新建水工隧洞下穿既有鐵路隧洞有限元分析

程 露,羅 爽

(1.四川省亭子口灌區(qū)建設開發(fā)有限公司,四川 南充 637000;2.高坪區(qū)水利工程質(zhì)量安全中心,四川 南充 637100)

0 引 言

在近距離交叉隧洞施工問題中,新建隧洞施工將在原有隧洞開挖后,造成多次圍巖應力狀態(tài)重分布,形成復雜多變的受力過程,而且新建隧洞的施工會對交叉隧洞的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。因此,分析新建隧洞施工對已有交叉段隧洞的安全影響具有重要意義。

朱方敏等[1]采用ABAQUS,分析了上穿公路隧洞的施工對既有供水隧洞的影響,結(jié)果表明,上穿公路隧洞的開挖對供水隧洞襯砌產(chǎn)生較大的附加應力,需采用特定的開挖工藝和加固措施防止供水隧洞的破壞。劉立權等[2]采用MIDAS GTS,分析了上穿公路隧洞開挖對既有過水隧洞結(jié)構(gòu)安全性的影響,結(jié)果表明,過水隧洞結(jié)構(gòu)應力及變形增加顯著,為了保證其結(jié)構(gòu)的安全性,在實際施工中需要加強上方公路隧道襯砌支護并加固過水隧洞。趙剛等[3]采用3種不同的方法對下穿水工隧洞施工引起的公路隧道變形進行分析,結(jié)果表明,水工隧洞引起的公路隧道變形沉降滿足正態(tài)分布。趙凱等[4]提出了一種計算水工隧洞下穿引起上部既有公路隧道沉降位移值的計算方法,并結(jié)合有限元模擬和實測數(shù)據(jù),對理論計算方法進行了可靠性驗證,分析了既有雙線公路隧道沉降影響范圍大小及沉降位移規(guī)律。李小牛[5]結(jié)合數(shù)值模擬方法與經(jīng)驗公式法,分析了既有鐵路隧洞受新建引水隧洞下穿施工的影響。楊忠華[6]采用現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了引水隧洞的開挖對既有鐵路隧洞的影響,并采取相應的措施,保障引水隧洞的施工安全和既有鐵路隧洞的安全運營。畢強等[7]運用FLAC3D,研究了新建隧道施工時既有隧道的變形及內(nèi)力變化規(guī)律,并提出了保證既有隧道安全性的數(shù)量化指標。張建博等[8]提出了“超前支護、懸臂掘進機短進尺掘進、及時跟進強支護、加強監(jiān)測、施工期保通措施并舉”的淺埋暗挖技術方案,解決了淺埋地層下穿既有高速公路的輸水隧洞的施工安全。劉均紅[9]結(jié)合經(jīng)驗公式法和三維數(shù)值模擬計算方法,對新建引水隧洞下穿既有鐵路隧洞爆破施工影響進行分析研究,得出了引水隧洞控制爆破范圍和既有鐵路隧洞受影響區(qū)段及變形規(guī)律。張武[10]應用ANSYS,對新建高速公路隧洞下穿既有供水隧洞進行分析,評估了公路隧洞的開挖對供水隧洞的安全影響。

本文在前人研究的基礎上,采用非線性彈性理論,應用Abaqus有限元軟件,建立水工隧洞結(jié)構(gòu)三維有限元模型,對水工隧洞開挖及運行期間對高速鐵路隧洞的應力及變形進行分析。

1 工程概況

某灌區(qū)工程水工隧洞下穿既有高速鐵路隧洞,高速鐵路線路與水工隧洞線路在空間上基本正交,水工隧洞洞頂與高速鐵路隧洞洞底之間有厚20.0m的巖層。水工隧洞洞型為圓形洞型,隧洞直徑6.7m,二次鋼筋混凝土襯砌厚度65cm,設計流量58.25m3/s;高速鐵路隧洞洞型為馬蹄洞型,隧洞尺寸12.8m(寬)×11.2m(高),二次鋼筋混凝土襯砌厚度60cm。隧洞巖石主要為粉砂巖和泥巖,局部夾砂巖薄層,節(jié)理裂隙發(fā)育,經(jīng)過綜合地質(zhì)勘察,判別圍巖類型為Ⅴ類。

2 有限元模型及計算參數(shù)

2.1 有限元模型

采用Abaqus,建立新建水工隧洞下穿高速鐵路隧洞模型,以X軸為高速鐵路隧洞軸線方向,Y軸為新建水工隧洞軸線方向,Z軸為豎直方向,向上為正。建立模型時,考慮到5倍洞徑外,圍巖對隧洞的影響較小,因此模型尺寸取為85m×110m×90m。模型整體采用六面體網(wǎng)格進行剖分,部分連接過渡網(wǎng)格采用四面體和五面體剖分,共劃分為98 283個單元,105 387個節(jié)點。模型邊界條件為位移約束邊界,模型側(cè)面為垂直側(cè)邊界水平向約束,底面為三向全約束。具體模型見圖1。

圖1 ABAQUS三維有限元模型

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)初始地勘資料,參照類似工程經(jīng)驗,本工程材料的物理力學參數(shù)見表1。圍巖體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型;鋼筋混凝土本構(gòu)模型采用線彈性模型。

表1 巖體及混凝土襯砌力學參數(shù)

2.3 計算工況及荷載組合

根據(jù)現(xiàn)有工程地質(zhì)資料,隧洞圍巖的初始地應力主要是巖體自重以及巖體中地下水產(chǎn)生的孔隙水壓力。由于隧洞位于地下水位線以上,因此本工程主要取巖體自重產(chǎn)生的應力場為引水隧洞模型的初始地應力場,并清零模型的凈變形量。

計算工況:①施工期水工隧洞采用全斷面開挖,開挖完成后進行初期噴錨支護,再進行二次鋼筋混凝土襯砌;②水工隧洞運行期,隧洞內(nèi)水壓力取0.4MPa。

計算方法:水工隧洞施工流程在Abaqus軟件中需要通過生死單元技術來實現(xiàn),具體是在Abaqus/CAE的Interaction部分通過Model Change來模擬水工隧洞的開挖、支護過程。

3 計算結(jié)果分析

3.1 位移分析

自重條件下,通過地應力平衡計算,得到高速鐵路隧洞變形云圖,見圖2。圍巖變形量級達到10-5～10-6,符合地應力平衡結(jié)果。在水工隧洞施工開挖期間,圍巖發(fā)生指向臨空面的位移,圍巖變形影響范圍明顯超過水工隧洞洞徑,其影響范圍達到高速鐵路隧洞位置,但對高速鐵路隧洞水平位移影響較小,對豎直位移影響較大,見圖3。高速鐵路隧洞在圍巖應力重分布的影響下,最大沉降發(fā)生在水工隧洞與高速鐵路隧洞底部在空間上交叉處,最大沉降值為4.03mm,見圖4。在水工隧洞運行期間,高速鐵路隧洞最大沉降值為3.96mm,見圖5(位移方向以向下為正)。水工隧洞開挖施工既有高速鐵路隧洞最大變形值見表2。

表2 水工隧洞開挖施工既有高速鐵路隧洞最大變形值

圖2 地應力平衡后圍巖變形云圖

圖3 水工隧洞開挖時圍巖變形云圖

圖4 水工隧洞開挖時高速鐵路隧洞變形云圖

圖5 水工隧洞運行時高速鐵路隧洞變形云圖

3.2 應力分析

水工隧洞開挖前,高速鐵路隧洞應力分布基本呈對稱分布,見圖6。水工隧洞巖體開挖造成圍巖應力重分布,圍巖應力分布達到高速鐵路隧洞位置,圍巖主要以壓應力為主,最大圍巖壓應力0.95MPa,高速鐵路隧洞圍巖壓應力分布范圍0.16～0.56MPa,見圖7。在應力重分布的影響下,高速鐵路隧洞襯砌應力分布存在拉應力,最大拉應力值由水工隧洞開挖前的7.39kPa增大至開挖后的10.99kPa再到運行期的11.33kPa,但均小于鋼筋混凝土襯砌的抗拉強度,不影響隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的安全,見圖8、圖9(應力方向以壓應力為負,拉應力為正)。水工隧洞運行時鐵路隧洞小主應力云圖見圖10。

圖6 水工隧洞開挖前圍巖大主應力云圖

圖7 水工隧洞開挖時圍巖大主應力云圖

圖10 水工隧洞運行時鐵路隧洞小主應力云圖

4 結(jié) 語

1)新建水工隧洞的開挖和運行,引起圍巖體位移場的變化,其影響范圍超過水工隧洞1倍開挖洞徑,達到高速鐵路隧洞所在位置;高速鐵路隧洞沉降最大處出現(xiàn)在兩隧洞空間位置交叉處,其水平位移影響較小。

2)新建水工隧洞的開挖和運行,引起圍巖應力重分布,高速鐵路隧洞襯砌在圍巖應力重分布的影響下,其拉應力呈增長趨勢。