隧道下穿對道路結構應力及沉降變形的影響研究

孫 堅,宋宏偉,王天春

(中國礦業大學力學與建筑工程學院,深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇 徐州 221116)

近年來,隨著人類對地下空間的不斷開發利用,在某些地區受既有建(構)筑物、地質條件的限制,使得新建隧道近距離穿越既有建(構)筑物的現象越來越多,高速公路、城市高等級道路建設是我國目前基礎設施建設的主要方面,隨著高速公路和城市高等級道路建設的日益增多,出現了大量的淺埋隧道與公路相交的情況,這就產生了隧道施工時既要保證施工安全,又對既有道路不產生破壞這一關鍵問題[1]。

隧道引起的過大的沉降會使路面結構不平整甚至造成破壞,不僅影響行車的舒適性,還給人們的生命安全帶來隱患,同時帶來了經濟上的損失。因此,解決隧道建設對地面道路結構影響問題很有必要。

目前在隧道穿越上部工程方面的研究主要是以現場監測手段為主,在施工過程中監測關鍵位置處的沉降及水平收斂位移值。我國隧道下穿公路時引起的路面沉降大多采用北京深圳地鐵等的經驗值3cm作為其控制標準值,由于測點布置有限,同時監測具有一定的滯后性,對于隧道開挖過程中的圍巖變形及公路路面沉降難以準確把握。另外,目前鐵路隧道穿越既有構筑物方面的分析計算以二維平面模擬為主,在計算中進行了不同程度的簡化,對隧道開挖過程中的三維空間效應考慮不足[2]。

本文通過建立三維數值模型,運用數值方法對隧道建設引起的道路應力變化和變形規律進行了探討和總結。

1 隧道施工對路面結構影響的分析工況

分析隧道下穿對道路結構的應力及沉降變形的影響,建立淺埋大斷面公路隧道垂直下穿既有高速公路模型,分析按照四種工況展開:

①隧道垂直開挖前且未加車道荷載;②隧道垂直開挖后且未加車道荷載;③隧道垂直開挖前且道路施加車道荷載;④隧道垂直開挖后且道路施加車道荷載。

2 數值分析模型與參數

2.1 分析模型

本文研究的是大斷面淺埋隧道對上方道路結構的應力及變形的影響,隧道圍巖為V級軟弱圍巖。模型尺寸確定如下:

(1)隧道尺寸

隧道斷面簡化為圓形,半徑10 m,屬于特大斷面,隧道埋深為10 m,屬于淺埋隧道[3]。

(2)模型尺寸

由于隧道的影響范圍一般為5倍的隧道半徑,故模型地層尺寸定為120 m×80 m×100 m(垂直于隧道方向水平×豎向×平行于隧道方向)。

(3)道路結構尺寸

模型中的道路為高速公路,雙向6車道,設計速度120 km/h,按照規范規定[4],路基寬度的一般值為34.50 m,故設道路頂面寬度為35 m,路基邊坡放坡坡度為1∶1.5,不考慮路拱橫坡。由于研究的是下穿隧道對道路的影響,故路基的填土高度只取到2 m。

道路結構尺寸如表1所示。

表1 道路結構尺寸

建立的三維模型及網格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 開挖前三維模型及劃分網格

圖2 開挖后三維模型

2.2 模型參數的確定

(1)地層力學參數

模型中巖層選用V級軟弱圍巖,其力學參數如表2所示。

表2 巖層力學參數

(2)道路力學參數

道路結構的力學參數如表3所示。為簡化模型,道路的路面結構將細粒瀝青混凝土和粗粒瀝青混凝土合作1層計算。

表3 道路結構力學參數

我國對高等級道路路面要驗算瀝青混凝土面層和整體性材料基層的拉應力,要求結構層底面的最大拉應力不大于結構層材料的容許拉應力,表示為:

式中:σR為路面結構層材料的容許拉應力(MPa);σsp為結構層材料的極限抗拉強度(MPa);Ks為抗拉強度結構系數:瀝青混凝土面層Ks=/Ac;無機結合料穩定集料類Ks=/Ac;無機結合穩定土類Ks=/Ac。其中:Aa為瀝青混合料級配的系數,細、中粒式混凝土為1.0,粗粒式瀝青混凝土為1.1;Ac為公路等級系數,高速公路、一級公路為1.0;Ne為設計年限內一個車道上累計當量軸次。

本模型中道路以中等交通等級為準,當量軸次Ne取107(次/車道)[5],計算各結構層的層底容許拉應力見表4。

表4 各結構層材料的容許拉應力

以上巖層及道路結構的模型均采用實體單元建模,地層與路基以及道路各層結構之間均使用glue命令粘連,使其之間受力及變形連續。

2.3 荷載及邊界條件

(1)荷載情況

本模型中高速公路考慮車輛荷載時采用車道荷載,其余均只考慮重力場作用。

車道荷載由均布荷載qk和集中荷載Pk組成,高速公路的汽車荷載等級為I級,按照規范計算,它的荷載標準值為均布荷載10.5 kN/m滿布于路面上,計算跨徑取隧道的直徑20 m,集中荷載的值為240 kN加在最不利位置即隧道頂部的路面中心(最大沉降位置)[6]。

(2)邊界約束條件

本模型將與隧道走向平行方向設為Z軸方向,與隧道走向水平垂直方向設為X方向,豎直方向為Y軸方向。模型的邊界約束條件為:

①巖層中平行于Y-Z平面的邊界面均加以X方向的約束;

②巖層中平行于X-Y平面的邊界面均加以Z方向的約束;

③巖層底邊界面加以Y方向的約束;

④隧道開挖面作為自由面處理;

⑤其它邊界面均為自由面。

本文在進行彈塑性計算時所采用的是Drucker-Prager模型[7]。D-P屈服條件為:

式中:I1為應力第一不變量,I1=σx+σy+σz;J2為應力偏量第二不變量,J2=[(σx-σy)2+(σyσz)2+(σz-σx)2]+++;a,K為與材料性質有關的常數。

3 隧道開挖對道路影響的規律分析

通過使用數值分析軟件對上述五種工況進行分析,所用軟件是ANSYS10.0,ANSYS在鋼結構和鋼筋混凝土房屋建筑、體育場館、橋梁、大壩、隧道以及地下建筑物等工程中有著廣泛的應用。可以對這些結構在各種外荷載條件下的受力、變形、穩定性及各種動力特性做出全面分析,ANSYS所采用的是有限元原理。本文中的模型單元均使用的是SOLID65實體單元,ANSYS的SOLID65單元是專門為混凝土、巖土等抗壓強度遠大于抗拉強度的非均勻材料開發的單元。

使用數值分析軟件分析所得出的本模型中隧道開挖對既有道路結構的影響規律如下:

3.1 隧道開挖對道路沉降的影響規律

將第一種情況,即隧道開挖前且未施加車道荷載時的豎向位移作為初始值,即沉降量為零,將其它四種情況的位移減去初始位移,即得到隧道開挖及施加車載引起的豎向位移,可以總結如圖3、圖4所示。

圖3 路面中線豎向位移匯總圖

圖4 隧道軸線上方路面橫向沉降位移匯總圖

根據圖3、圖4可以看出,在隧道垂直開挖后,道路的縱向在隧道開挖處附近發生了明顯的下沉,與Peck得出的沉降曲線相似[8],由于隧道附近的圍巖沉降量增大造成了擠壓,使較遠離隧道的路面發生了略微隆起,路面從與通過隧道中心的垂線成50°對應的位置開始下沉;道路的橫向由于與隧道走向平行,所以產生了均勻的下沉,道路中間的沉降量較兩側的沉降量略大,最大沉降量為2.1cm。在隧道和車載的共同作用下路面的最大沉降量達到2.5cm,產生在隧道軸線正上方對應的路面中心位置。

3.2 隧道開挖對道路結構的應力影響規律

通過在模型中的道路結構取出兩條路徑進行應力分析,一條是道路中線,另一條是距離道路邊緣3.5 m(右側硬路肩+右側路緣帶)的道路縱線,結果總結如圖5所示。

圖5 道路各層結構底部應力分布匯總

根據圖5(a)、(b)可以看出,在隧道垂直路面開挖后,隧道開挖處附近的道路結構的X方向的壓應力較大,道路各層結構的壓應力由下向上逐漸增大;在與隧道中心垂線成約40°的位置道路結構開始產生X方向的拉應力,在與隧道中心垂線成約50°的位置拉應力達到了最大值,道路兩側產生的X方向拉應力比道路中心的略大,道路各層結構的拉應力由下向上逐漸增大,面層的X方向最大拉應力為0.3135MPa,已接近其容許拉應力,隨著這種拉應力的長期存在以及車輛荷載的反復作用,產生拉應力較大的地方很可能會產生橫向裂縫或坑槽等病害。各層結構之間的X方向應力相差較大會使各層之間的摩擦力增大,可能會產生內部的裂縫,并隨著時間的推移裂縫會逐漸發展影響到路面。車道荷載作用下道路產生的X方向壓應力較加載前有所增加,對拉應力的影響不大。從圖6可以看出在隧道和車道荷載的共同作用下道路結構產生了明顯的受拉區。

圖6 工況模型道路各層結構最大主應力分布云圖

根據圖5(c)、(d)可以看出,在隧道開挖后,隧道軸線正上方的道路結構的Y方向壓應力減小,甚至在面層和基層產生了Y方向的拉應力,然后沿著X的正向和負向,壓應力逐漸增大,在與隧道中心垂線成約45°的位置達到最大值。道路兩側產生的Y方向應力比道路中間的略小,各層結構的Y方向應力由下向上逐漸減小。在施加車道荷載后,道路結構的Y方向壓應力較加載前增大,拉應力基本消失,在道路中線,施加集中荷載的位置產生了最大壓應力。

根據圖5(e)、(f)可以看出,在隧道開挖后,道路結構的Z方向應力主要為壓應力,隧道開挖處附近的道路結構產生Z方向的最大壓應力,然后沿著X的正向和負向,應力逐漸減小,在與隧道中心垂線成約50°的位置達到最小值。各層結構的Z方向壓應力由下向上逐漸增大,道路兩側的壓應力比道路中間的要小,在施加車道荷載后,道路各層的Z向壓應力略有增大。

綜合比較在隧道垂直開挖后道路結構X、Y、Z三個方向的應力,最大的壓應力和拉應力均產生在X方向,故增大了道路由于縱向應力過大而產生破壞的危險,縱向受壓破壞有可能會發生在隧道開挖處上方,縱向的受拉破壞可能會發生在與隧道中心垂線成40°～50°的位置,在本模型中即是與隧道中心在X方向水平距離25 m左右的范圍內,由于道路結構的抗拉強度遠小于抗壓強度,故很可能在受拉區產生橫向裂縫。

同時,通過分析可以看出當隧道上方道路結構的最大沉降達到2cm～3cm時,縱向的拉應力將會接近最大容許拉應力值,道路結構有產生破壞的可能,故也證明了在工程實踐中將沉降控制在3cm內是有道理的。

4 地表沉降控制方法

現有的在較大范圍內穩定地層的方法,也即在淺埋隧道中控制圍巖松弛,防止地表下沉的方法主要有:超前圍巖預注漿、凍結法、地表垂直錨桿法、水平高壓旋噴法、高壓噴射攪拌法、隔斷墻法、預襯砌法、管棚法等。其中最廣泛使用的是超前預注漿法,具有充填、固結、壓密作用,從而達到加固地層、封堵水源的目的。適用于軟弱圍巖及斷層破碎帶、自穩性能差的含水地質地段的加固。

通過使用增大圍巖彈性模量60%來模擬注漿加固的措施,模型模擬注漿后的計算分析結果表明在采取注漿加固措施后,隧道上方路面的最大沉降量為1.7cm,較注漿前減小了0.8cm,道路面層的最大拉應力為0.2183MPa,較注漿前減小了1/3,明顯小于了其容許拉應力,隧道開挖引起的道路結構的附加應力整體減小,降低了產生破壞的可能性。注漿加固對減小隧道開挖引起的沉降及附加應力有明顯的效果。

5 工程實例

為將模型的模擬與實際情況結合起來,以老鴉沖隧道淺埋穿越高速公路的實際工程為例[9],來討論使用數值模擬軟件計算出的結果與實際工程的差異。

老鴉沖隧道進口為V級圍巖,最小埋深3 m。隧道于DK79+940.5～DK79+996.5段與高速公路斜交,穿越長度達56 m,埋深約為11 m左右。高速公路該段為路堤,填土高度為2 m～12 m。通過對高速公路的不間斷沉降觀測,路面沉降最大為23mm,且沉降比較均勻。與數值模擬軟件計算出的沉降25mm相差不大,故使用數值模擬軟件計算出的相關應力變形結果是可以為實際工程提供一定參考作用的。

6 結 論

本文通過采用ANSYS軟件建立淺埋大斷面隧道下穿高速公路的有限元模型,分析其應力應變分布規律,并得出以下幾點主要結論:

(1)軟弱圍巖中的隧道開挖后,上方道路結構的應力應變發生很大變化,在隧道上方的路面沉降量增大,縱向形成沉降槽,在本模型中最大沉降量較開挖前增大2.1cm,較遠離隧道的路面發生了略微隆起。

隧道開挖后,隧道上方的道路結構產生了明顯的縱向拉應力,在約與通過隧道中心的垂線成40°的位置道路結構開始產生縱向拉應力,在約50°的位置拉應力達到了最大值,道路結構產生拉應力由下向上逐漸增大。當最大沉降接近3cm時,面層和基層產生的最大拉應力接近容許拉應力,沉降和拉應力的長期存在加上車輛的反復作用增大了道路結構產生破壞的可能。

(2)相對于隧道開挖產生的影響,車道荷載對道路結構的應力應變的影響并不大。在隧道和車載的共同作用下路面的最大沉降量達到2.5cm,產生在隧道軸線正上方對應的路面中心位置。

(3)注漿加固是減小隧道開挖引起的沉降及附加應力的常用且有效的方法。

(4)引用近年來的關于隧道下穿道路的工程實例,與數值模擬軟件的計算結果相比較,模擬出的隧道下穿引起的道路沉降與實際中的情況接近,說明本研究結果對實際相關工程具有一定參考價值。

[1]王志,杜守繼,張文波,等.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空間與工程學報,2009,5(3):531-535.

[2]張鵬,譚忠盛.淺埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制基準[J].北京交通大學學報(自然科學版),2008,32(4):137-140.

[3]陳秋南.隧道工程[M].北京:機械工程出版社,2008.

[5]中交公路規劃設計院.JTG D50-2006.公路瀝青路面設計規范[S].北京:人民交通出版社,2006:5-7.

[6]中交公路規劃設計院.JTG D60-2004.公路橋涵設計通用規范[S].北京:人民交通出版社,2004:23-24.

[7]張四全.有限元建模在隧道圍巖穩定性評價中的應用研究[D].長沙:中南大學,2007:27-29.

[8]Peck R B.Deep excavation sand tunneling in soft ground[C]//Proc of the 7th Int.Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering.State of the art volume.Sociedad Mexican de Mecanica de Suelos,A.C.,1969:225-290.

[9]賀建端.老鴉沖隧道淺埋穿越高速公路施工[J].隧道建設,2006,26(5):50-52.