平向均產生向隧道內的位移,收斂值達25.4mm。

(2)結合路面特征點沉降圖及拱頂深部圍巖豎向位移圖可以看出,隧道開挖過程中,既有公路路面將產生中間大,兩側小的“沉降槽”,路面最大沉降量發生在拱頂最上方,達16.4mm,拱頂深部位移隧道距離拱頂量值的增大,逐漸減小,但減小量不大。

(3)從各開挖步產生的位移量值來看,上弧形導坑開挖產生的沉降量最大,而后稍有回彈施工中應重點關注此施工步。

1.3.2 應力分析

根據分析,同時獲取了下穿時的圍巖及路面應力分布(圖6)。

從應力分布可以看出,隧道下穿過程中,最大、最小主應力均產生在既有公路路面,最大主應力產生在路面底部,承受拉應力,最大量值達0.85 MPa,最小主應力產生在路面頂部,承受壓應力,最大量值達2.51MPa,在此受力狀態下,路面底部可能產生受拉破壞,施工中建議重點監控。

圖3 隧道修建過程中位移及其矢量

圖4 既有高速公路路面特征點沉降

圖5 隧道拱頂深部圍巖特征點豎向位移(單位:mm)

圖6 主應力分布圖(單位:Pa)

2 結 論

通過上述計算可以看出,下穿過程中,既有高速公路路面將產生較大的豎向下沉,路面底部處于較為不利的受力狀態,上弧形開挖過程中將產生最大位移量。建議在施工中應重點監控。

[1] 潘昌實.隧道力學數值方法[M].北京:中國鐵道出版社,1995

[2] 關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京:人民交通出版社,2003

[3] 汪波,吳德興.弁山隧道不同加固方案下的力學行為研究[J].鐵道建筑,2007,(1):43-47

[4] 葛家良,陸士良.巷道錨注加固技術及其效果的研究[J].化工礦山技術,1997,26(2):13-16

[5] 張玉祥,陸士良.綜放回采巷道支護機理及實踐[J].礦山壓力與頂板管理,1997(3):86-88

[6] JTGD 70-2004公路隧道設計規范[S]

U455.49

B

2009-12-02

黃強(1974～),男,工程師,主要從事道路橋梁施工、設計工作。