華唐立交下穿道設計方案有限元分析

華唐立交下穿道設計方案有限元分析

文勇
(重慶市設計院 重慶 400015)

華唐立交工程是重慶市江北區城市道路的重要工程，該工程用下穿地通道穿越建新南路。下穿地通道為明挖法施工，部分區段位于已建成軌道三號線華新街—觀音橋區間隧道上方，地通道路面與隧道洞頂最近距離僅1.5m。為了確保下穿道施工不影響軌道三號線區間隧道的安全，本文用三維彈塑性有限元方法，對華唐立交下穿道的施工進行有限元仿真模擬，預測施工過程中區間隧道的變形和內力變化。計算結果表明，下穿道施工對軌道三號線區間隧道的影響主要為縱向變形，現有的隧道結構設計能抵抗縱向變形產生的附加內力。華唐立交修建完成后，區間隧道內力滿足承載力要求和抗裂要求。這一結論為該工程的順利實施提供了依據。

隧道；有限元分析；設計方案

1 工程概述

華唐立交位于重慶市嘉陵江大橋北橋頭，是重慶市江北區城市道路網絡中的重要節點。該立交往西接渝澳大道，聯系建新南路西部片區，往東通過黃觀路聯系東部片區。華唐立交工程的實施，將有助于提高重慶市江北觀音橋片區東西連接，完善江北區城市路網。

華唐立交采用下穿地通道形式穿越建新南路，下穿道為東西方向雙向四車道的地通道，車行道凈寬16m。在工程附近，有已建成的軌道三號線華新街—觀音橋區間隧道和建新南路下穿道。華唐立交下穿道的修建，是通過拓寬已有的建新南路下穿道實現。華唐立交下穿道采用明挖法施工，因下穿道部分區域與重慶市軌道三號線平行，所以下穿道施工對軌道三號線的影響為地面卸載，卸載幅度為0～6m的覆土荷載。施工完成后，軌道三號線洞頂開挖面與下穿道路面最不利位置處高差僅1.5m。在華唐立交下穿匝道附近，還有鄰近的城市領地和人才交流中心兩座高層建筑。下穿道與周圍建筑的平面位置關系見圖1所示。

華唐立交下穿道結構形式見圖2，在兩側邊墻采用樁板式擋墻，并通過上跨橋結構連接兩側道路。樁基礎為2m×1.5m的方形挖孔樁，上跨橋為簡支箱梁結構，梁高1.8m。軌道三號區間隧道線因下穿道修建后，使覆土層厚度降低，華唐立交路面車輛荷載對隧道結構的作用不能簡化成均布荷載；同時路面車輛荷載的沖擊效應也不能忽略，應視為動荷載。為了抵消華唐立交路面車輛荷載對隧道結構的不利影響，設計方在區間隧道覆土層較薄的區域設置了樁板加固結構，如圖3。通過樁板加固結構直接承受路面車輛荷載，并傳遞到隧道下方的圍巖中，使區間隧道不直接承受地面車輛荷載，保證了隧道結構的安全。

由于華唐立交下穿道與軌道三號線距離較近，并且與周邊高層建筑距離較近，因此，下穿道的修建可能會對軌道三號線產生產生一定影響，需要通過有限元仿真分析對其可行性進行結構安全性評估分析。

2 三維有限元模型

2.1 計算范圍和單元劃分

計算采用ANSYS有限元程序進行數值模擬。根據影響范圍為開挖直徑5倍的原則[1]，計算模型沿線路縱向取300m，沿線路橫向取250m，從地表向下取100m。計算土體采用SOLID45實體單元，隧道襯砌采用SHELL63殼體單元，屈服條件采用Drucker－Prager屈服準則。建好的三維有限元模型如圖4～6。

2.2 圍巖參數

有限元計算范圍內的圍巖，按成因年代可劃分為人工填土層（圍巖1）、中等風化砂巖層（圍巖2）和泥巖層（圍巖3）三大類，即分成3個主要地層。各層圍巖的分布范圍可參考圖7，圍巖力學參數見表1。砂巖層和泥巖層的圍巖等級為Ⅳ級。

表1 三維模型計算參數

2.3 計算荷載

根據荷載類型，可將荷載分成恒載和活荷載兩部分。其中恒載為結構自重，隧道開挖產生的圍巖釋放荷載，高層建筑修建產生的地面超載。隧道開挖產生的圍巖釋放荷載由有限元程序模擬開挖計算得到，高層建筑修建產生的地面超載按每層樓17.5kPa計算，城市領地為32層高層建筑，產生的地面超載為560kPa；人才交流中心為9層高層建筑，產生的地面超載為157.5kPa。活荷載為車輛荷載產生的地面超載取20kPa。

2.4 計算步

有限元計算中考慮兩個計算階段，即施工階段和正常運營階段。在施工階段，計算模型只考慮高層建筑產生的地面超載和下穿道施工對周圍建筑結構產生的影響，有限元模型見圖8；正常運營階段，有限元模型不僅作用于有高層建筑產生的地面超載，還有建新南路通車后的地面車輛荷載和下穿匝道的車輛荷載，有限元模型見圖9。

計算模型采用19個計算步進行下穿道施工和運營階段的模擬。計算步1模擬初始應力場狀態；計算步2～7模擬軌道三號線區間隧道施工和施工完畢后的應力狀態；然后用計算步8～18模擬華唐路下穿匝道圍巖的開挖和樁板擋墻結構的修建；最后用計算步19模擬正常使用階段下穿道和軌道三號線區間隧道在路面車輛荷載作用下的受力狀態。區間隧道與下穿道開挖和支護在ANSYS中可采用“死”、“生”單元的方法實現[2]。

3 計算結果

3.1 計算結果比較

按當前結構形式和施工方法得到有限元模型的位移計算結果見表2。

表2 位移計算結果（單位：mm）

從表2中看出，下穿道施工產生的地表側向位移大于地表豎向位移，這是因下穿道施工是通過擴寬已有建新南路下穿道實現的，樁板擋墻的分布范圍對地表位移的控制起主要作用；高層建筑產生的位移值要小于地表位移值，因此華唐立交下穿道施工只要能確保邊坡開挖后變形的穩定，就可以保證高層建筑的穩定；華唐立交下穿道施工對軌道三號線區間隧道的作用主要是因地面卸載，使區間隧道縱向產生不均勻變形。不均勻變形不僅使區間隧道橫截面受力發生變化，還使隧道縱向產生較大內力，需要對隧道橫向、縱向截面內力進行驗算。

通過表2所示的位移結果可以得到，按當前華唐立交下穿匝道所提供的結構形式和支護措施，可以較好地控制下穿道施工時垂直邊坡的穩定，不會對軌道三號線區間隧道和周圍高層建筑產生較大變形影響，是可行的修建方案。

3.2 位移沉降曲線

從表2的位移計算結果中可以看出，下穿道修建主要引起軌道三號線縱向局部產生變形。為了更好了解下穿道施工對軌道三號線區間隧道的影響，取縱截面A-A進行位移監控，繪出下穿道施工時各關鍵計算狀態下的拱頂位移曲線。監控截面A-A的位置如圖10所示，位移曲線結果見圖11。

從圖11所示位移曲線中可以看出，下穿道施工主要引起區間隧道的局部隆起，如圖12所示，這是因下穿道施工相當于在區間隧道上方進行局部卸載所造成的。當施工完成路面通車后，汽車荷載作用在路面和下穿道底板上，在一定程度上減小了因施工產生的土體卸載作用，降低了區間隧道的局部不均勻變形，因此運營階段區間隧道的拱頂隆起要小于施工階段。

區間隧道除頂拱發生變形外，仰拱也有一定隆起。因軌道三號線采用混凝土軌道梁結構形式，所以對軌道梁的變形有嚴格要求。計算結果表明，下穿道施工對區間隧道仰拱產生的最大位移僅1.32mm，因此能夠滿足軌道梁的變形要求。

3.3 隧道結構內力安全性評價

軌道三號線區間隧道內力計算，取下穿道與區間隧道最近位置作為橫向內力控制截面；同時取區間隧道洞頂縱向截面A-A作為縱向內力控制截面。按照施工階段隧道襯砌應力進行積分，可以得到區間隧道橫向彎矩和縱向彎矩，如圖13、圖14。

表3 襯砌內力驗算

區間隧道橫向內力分析時，軸力較大，可按照壓彎構件計算內力安全系數和裂縫寬度；縱向分析時，軸力較小，可按純彎構件計算內力安全系數和裂縫寬度。由軌道三號線區間隧道竣工資料得到隧道二次襯砌厚550mm，橫向截面按Φ20@100配筋，縱向截面按Φ12@250配筋，內力驗算結果如表3所示。表3表明，華唐立交下穿道采用的結構形式和支擋措施，在施工階段和運營階段，可以保證區間隧道的承載能力要求和正常使用要求。

4 結論

（1）用有限元模擬下穿道開挖，能再現施工過程中的力學現象，從而使設計或施工能夠從宏觀角度把握下穿道施工對現有區間隧道的影響。

（2）結構計算表明，軌道三號線區間隧道截面、配筋設計均滿足承載力和正常使用要求。

（3）結構安全評估分析表明，由于軌道三號線區間隧道和華唐立交下穿匝道所處圍巖性質較好，并且施工時采用了合適的支擋措施和結構形式進行加固，所以下穿道施工和今后的運營不會對軌道三號線和周圍高層建筑結構的安全產生影響，不需要對區間隧道和周圍高層建筑進行加固處理。

[1]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社，1993:49-54.

[2]吳波，高波，等.城市地鐵小間距隧道施工性態的力學模擬與分析[J].中國公路學報，2005；（3）84-89.

[3]GB50010-2002，混凝土結構設計規范[S].

[4]李強，王明年.淺埋隧道近接施工地表沉降有限元分析[J].四川建筑，2004，24(5):98-101.

[5]章立峰，劉建國.地鐵區間隧道施工過程動態模擬分析[J].隧道建設，2003，23(6):P3-5.

Finite Element Analysis of the Designing of the Underpass Road of the Huatang Overpass

With the underpass road crossing Jianxin South Road,Huatang Overpass Project is an important project in the urban road construction in Jiangbei District,Chongqing.The underpass road of this project will be constructed with the open-cut method,part of which is over the tunnel of No.3 Railway Line from Huaxin Street to Guanyin Qiao that has already been completed,and the closet distance between the road and the tunnel roof is only 1.5m.In order to make sure that the construction of the underpass road will not threat the safety of the tunnel of No.3 railway Line,this paper makes FEM simulation of the construction of the underpass road of Huatang Overpass and predicts the deformation and the changes of internal forces of the tunnel during the construction by using the Three-dimensional elastoplastic finite element method.Based on the results of calculation,the major influence on the No.3 Railway Line tunnel is vertical variability which will produce additional internal forces,which the present design of the tunnel structure can resist and obsorb.After the construction of Huatang Overpass,the internal forces will meet the demands of capacity and crack.This conclusion provides evidence for the smooth construction of the project.

tunnel;finite element analysis;design

U412.35

A

1671-9107（2011）02-0010-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2011.02.010

2010-11-8

文勇（1975-），男，工程師，主要從事結構設計工作。

責任編輯:余詠梅

施工經驗