新建隧道下穿既有高速公路施工力學(xué)行為分析

黃 強(qiáng),王正明

(1.浙江省湖州市建工集團(tuán)有限公司,浙江湖州 313000;2.中鐵四局,安徽合肥 230023)

新建隧道下穿既有高速公路施工力學(xué)行為分析

黃 強(qiáng)1,王正明2

(1.浙江省湖州市建工集團(tuán)有限公司,浙江湖州 313000;2.中鐵四局,安徽合肥 230023)

通過對新建隧道下穿既有高速公路路面受力及變形分析可知,新建隧道下穿過程中,既有高速公路路面將產(chǎn)生較大的豎向下沉,路面底部處于較為不利的受力狀態(tài),新建隧道上弧形開挖過程中路面將產(chǎn)生最大位移量。建議在施工中就上述部位及不利工況應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控,確保工程安全。

隧道; 下穿; 既有公路; 施工; 分析

隨著公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的迅猛發(fā)展及公路、鐵路網(wǎng)的逐漸密集,新建隧道在既有公路臨近及其下部穿過的事例越來越多,特別是我國東部地區(qū),由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,現(xiàn)有的公路網(wǎng)已不能滿足日益增加的車流量運(yùn)輸要求,在此狀況下,越來越多的復(fù)線及連接線工程得以實(shí)施,下穿既有構(gòu)筑物工程逐年增多,使得對于已運(yùn)營的結(jié)構(gòu)安全性評價越來越得到重視。

擬建的新隧道位于我國華東某改道工程線上,設(shè)計(jì)中道路等級為四車道一級公路,隧道內(nèi)巖性單一,以花崗巖為主,巖性條件一般,設(shè)計(jì)中依據(jù)巖性條件將其劃分為Ⅲ ～Ⅴ級圍巖,隧道內(nèi)構(gòu)造不甚發(fā)育,受地質(zhì)構(gòu)造影響輕微。值得注意的是:隧道在K 9+100附近下穿已運(yùn)營的高速公路,拱頂距離公路路面最薄處僅 7m左右,下穿地段主要位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中,巖體總體性狀較差,設(shè)計(jì)中將其列為Ⅴ級圍巖段,施工中采用管棚注漿超前支護(hù)配合分部開挖預(yù)留核心土方式掘進(jìn),考慮到已運(yùn)營高速公路車流量較大,車型復(fù)雜,為保障施工期間既有公路的安全運(yùn)營,對下穿段進(jìn)行數(shù)值分析是很有必要的。

1 新建隧道下穿既有公路力學(xué)分析

1.1 計(jì)算依據(jù)及計(jì)算模型的確定

圖1 總體模型

根據(jù)新建隧道的實(shí)際形態(tài),在綜合分析下穿既有高速公路平縱斷面圖及地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上,選擇最不利工況(拱頂距路面僅7 m)建立分析模型,模型建立時以該段地質(zhì)參數(shù)、地形實(shí)態(tài)為依據(jù)(圖 1)。

考慮埋深較淺,計(jì)算中以自重應(yīng)力場為主。模型建立時寬度方向(即x方向)由隧道中線位置向兩側(cè)各延伸 50m、高度方向(即y方向)取仰拱底部以下36m、拱頂以上取實(shí)際埋深。在模型的下邊界施加豎向約束;左、右邊界施加水平約束。根據(jù)隧道特點(diǎn),采用平面應(yīng)變分析[1],隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮,采用Druck-Prager屈服準(zhǔn)則,圍巖和二襯采用二維平面單元(p lane42),初期支護(hù)噴混凝土采用梁單元(beam3),對于設(shè)計(jì)中的錨桿及管棚超前加固,根據(jù)以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)資料,擬對加固區(qū)采用提高圍巖材參數(shù)的方法來進(jìn)行模擬[2、3]。計(jì)算按實(shí)際的開挖步驟進(jìn)行如圖1所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算參數(shù)是參考《工程地質(zhì)勘查報告》的基礎(chǔ)上,結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》并綜合室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)資料按較低數(shù)值選取如表 1所示。需要說明的是對于表中圍巖管棚超前加固區(qū)及錨桿支護(hù)效果采用的是提高圍巖物理力學(xué)參數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)的,考慮到圍巖加固效果受諸多因素影響,鑒于目前國內(nèi)外對于該方面研究資料也較為缺乏[4、5],故此,本次分析在參考已有資料的基礎(chǔ)上,對于預(yù)加固區(qū)圍巖參數(shù)提高一個級別;對于錨桿的支護(hù)效果,依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(第9.2.5條文說明),只提高了加固區(qū)內(nèi)聚力c值,提高幅度約 30%[6]。計(jì)算中模擬隧道開挖時,具體計(jì)算過程嚴(yán)格按照施工步驟進(jìn)行,計(jì)算過程中,根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,擬讓初支及圍巖承擔(dān) 40%,二襯承擔(dān)60%的圍巖壓力。

圖2 研究面拱頂及既有高速公路路面特征點(diǎn)

考慮計(jì)算的主要目的是為了研究在上述施工方案下既有高速公路的安全性狀況,計(jì)算中選取了特定研究面進(jìn)行分析,網(wǎng)格劃分見圖 2所示。

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)近接施工的研究分析表明,下穿高速公路過程中既有路面的沉降將是影響其正常使用功能的重要因素,基于此,本次分析重點(diǎn)對下穿過程中高速公路路面的沉降狀況進(jìn)行探討。

1.3.1 位移分析

依據(jù)研究目的,獲得下穿過程中圍巖位移及其矢量如圖3所示,從圖中可以看出:

(1)隧道開挖后,拱頂將產(chǎn)生下沉,拱頂將產(chǎn)生隆起,最大下沉值達(dá)14mm,最大隆起量達(dá)30mm,量值較大;水平向均產(chǎn)生向隧道內(nèi)的位移,收斂值達(dá)25.4mm。

(2)結(jié)合路面特征點(diǎn)沉降圖及拱頂深部圍巖豎向位移圖可以看出,隧道開挖過程中,既有公路路面將產(chǎn)生中間大,兩側(cè)小的“沉降槽”,路面最大沉降量發(fā)生在拱頂最上方,達(dá)16.4mm,拱頂深部位移隧道距離拱頂量值的增大,逐漸減小,但減小量不大。

(3)從各開挖步產(chǎn)生的位移量值來看,上弧形導(dǎo)坑開挖產(chǎn)生的沉降量最大,而后稍有回彈施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此施工步。

1.3.2 應(yīng)力分析

根據(jù)分析,同時獲取了下穿時的圍巖及路面應(yīng)力分布(圖6)。

從應(yīng)力分布可以看出,隧道下穿過程中,最大、最小主應(yīng)力均產(chǎn)生在既有公路路面,最大主應(yīng)力產(chǎn)生在路面底部,承受拉應(yīng)力,最大量值達(dá)0.85 MPa,最小主應(yīng)力產(chǎn)生在路面頂部,承受壓應(yīng)力,最大量值達(dá)2.51MPa,在此受力狀態(tài)下,路面底部可能產(chǎn)生受拉破壞,施工中建議重點(diǎn)監(jiān)控。

圖3 隧道修建過程中位移及其矢量

圖4 既有高速公路路面特征點(diǎn)沉降

圖5 隧道拱頂深部圍巖特征點(diǎn)豎向位移(單位:mm)

圖6 主應(yīng)力分布圖(單位:Pa)

2 結(jié) 論

通過上述計(jì)算可以看出,下穿過程中,既有高速公路路面將產(chǎn)生較大的豎向下沉,路面底部處于較為不利的受力狀態(tài),上弧形開挖過程中將產(chǎn)生最大位移量。建議在施工中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控。

[1] 潘昌實(shí).隧道力學(xué)數(shù)值方法[M].北京:中國鐵道出版社,1995

[2] 關(guān)寶樹.隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2003

[3] 汪波,吳德興.弁山隧道不同加固方案下的力學(xué)行為研究[J].鐵道建筑,2007,(1):43-47

[4] 葛家良,陸士良.巷道錨注加固技術(shù)及其效果的研究[J].化工礦山技術(shù),1997,26(2):13-16

[5] 張玉祥,陸士良.綜放回采巷道支護(hù)機(jī)理及實(shí)踐[J].礦山壓力與頂板管理,1997(3):86-88

[6] JTGD 70-2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

U455.49

B

2009-12-02

黃強(qiáng)(1974～),男,工程師,主要從事道路橋梁施工、設(shè)計(jì)工作。