上覆工程對供水隧洞安全影響的數(shù)值分析

路 敏，李建平

（1.楊凌示范區(qū)農(nóng)科資產(chǎn)管理有限公司，陜西 楊凌 712100；2.楊凌示范區(qū)市政園林工程有限公司，陜西 楊凌 712100）

0 引言

隧洞是埋至于地層中的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。1970 年，國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織將隧洞定義為以某種用途、在地面下用任何方法按規(guī)定形狀和尺寸修筑的斷面積大于2 m2的洞室[1]。而隧洞安全是擺在廣大隧洞施工管理者和技術(shù)人員面前的一個課題，也是一個難題。畢可為為研究小凈距隧洞施工之間的相互影響，運用FLAC 2D 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并認(rèn)為先行開挖暗挖段再施工單線盾構(gòu)區(qū)間可最大限度減少二者之間的不利影響，保證地鐵區(qū)間施工安全[2]。魏綱采用二維有限元方法對鄰近中低層建筑物工況下的暗挖隧洞施工進(jìn)行模擬和分析，得出建筑物的存在會增大隧洞開挖引起的地面沉降和襯砌的受力與變形，同時隧洞開挖也會使鄰近建筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形[3]。賴金星基于彈塑性有限元方法對雙連拱隧洞施工過程進(jìn)行分析，得到施工過程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，以及初期支護(hù)和二次襯砌的受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)施工過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，分析結(jié)果為羊泉溝隧洞的順利貫通提供了有效指導(dǎo)[4]。祝文化利用FLAC 10 軟件建立淺埋偏壓單拱隧洞計算模型，模擬圍巖在不同施工階段的變化情況，得到了圍巖在不同施工階段的應(yīng)力場、位移場以及塑性區(qū)的分布規(guī)律，并與現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得出了一些可靠的結(jié)論[5]。張會剛針對深圳地鐵新建隧洞鄰接既有隧洞工程，利用FLAC3D 軟件進(jìn)行施工過程模擬，顯示在本地質(zhì)條件和特定盾構(gòu)推力情況下，變形量滿足設(shè)計要求；沉降曲線相對平坦，滿足既有隧洞橫向差異沉降要求[6]。賴金星為研究常見小型溶洞引起的隧洞穩(wěn)定性問題，應(yīng)用有限元方法，分析溶洞處于隧洞不同位置對圍巖位移和隧洞結(jié)構(gòu)受力的影響，表明隧底溶洞距離為1 m 時，仰拱軸力增加21%，其余部分變化微弱；側(cè)壁溶洞距離為1 m 時，邊墻軸力增加14.8%，其余部分變化微弱；隧頂溶洞距離為1 m 時，拱頂軸力增加10%；其余部分變化微弱[7]。張志強(qiáng)針對深圳地鐵新建隧洞鄰接既有樁基的地鐵工程，進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬的施工力學(xué)行為研究，發(fā)現(xiàn)與無樁情況相比較，鄰接樁基施工將引起新建隧洞自身結(jié)構(gòu)，特別是與既有樁基鄰接一側(cè)邊墻不利的受力狀況和變形特征；并且鄰接施工還將引起既有樁基產(chǎn)生偏向隧洞水平方向的“拉伸”形情況[8]。張治國基于Winkler 地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，研究不同隧道埋深、距離基坑開挖現(xiàn)場遠(yuǎn)近、不同地基土質(zhì)和不同隧道外徑等因素對隧道縱向變形的影響，結(jié)合大型三維有限元數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)將計算結(jié)果進(jìn)行對比[9]。

本文從新建上覆工程對原有的供水隧洞安全影響的角度出發(fā)，利用MidasGTS-NX 軟件，選用2D“地層- 結(jié)構(gòu)”計算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后兩種工況下對供水隧洞進(jìn)行位移、彎矩與安全系數(shù)方面的數(shù)值分析。

1 工程概況

擬建場地屬構(gòu)造剝蝕淺丘溝谷地貌，但目前該場地已全部平場，地形坡度較小，最低點位于場區(qū)南側(cè)，最高點位于場地西側(cè)，相對高差8.56 m 左右。斜坡坡角一般0°～8°，地形較為平緩，場地地形地貌簡單。勘察范圍內(nèi)巖層呈單斜狀構(gòu)造，無區(qū)域性斷層通過，構(gòu)造地質(zhì)條件較簡單，巖層傾向285°～315°，傾角5°～12°。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和現(xiàn)場調(diào)查，場區(qū)內(nèi)及附近并無活動斷裂通過。通過鉆探揭示，場地基巖風(fēng)化裂隙較發(fā)育，裂隙發(fā)育程度隨深度增加而減弱。上覆工程范圍面積為2548.5 m2。上覆工程結(jié)構(gòu)標(biāo)高為251.500 m，帶有深度為600 mm 的厚覆土。

2 隧洞結(jié)構(gòu)安全評估辦法

2.1 計算模型

本次采用有限元分析軟件MidasGTS-NX，按照原設(shè)計的參數(shù)建立2D“地層- 結(jié)構(gòu)”模型，計算供水隧洞斷面的位移、彎矩和安全系數(shù)。

“2D 地層- 結(jié)構(gòu)”法分析地層結(jié)構(gòu)法主要包括地層的合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬以及施工過程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用、周圍地層與結(jié)構(gòu)相互作用的模擬。地層結(jié)構(gòu)模型的計算理論即為地層結(jié)構(gòu)法，其原理是將襯砌和地層視為整體，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計算襯砌與地層的內(nèi)力，以此來驗算地層的穩(wěn)定性和進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計。利用有限元軟件建立起“地層- 結(jié)構(gòu)”模型，根據(jù)施工過程模擬各種工況，再利用軟件分析結(jié)果，分別提取隧洞現(xiàn)狀和新建上覆工程后供水隧洞典型斷面的位移、襯砌軸力、彎矩值，并對供水隧洞設(shè)計竣工圖的襯砌形式進(jìn)行分析檢算。

2.2 計算參數(shù)

本次評估檢算參數(shù)參考地勘資料中的巖土參數(shù)及類似工程計算取值，具體見表1。

表1 數(shù)值模擬的物理力學(xué)性能主要參數(shù)表

2.3 計算工況

工況分為：①上覆工程未建時供水隧洞現(xiàn)狀；②新建上覆工程后供水隧洞分析。

模型中襯砌采用梁單元模擬，本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型；地層及混凝土結(jié)構(gòu)（除樁基外）采用平面應(yīng)變單元模擬，選用莫爾- 庫倫本構(gòu)模型；模型前后左右為水平約束，下部為豎直及水平約束，頂部為自由邊界；2D 模型示意見圖1。

圖1 2D 模型示意圖

2.4 典型斷面“地層-結(jié)構(gòu)法”計算結(jié)果及分析

本次研究共有8 個斷面進(jìn)行對比分析，在此我們選一個最不利的典型斷面著重分析。

2.4.1 供水隧洞位移分析

本次位移分析以既有隧洞運營狀態(tài)為原始狀態(tài)，分析新建上覆工程后既有隧洞襯砌的位移變化量。

從圖2 中可以看出，新建上覆工程之后，典型斷面全隧襯砌仰拱底最大位移為4.89 mm，而結(jié)合表2，各斷面仰拱底最大位移均滿足最大位移不得大于6 mm 的要求。

表2 各斷面仰拱底最大位移表

圖2 典型斷面位移圖

2.4.2 供水隧洞襯砌安全系數(shù)分析

（1）軸力分析

①未新建上覆工程前隧洞襯砌軸力見圖3。

圖3 典型斷面軸力圖

②新建上覆工程隧洞襯砌軸力見圖4。

圖4 典型斷面軸力圖

通過軸力圖顯示，對比兩種工況后得出在新建上覆工程后，軸力最大值位于兩側(cè)邊墻處，供水隧洞處于受壓狀態(tài)，各典型斷面結(jié)果顯示，仰拱及拱頂處軸力較小，邊墻及拱腳處軸力較大。

綜合比較各斷面處的軸力數(shù)據(jù)，見表3。

（2）彎矩分析

①未新建上覆工程前既有隧洞襯砌彎矩見圖5。

圖5 典型斷面彎矩圖

通過彎矩圖顯示，供水隧洞現(xiàn)狀最大彎矩位于拱腳處，各典型斷面結(jié)果顯示彎矩整體呈對稱分布。

②新建上覆工程后隧洞襯砌彎矩見圖6。

通過彎矩圖顯示，新建上覆工程修建后供水隧洞最大彎矩位于拱腳處，各典型斷面結(jié)果顯示彎矩整體呈對稱分布。

綜合比較各斷面的彎矩數(shù)據(jù)，見表4。

表3 典型斷面“地層結(jié)構(gòu)法”最大軸力表

表4 典型斷面“地層結(jié)構(gòu)法”最大彎矩表

圖6 典型斷面彎矩圖

（3）安全系數(shù)分析

①未新建上覆工程前隧洞襯砌安全系數(shù)見表5。

表5 典型斷面襯砌安全系數(shù)表

續(xù)表5

②新建上覆工程后隧洞襯砌安全系數(shù)見表6。

表6 典型斷面襯砌安全系數(shù)表

續(xù)表6

如表7 所示，供水隧洞在新建上覆工程之后，典型斷面隧洞結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與未建上覆工程時相比變化量為2.28，是變化量最大的斷面，而綜合來看所有斷面的安全系數(shù)變化量均小于規(guī)定的限值2.4，滿足規(guī)范要求，說明新建上覆工程對供水隧洞的安全影響可以忽略不計。

表7 最小安全系數(shù)對比表

3 結(jié)論

從新建上覆工程對原有的供水隧洞安全影響的角度出發(fā)，利用MidasGTS-NX 軟件，選用2D“地層- 結(jié)構(gòu)”計算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后兩種工況下對供水隧洞進(jìn)行數(shù)值計算，分析新建上覆工程對隧洞位移、彎矩與安全系數(shù)影響，主要結(jié)論如下：

（1）供水隧洞在新建上覆工程之后，與原始狀態(tài)對比全隧襯砌仰拱底最大位移為4.89 mm，滿足最大位移不得大于6 mm 的要求，說明新建上覆工程并沒有對供水隧洞的安全造成影響。

（2）供水隧洞彎矩情況通過彎矩圖顯示，隧洞原始狀態(tài)與新建上覆工程修建后最大彎矩均位于拱腳處，各典型斷面結(jié)果顯示彎矩整體呈對稱分布，并沒有對供水隧洞的安全造成影響。

（3）供水隧洞在新建上覆工程之后，隧洞結(jié)構(gòu)安全系數(shù)與未建上覆工程時相比結(jié)構(gòu)安全系數(shù)變化量較小，且均小于規(guī)定的限值2.4，滿足規(guī)范要求。