近接樁基的朝天門隧道二次襯砌安全分析

邱紅勝，李燦

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)*

近接樁基的朝天門隧道二次襯砌安全分析

邱紅勝，李燦

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)*

為研究淺埋隧道下穿嵌巖樁后，在不同樁位及樁荷載逐級增加的情況下，隧道二次襯砌的安全系數影響規律，以重慶朝天門隧道為研究對象建立模型.采用ANSYS有限元軟件模擬隧道施工過程以及隧道上方建筑加層，計算了在不同樁位及樁荷載增加情況下的二次襯砌安全系數.結果表明：8#樁所在斷面，在理想圍巖條件下，計算安全系數為8.89，滿足安全要求；樁在隧洞中心兩倍隧洞半徑范圍內時，最小安全系數對樁荷載增加極度敏感，對水平距離的減小敏感，不利于二次襯砌的安全性，表明朝天門隧道上方建筑物應該盡量避免加層，或應對該范圍內的樁基進行托換.

朝天門隧道；二次襯砌；安全分析；嵌巖樁；淺埋隧道

0 引言

近年來，國家重點推進西部城市建設.隧道建設作為重慶市交通發展的關鍵，將不可避免接近或下穿地表建筑物.高層建筑大多采用樁基礎，所以必然遇到樁荷載作用下隧道穿行的問題，甚至隧道建成后，樁荷載加載對隧道結構影響的難題.針對樁-地層-結構模型的研究，于晨均，朱逢斌等和張永興等人主要研究了隧道施工對于隧洞上方已有樁基的影響[1- 4]；王成和邱陳瑜等人通過使用有限元強度折減法，重點研究了在不同樁位和不同樁荷載作用下，圍巖地層安全系數的變化規律，卻沒有考慮隧道開挖施工影響，以及樁荷載加載對于襯砌安全性的影響[5- 6].鄒育麟等人整理并分析了隧道襯砌裂縫形成的原因，其中縱向裂縫主要是由圍巖應力和位移變化而導致[7].在王華牢和王亞瓊等人的研究中，當襯砌結構出現損傷后，襯砌結構特征截面安全系數急劇降低[8- 9].二次襯砌作為隧道安全和防水的最后防線，若因襯砌裂縫而使其整體性遭到破壞，結構安全性大幅降低，襯砌結構承載能力減弱，隧道結構使用壽命縮短.

在樁-地層-結構模型的研究中，針對隧道結構安全性的研究較少，特別是隧道建成之后樁荷載增加的情況.針對現有研究的不足，本文以重慶朝天門隧道K4+916.5為研究背景.考慮嵌巖樁體與隧洞拱頂的不同位置關系，隧道建成后，逐級增加樁荷載，以研究其對二次襯砌安全系數的影響規律.

1 安全系數

一般地，將安全系數的計算結果[11]用于實際工程的設計，并以此對隧道二次襯砌結構進行安全性評估.

根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)的規定(以下簡稱《規范》)，對二次襯砌結構安全系數進行計算.混凝土構件的安全系數根據偏心距e=M/N和0.2h之間的關系，按不同公式計算.

e≤0.2h時，構件安全系數按受壓控制計算，采用公式：

(1)

式中,K為計算安全系數；N為軸向力(kN)；b為截面寬度(m)；h為截面厚度(m)；φ為構件縱向彎曲系數；α為軸向力偏心影響系數，按α=1-1.5e0/h取用；Ra為混凝土或砌體極限抗壓強度.

e>0.2h時，構件安全系數按受拉控制計算，采用公式：

(2)

式中,Rl為混凝土抗拉極限強度；其余同上.

對于混凝土結構，在永久荷載和基本可變荷載的荷載組合下，抗壓極限強度安全系數控制值為[K]=2.4，抗拉極限強度安全系數控制值為[K]=3.6.K≥[K]時，結構滿足安全系數要求.

2 二次襯砌安全分析的有限元法

2.1 工程背景

在朝天門隧道中，35層大廈所在隧道段為大正段.隧洞采用直墻高為1.75m半圓半徑為5.85m的拱形結構，拱頂距離地面10m，為淺埋隧道.大正段內，拱圈上方分布嵌巖樁22根，隧道支護結構為復合式襯砌.初支：噴射混凝土5cm厚，采用間距為1.2m長為6m的Φ32mm麥迪式錨桿和間距1.0m長3m的Φ22mm藥包錨桿，以及間距0.5m的I20a型鋼拱架；二次襯砌：厚度為60cm的C25模筑素混凝土[12]，根據《規范》，其對應抗壓和抗拉強度極限值分別為Ra=19MPa，Rl=2MPa.隧洞施工通過大正段時，大廈已建至第18層，其后大廈停止施工，直到隧道通過并竣工，大廈恢復施工并建至第35層[13]；半年后，發現70余條縱橫向及斜裂縫，煤炭科學研究院總院重慶分院于2000年1月中旬發現位于K4+916及K4+925處存在多處縱向裂縫，集中在拱頂和拱腰，并進行了注漿加固.2008年9月檢查發現朝天門隧道存在裂縫將近100處，縱向裂縫將近占一半，因此有必要進行安全分析[14].

2.2 計算條件

2.2.1 巖體與結構參數

通過工程勘察試驗得到巖塊的相關參數，參照《重慶工程地質勘察規范》(DB50/5005-98)，將巖塊參數折減為巖體參數.大正段為砂巖和砂質泥巖，根據圍巖分級，分別對應Ⅲ級和Ⅳ級圍巖；結構參數選用依照《規范》，錨桿加固圈范圍取為3m，按照經驗取將地層圍巖參數的彈性模量和粘聚力分別增強3倍[15],參數詳見表1.

表1 圍巖及結構力學參數

2.2.2 有限元模型

在計算模型中，地層采用ANSYS的Drucker-Prager理想彈塑性本構關系.參考共同作用模型[10]理論，巖層選用PLANE42單元，襯砌結構(如圖1)選用BEAM3單元，通過鏈桿單元傳導兩者之間力的作用，建立平面模型.邊界條件：取左右及向下10倍隧洞半徑，向上取到地表；上部為自由邊界，底部為固定約束，左右兩側為水平約束.通過計算得到二次襯砌結構內力，并利用式(1),(2)計算得出襯砌的安全系數.

圖1 二次襯砌截面位置

2.2.3 工況模擬及計算方案

本文中選取8#樁體K4+916.5所在斷面進行計算，該斷面樁底距離拱頂約7m，樁底面寬度為2m，單樁最大荷載為19 840kN.有研究表明，平面應變方法解決三維空間問題時，樁荷載取用實際荷載的2/3，采用集中力作用在樁中部[6].考慮大廈施工材料堆積，在樁上作用11 000kN的初始豎向作用力，并施加重力加速度，以模擬隧道開挖前地層的初始應力場.考慮鋼拱架的作用，按照[15]中的等效，初襯厚度采用20cm，二次襯砌結構厚度為60cm進行計算.再運用ANSYS中單元的殺死和激活功能，模擬隧洞的開挖和支護結構的施作，隧道釋放系數按文獻[14]中的經驗取為0.35.激活支護后，再對樁豎向加載求解.

計算方案：Ⅲ級圍巖下，以3 000kN為一級，加載9級達到38 000kN；Ⅳ級圍巖下，以1 000kN為一級，加載9級，達到20 000kN.變化樁和拱頂位置的水平距離D和垂直距離H，其中D為0、3、6、8.5和12.5m；H為5、6、7和8m.每種圍巖條件下計算20個樁位，具體計算方案位置參考圖2.

圖2 樁與隧道位置關系

3 結果與分析

3.1 8#樁體斷面計算與分析

在8#樁體斷面，D=0，H=7，樁荷載由11 000kN逐步增大到20 000kN時.在Ⅲ級圍巖條件下，計算得到二次襯砌結構內力，如圖3，圖4；Ⅳ級圍巖條件下，二次襯砌結構內力，如圖5，圖6(以下各圖單位均以N及N·m計).

圖3 Ⅲ級圍巖二次襯砌軸力

圖4 Ⅲ級圍巖二次襯砌彎矩

圖5 Ⅳ級圍巖二次襯砌軸力

圖6 Ⅳ級圍巖二次襯砌彎矩

根據計算內力圖，兩種圍巖條件下，隧道二次襯砌拱腰、拱頂的軸力和彎矩均較大，且Ⅳ級圍巖下較Ⅲ級圍巖下大.曲墻軸力較大，但是彎矩較小.該計算條件下，安全系數最小位置均在拱頂位置，且均為受拉控制.Ⅲ級圍巖下，最小安全系數為8.9；Ⅳ級圍巖下，最小安全系數僅為1.2，拱腰處受拉控制，安全系數較小為4.3.

根據地層資料，8#樁體所在斷面地層以砂巖為主，存在與砂質泥巖互層的情況，且經檢測，該斷面處圍巖裂隙為弱活動性水平.而計算為圍巖整體性完好的理想條件下的結果，根據計算所得，拱頂位置安全系數最小，這與大廈竣工半年后，在該斷面處拱頂位置出現縱向貫穿裂縫對應；另外經計算得，Ⅲ級圍巖下拱頂豎向位移為5.7mm，而實際工程監測值為6.1mm，相差僅為0.4mm，故可按該模型計算.

3.2 不同樁位對安全系數的影響

(1)水平方向距離變化

H=7時，變化樁中心距離拱頂中心線水平距離，兩種不同圍巖條件下，每一級加載對應的截面最小安全系數所得曲線為圖7和圖8，不同水平位置時最小安全系數所在截面位置如表2：

圖7 H=7時Ⅲ級圍巖下各級荷載對應安全系數

圖8 H=7時Ⅳ級圍巖下各級荷載對應安全系數

位置D/m0368.512.5Ⅲ級2022232426Ⅳ級2022232426

由表2，兩種圍巖條件下，隨著D增大，最小安全系數位置由拱頂移向拱腰.隨著D增大，Ⅲ級圍巖下，樁荷載為11 000kN時，截面最小安全系數由26.3增大0.5倍達到40.4；20 000kN時，由8.89增大到18.9；38 000kN時，由2.1增大到5.8.Ⅳ級圍巖下，樁荷載為11 000kN時，截面最小安全系數由13.9增大到32.9；20 000kN時，由1.2增大到3.3.其中D由8.5增大到12.5時，截面最小安全系數迅速增大.

另外，在不同的D時，逐級增大樁荷載.Ⅲ級圍巖中，在前5級樁荷載的作用下，截面最小安全系數下降較快，D=0時最顯著，由26.3降低82.4%到4.6；后4級樁荷載作用下，截面最小安全系數下降速度相對平緩.Ⅳ級圍巖中，前2級樁荷載作用下，最小安全系數迅速降低(D=12.5m除外)，D=3時最顯著，由18.0降低73.9%至4.7；再逐級加載到20 000kN時，安全系數仍然在減少，但是相對平緩很多.而在D=12.5m時，最小安全系數在前5級荷載作用下減小較快，繼續加載，最小安全系數減小平緩，且在20 000kN樁荷載作用下時仍然達到3.3.

(2)拱頂垂直距離變化

在D=0時，變化樁底距離拱頂的豎向距離，不同圍巖條件下，每一級樁荷載對應截面最小安全系數所得曲線為圖9和圖10：

圖9 D=0時Ⅲ級圍巖下各級荷載對應安全系數

圖10 D=0時Ⅳ級圍巖下各級荷載對應安全系數

D=0時，二次襯砌結構安全系數最小位置均出現在拱頂.根據上圖可見，隨著H增大，最小安全系數增大，但是增大幅度較小.Ⅲ級圍巖下，除圖中曲線有起伏之外，安全系數在不同垂直距離下，最小安全系數變化較小，樁荷載為11 000kN時，安全系數僅由24.3增大到27.5；20 000kN時，由4.8增大到9.6；38 000kN時，由1.2增大到3.2.曲線異動的產生，表明隨著樁荷載增加，二次襯砌結構安全系數計算由受壓控制轉變為受拉控制.Ⅳ級圍巖下，作用樁荷載為11 000kN時，隨著H增大，最小安全系數提升較大，由9.0增大至19.6，隨著樁荷載加載，在前2級荷載作用下，安全系數迅速降低；當樁荷載增至20 000kN時，最小安全系數僅由0.9增大至1.4.

(3)臨界樁荷載P

受壓及受拉控制計算安全系數時，結構安全系數最低控制分別為2.4和3.6.結合最小控制安全系數對應的樁荷載級別，通過內插法計算得出其對應的臨界荷載.在兩種不同圍巖條件下，可見不同樁位下的臨界荷載，詳見表3和表4及圖11和圖12.

表3 Ⅲ級圍巖下各樁位臨界荷載

*注：表中臨界荷載值單位以MN計.

表4 Ⅳ級圍巖下各樁位臨界荷載

*注：表中臨界荷載值單位以MN計.

圖11 Ⅲ級圍巖下臨界樁載

圖12 Ⅳ級圍巖下臨界樁載

在兩種圍巖條件下，計算所得P與初始樁荷載之差，對應為隧道結構完成之后容許加載量，記容許加載量與初始樁載之百分比為樁荷載增加比.Ⅲ級圍巖下，荷載增加比在106.36%以上，最小增加比出現在D=0，H=5處.隨著D增大，荷載增加比增大，且增幅較大，特別在D=12.5m

時，荷載增加比達到245.45%以上；隨著H增大，荷載增加比增加較大.Ⅳ級圍巖下，荷載增加比在15.45%以上，最小出現在位置D=0，H=5處，隨著D增大，荷載增加比增大，在D=8.5到D=12.5時，增幅顯著，在D=12.5時達到78.2%；H增大時，荷載增加比隨H增大僅有小幅度的增加.

4 結論

在朝天門隧道8#樁體所在斷面，理想Ⅲ級圍巖條件下，樁荷載由11 000kN增加到20 000kN時，拱頂安全系數由26.3迅速降低至8.9，均大于3.6.故大正大廈在后期施工過程中，隧道二次襯砌安全性滿足要求.但是該斷面地層多為砂巖，存在砂質泥巖互層，且巖層裂隙發展為弱活動性.隨著圍巖裂隙的發展，圍巖承載能力降低，二次襯砌分擔更多荷載，致使該斷面拱頂安全系數進一步降低.隧道建成半年后出現縱向貫穿裂縫，這與建筑加層及圍巖裂隙的發展是分不開的.二次襯砌整體性遭到破壞，安全性將進一步降低，建議注漿加固封閉裂縫之后，通過粘貼碳纖維增加鋼拱架等方式進行進一步加固.

朝天門隧道大正段為嵌巖樁作用下的淺埋隧道結構，在隧道完成之后，不同樁位的樁荷載持續增加的情況下，二次襯砌的安全性受到影響，分析得到以下規律結論，可為相關工程提供借鑒參考：

(1)樁體距離隧洞中心水平距離在兩倍隧洞半徑內時.Ⅲ級圍巖下，樁荷載增加16 000kN時，最小安全系數迅速降低到4.6，二次襯砌安全性對樁荷載增加較為敏感，可允許隧道上方建筑物在隧道建成之后，適當加層；Ⅳ級圍巖下，樁荷載增加2 000kN時，最小安全系數迅速降低到4.7，此時二次襯砌安全性對樁荷載增加極度敏感，所以應當禁止該條件下隧道上方建筑物加層;

(2)Ⅲ級及Ⅳ級圍巖下(除Ⅳ級圍巖在初始樁荷載作用下)，隨著樁底距拱頂的高度增大，隧道二次襯砌最小安全系數增大，二次襯砌安全系數對高度變化不敏感.Ⅳ級圍巖在初始樁荷載作用下時，隨著H增大，最小安全系數由9.0增大到19.6，此時隧道與樁底高度距離越大越好;

(3)臨界荷載表明，Ⅲ級圍巖較Ⅳ級圍巖承載能力強.朝天門隧道中，樁荷載增加在相應圍巖條件下的臨界荷載以下時，二次襯砌安全系數滿足要求，利于保證其完整性和安全性.

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Safety Analysis of Secondary Lining in Chao Tianmen Tunnel under Pile Foundation

QIU Hongsheng,LI Can

(School of Transportation,Wuhan University of Technology,Hubei 430063,China)

In order to study the influence rule of safety factor in tunnel secondary lining when a shallow tunnel underneath pass a rock-socketed pile which is in different position and added the load level, a model was set up by taking Chao Tianmen tunnel as a study object.Finite element software ANSYS is used to simulate the process of tunnel construction and the story-adding of buildings,and the safety factor of secondary lining is calculated under the situation of different pile position and pile load increasing.The results show that when the surrounding rock condition is ideal,in the section where pile 8# is,the calculative safety factor is 8.89 which satisfies the safety requirements.The minimum safety factor is extremely sensitive to the load increase of pile and the decrease of horizontal range when the distance between a pile and the center of tunnel is in the range of two times of tunnel radius.The result indicates that the storey-adding above Chao Tianmen tunnel should be avoided or the pile foundation within the range should be underpinned.

Chao Tianmen tunnel;secondary lining;safety analysis;rock-socketed pile;shallow tunnel

1673- 9590(2017)03- 0078- 06

2016- 06- 01基金項目:國家自然科學基金資助項目(51308429)

邱紅勝(1966-)，男，教授，博士，從事巖土及隧道工程襯砌災害防控的研究E-mail:13377889059@163.com.

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