新建工程對既有下穿隧道影響的有限元模擬分析

王 濤

（保定市公路管理局， 河北 保定 071000）

0 引言

隨著國民經濟的發展， 高速公路的建設也得到了大力發展。 在高速公路建設的過程中， 難以避免的會遇到隧道工程， 也會出現要跨越原有公路或者鐵路的情況。 特別是在進入城市的入口處， 后期施工的建筑物與既有建筑物（尤其是地下管線隧道和地下鐵道） 的相遇更是不可避免[1]。 這樣對于后期施工的建筑物來說， 保證既有地下建筑物的安全使用就成為一個必須考慮的因素。 本文正是基于施工過程中經常遇到的這種情況， 以某加油站與某隧道為依托工程， 對既有隧道與后建加油站的相互作用進行分析研究， 評估既有隧道的安全性， 并提出相應的處治措施[2]。

1 項目背景

某原有隧道工程左線隧道長995m， 右線范圍隧道長980m， 埋深約為60m。 某新建加油站擬位于隧道左洞正上方， 長約72m， 寬約55m， 其平面位置如圖1所示。

圖1 加油站平面位置示意圖 （單位： m）

2 建立有限元模型

2.1 計算假設及依據

本次計算采用Ansys軟件進行三維數值模擬分析。 計算范圍內的巖體采用三維實體單元模擬； 隧道錨桿采用桿單元模擬[3]。 為了確保三維模型有足夠的計算精度， 本次計算對計算范圍進行了一定的限制， 如圖2所示。

圖2 模擬影響范圍示意圖 （單位： m）

2.2 計算參數

巖體力學參數見表1。 對于荷載取值， 根據《汽車加油加氣站設計與施工規范》[4]， 加油站等級為二級。 另外， 依據《建筑結構荷載規范》[5]， 建筑結構重量（單位面積） 取值約為16kN／m2。

表1 巖體力學參數

2.3 有限元模擬計算

有限元模擬計算基于初始地應力場 （重力荷載）、 隧道開挖、 施加加油站建筑荷載等過程進行，根據《公路隧道設計規范》 （JTG D70—2004）[6]， 在模擬開挖過程時， 隧道開挖和初期支護在相應邊界節點應力釋放60%， 施作二襯和仰拱完成后在相應邊界節點應力釋放40%。 數值模擬分5步進行， 具體見表2。

表2 模擬分析步驟

2.4 建立模型

為減小邊界效應， 保證計算的準確性， 模型尺寸為： 隧道中線右側取70m， 左線隧道左側取100m， 豎直向上取至地表， 地表至拱頂60m， 地表至下邊界120m。 計算模型示意圖如下圖3所示。 整個計算模型有限元網格共有167 089個單元， 節點總數為101 982個。

圖3 隧道洞門結構有限元模型

2.5 計算結果分析

加油站施工過程中， 地表沉降和初支應力最能反映隧道的穩定情況。 經計算， 整個施工過程中，各項參數變化情況見表3。

表3 加油站修建前后隧道主體結構變化表

經過以上數值模擬分析可以看出， 隧道上部修建加油站后， 地表最大位移和圍巖應力有細微變化， 但變化均在《公路隧道設計規范》[6]允許的范圍內。 因此從靜力分析的角度來看， 該加油站施工是完全穩定、 可行的。

3 結論

通過加油站工程對既有隧道影響的有限元計算， 可以得到如下結論：

（1） 隧道位移沉降和應力對比分析表明， 位移及各項應力均變化較大， 但總的位移和各支護內力都很小。 隧道處于安全狀態， 但是由于房屋建筑的施工會對隧道產生一定影響， 因此房屋基坑施工時應特別重視保護巖體完整性。

（2） 通過對擬建加油站修建后的隧道結構內力計算表明， 建筑物修建時隧道結構有一定的沉降和變形影響。 為了保證隧道的安全， 在工程施工影響范圍內的施工過程中， 要對此影響進行監測， 并根據監測結果指導加油站施工， 以實現信息化施工，從而確保該隧道的正常運營和結構安全。

[1] 林麗芬. 高層建筑群對其下既有隧道的影響分析[D]. 廣州： 華南理工大學， 2010.

[2] 王星. 城市地下隧道施工對臨近建筑物的影響及控制研究[D]. 長沙： 湖南大學， 2009.

[3] 丁一波， 楊威. 既有隧道與后建地下變電站的相互作用機理分析及處治措施[J]. 工程與技術，2011， （5）： 465-468.

[4] GB 50156—2012， 汽車加油加氣站設計與施工規范[S].

[5] GB 50009—2012， 建筑結構荷載規范[S].

[6] JTG D70—2004， 公路隧道設計規范[S].