隧道修復方案中結構安全性的有限元分析方法

邵義琴，葉雅圖，史海歐，王 建

(1.廣東工業大學，廣州 510006;2.廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510000)

0 引言

某大橋在施工某墩臺之間時，采用先梁后拱的方法利用PHC打入樁作為特大橋橋梁的輔助樁基進行施工。PHC樁在施工過程中打入了已建成的某軌道交通盾構隧道內，為了明確在進行隧洞內修補時所加固的措施能確保施工安全，采用ANSYS和PLAXIS軟件進行分析。在前人對地鐵隧道修復的相關工程項目中:文獻［1］以上海地鐵4號線董家渡段隧道修復基坑降水為例，建立基坑降水三維滲透模型，采用有限差分數值模擬方法;文獻［2］介紹了在盾構隧道的修復中隔離損壞段和完好段的聯系，在隧道損壞段和完好段分界處進行垂直凍結形成凍土帷幕并進行監測和分析;文獻［3］通過地鐵隧道損壞后的修復清理施工，設置垂直冰凍封堵墻后采用常壓法進行隧道內修復;文獻［4］對本案隧道修復詳細提出了不同的修復原則和措施，給出4種修復方案，并經過方案比選，確定各方案的優缺點。而本文是在具體的修復方案之前進行隧道修復結構安全性有限元分析，對修復方案的選擇是一個好的參考。

1 工程概況

某特大橋在施工217—218號墩臺之間時，采用先梁后拱的方法利用PHC打入樁作為特大橋橋梁的輔助樁基進行施工。PHC樁在施工過程中打入了已建成的某地盾構隧道內。其中上行線有5根樁從盾構隧道頂打入，并造成了土體坍塌，堵塞隧道。下行線1根樁打入隧道，土體部分塌落但未造成隧道堵塞。

受損隧道埋深約14m，線間距12.4m，上行線5根樁間距4m，打入511—525號管片環之間，隧道內土堆堵塞范圍約為42m，下行線打穿管片為510環，同排其余4根樁未打入隧道，但造成管片裂縫。

2 隧道受損情況

經過調查分析，上行線隧道損傷主要集中于510—530環內，其中512—528環全部被泥土堆積，具體情況見圖1。

根據從地表對打入上行線隧道的5根PC樁樁底探摸結果顯示:20號PC樁貫通穿透隧道底板，16，17，19號樁穿透隧道頂板，18號樁可能在隧道頂部上方斷裂。據此判斷:隧道511環被20號管樁打穿上方及擊穿底部;510—512環的隧道管片沒有塌陷;19號樁擊穿隧道管片，且正處于管片連接處，引起514環管片塌陷，導致土方塌落;結合18號樁斷裂情況看，516—518環的隧道頂部連接塊沒有塌陷;520—524環的隧道頂側偏下部處的管片塌陷，導致泥土塌陷進隧道內，頂部連接塊沒有塌陷，526環沒有塌陷。

圖1 隧道破損照片Fig.1 Picture of tunnel damage

下行線隧道影響范圍為504—525環，損壞位置為510—525環，其中510環處1根PC樁貫穿隧道頂部直到隧道底板，經清除泥土后查看，PC樁未貫穿底板;其他有4處隧道側頂部混凝土管片受到沖擊，沖擊部位管片破損，有滲水現象。

3 地質情況

工程地處長江三角洲平原區，場地地基土均為第四紀松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，成層分布。根據初步地質資料，破損段隧道結構上方主要為⑤1－1灰色黏土層，隧道洞身基本在⑥1暗綠色粉質黏土層和⑥2草黃色黏質粉土夾粉質黏土，具體情況見圖2。

圖2 工程地質Fig.2 Engineering geology

4 有限元模型建立方案及分析

4.1 分析思路

隧道修復可采用地面明挖及洞內暗挖。前者安全性高，能按原設計標準完全修復，但對特大橋或隧道工期不利，不予考慮;后者為暗挖作業，施工難度高，風險大，須對其實施過程進行周密的計算分析以驗證其可行性。

對于本工程，由于缺乏相應的現場實驗手段，為此只能通過對過往工程經驗、多種計算手段的橫向比較及相互印記的方式進行評估。評估流程見圖3。

圖3 評估流程Fig.3 Assessment procedure

計算以有限元的整體分析為核心，著重分析在空間的整體作用下，拆除管片時是否存在土體坍塌的安全隱患，為此采用生死單元［5］的手段以模擬管片拆卸的過程。ANSYS或PLAXIS的模型參數均嚴格按補勘地質參數進行設定，但隧道坍塌范圍受擾動土體的參數按照地質報告提供的數據降低30%取用，旋噴加固土體的土體強度取1MPa，黏聚力為140kPa，內摩擦角為25°。

對模型的本構分2種方式進行:鋼筋混凝土管片采用線彈性體的本構模型［6］;土層采用擴展DP模型(ANSYS)和MC模型(PLAXIS)［7］。

4.2 旋噴加固三維ANSYS有限元分析

具體參數如下:

1)單元為Solid92。

2)混凝土本構模型為線彈性體模型。

3)巖土本構模型為擴展DP模型。

4)巖土參數遵照相關規范、規定選取。

分析如圖4—7所示。

圖4 ANSYS整體有限元模型Fig.4 Finite element model of ANSYS

土加固體范圍為隧道拱頂以上6m、左右各外擴3 m、拱底以下4 m時，計算結果參見圖7，此時開孔處最大沉降為15.293 mm，開孔處拉應力為11.629～69.006 kPa，土體基本穩定。

4.3 旋噴加固三維PLAXIS有限元分析

具體參數如下:

1)單元為15－Node Wedge Element。

2)土層本構關系為Mohr-Coulomb。

3)管片本構關系為Linear-Elastic。

4)拱底以上土層參數考慮30%強度折減，拱底以下按原狀土參數選取，加固區等效為單軸抗壓強度1 MPa水泥土，仍采用Mohr-Coulomb本構。

分析如圖8—14所示。

由圖10知:看塑性區分布，加固體內未出現剪切破壞，加固體穩定。

拆除同一環管片關鍵塊之前之后，計算結果并對比圖11，此時隧道拱頂最大沉降均約為13mm，拱底最大隆起均約為7 mm，管片的拆換基本對地層沉降變化沒有影響。

拆除拱底標準塊時，計算結果并對比圖12，此時拱底土層向隧道內隆起約50 mm，能確保安全。

進一步擴大管片一次拆除范圍為5 m×3.6 m，計算結果并參考圖13和圖14，此時地層沉降沒有大的變化，但塑性區向旋噴樁加固體內發展。

4.4 計算結果的橫向比較

計算結果的橫向比較主要采用PLAXIS進行，計算模型的建立與整體有限元類似，其參數均嚴格按照實際情況選取，管片鋼筋混凝土及巖土本構則分別按線彈性體和MC模型，相關計算模型和分析結果如圖15—21所示。

通過以上分析可知，平面和整體有限元計算模型的結果基本一致，整體有限元計算結果有效。

5 結論

1)在事故發生3個月后，決定采用凍結加固暗挖方案對隧道進行修復，該方案施工安全但工期較長，對鄰近隧道基本無影響，隧道修復效果好且造價較低，實際修復過程順利，有限元分析結果與現場實際情況較為相符。

2)采用多種有限元計算方式相互印證的做法，能在較大程度上明確計算模型的正確性，輔以經驗判斷，可達到準確預測土體沉降規律，并指導施工。

3)土加固體范圍為隧道拱頂以上6 m、左右各外擴3 m、拱底以下4 m時，管片上部1/4處開孔，土體基本穩定，加固體內未出現剪切破壞，加固體穩定。

4)管片主應力能為一般鋼筋混凝土管片所承受。經土體加固后，管片的拆換基本對地層沉降變化沒有影響;拆除拱底標準塊時，亦不會發生大規模土體涌入隧道的情況，能確保安全;進一步擴大管片一次拆除范圍為5 m×3.6 m，此時地層沉降沒有大的變化，但塑性區向旋噴樁加固體內發展。

5)隧道破損后的修復，在經過適當的土體加固后，可以具備洞內暗挖作業的條件。

［1］ 駱祖江，張月萍，劉金寶.復雜巨厚第四紀松散沉積層地區深基坑降水三維滲流場數值模擬——以上海地鐵4#線董家渡段隧道修復基坑降水為例［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(S1):2928－2934.(LUO Zujiang，ZAHGN Yueping，LIU Jinbao.Three-dimensional seepage numerical simulation of deep foundation pit dewatering in complicated quaternary loose sediments with great thickness——a case study of dewatering reconstructed foundation pit at Dongjiadu subway of the 4th line in Shanghai［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(S1):2928－2934.(in Chinese))

［2］ 陳弢，胡向東.盾構隧道修復工程中的垂直凍結加固應用［J］.合肥工業大學學報:自然科學版，2009，32(10):1543－1546.(CHEN Tao，HU Xiangdong.Application of vertically freezing reinforcement in recovery work of a shield tunnel［J］.Journal of Hefei University of Technology:Natural Science，2009，32(10):1543－1546.(in Chinese))

［3］ 付軍，杜峰.地鐵隧道修復施工技術綜述［J］.地下空間與工程學報，2007(4):708－715.(FU Jun，DU Feng.Review of Metro tunnel repairing technology［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007(4):708－715.(in Chinese))

［4］ 成志勇.上海地鐵11號線支線隧道修復工程探討［J］.甘肅科技，2010，26(4):148－149.

［5］ ANSYS Inc..ANSYS advanced analysis techniques guide［EB/OL］.(2010－01－21)［2010－12－01］http:// www.doc88.com/p－69616076131.html.

［6］ 張學言.巖土塑性力學［M］.北京:人民交通出版社，1993:60－64.

［7］ 沈珠江.摩爾－庫倫材料的屈服理論［J］.水利水運工程學報，1981(2):1－9.(SHEN Zhujiang.A yield theory for Mohr-Coulomb materials［J］.Hydro-Science and Engineering，1981(2):1－9(in Chinese))