某堆場工程建設對既有隧道安全影響分析

熊桂開

（1.重慶交通大學，重慶市 400074；2.重慶市勘測院，重慶市 400020）

0 引 言

既有隧道為左、右洞分離的結構型式，分離隧道軸線間距為23.5～29.1 m，為小凈距隧道。標準段隧道內輪廓按建筑限界寬10.0 m，高5.0 m擬定，采用三心圓斷面，拱半徑5.40 m，曲墻半徑5.73 m，內空凈面積72.19 m2，凈高8.19 m，凈寬10.80 m。左、右隧道洞身長分別為396 m與418 m，為城市短隧道，隧道通風方式采用自然通風。建筑界限以及內輪廓線詳見圖1，復合型襯砌斷面見圖2。

擬建場地位于南溫泉背斜東翼，巖層呈單斜產(chǎn)出，未見斷層及次級褶皺，地質構造簡單。洞頂巖層厚度13.5～67 m,下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂質泥巖與砂巖互層狀產(chǎn)出，以砂質泥巖為主，巖層呈單斜狀產(chǎn)出，圍巖構造裂隙不發(fā)育，泥巖基本無水，砂巖中含少量地下水。基巖面坡度近于自然地面坡度，未發(fā)現(xiàn)滑坡、軟弱夾層等不良地質現(xiàn)象，斜坡穩(wěn)定，現(xiàn)狀穩(wěn)定。原隧道位于堆場下方，為深埋隧道，最大埋深67 m，由于堆場建設需對隧道頂山體進行平場施工，平場后其埋深約為28～35 m左右，見圖3。

堆場工程在建設過程中會不可避免地對既有隧道工程結構產(chǎn)生一定的影響，使既有結構產(chǎn)生附加內力和不均勻沉降，甚至有可能發(fā)生超過管理基準的變形，從而影響隧道的正常、安全運營。因此有必要在堆場工程施工前對既有隧道結構的變形和應力以及對它們之間的相互影響程度進行預測和評估。

圖1 建筑界限以及內輪廓線（單位：mm）

圖2 復合型襯砌斷面圖（單位：mm）

因此，通過建立三維數(shù)值計算模型，將堆場工程施工對于既有隧道工程的影響進行模擬分析，研究既有結構產(chǎn)生的附加內力和變形規(guī)律，以及二者之間的相互影響程度進行預測，為施工及運營提供科學的指導。評估的思路是：采用三維地層－結構模型，運用有限元計算軟件進行數(shù)值計算，預測該隧道工程在堆場工程施工前和平場后以及運營后三種工況下所發(fā)生的變形和應力，再根據(jù)隧道工程的縱向沉降值以及應力，評價隧道結構的安全性。

圖3 堆場與隧道工程的立面位置關系

2 計算分析

運用ANSYS有限元計算軟件進行數(shù)值計算，巖土體采用彈塑性本構關系，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則。平場前模型上邊界按該段最高高程取至地表，埋深67 m，模型共有80 777節(jié)點，72 720個單元，平場后模型上邊界按該段最高高程取至地表，埋深28 m，模型共有71 944節(jié)點，64 690個單元。模型側面和底面為位移邊界，模型左右兩側面施加X方向約束，模型底部施工Y向約束，模型前后兩側面施工Z方向的約束，地表作為模型上邊界，為自由邊界。三維數(shù)值分析中，圍巖采用Solid45單元模擬，隧道結構采用Shell63單元模擬。根據(jù)相關要求，在隧道頂堆場及相關道路投入使用后，其地面承受的總荷載不能超過100 kN/m2的要求，本次評估驗算荷載采用平場后地面總荷載為100 kN/m2。計算分析分三個工況，工況一為施工前，工況二平場后，工況三為運營堆載后。

本次建模所采用的計算參數(shù)見表1，參數(shù)來源參考工程地質詳細勘察報告。計算模型見圖4～圖7。

表1 計算參數(shù)一覽表

圖4 平場前計算模型圖

圖5 平場后計算模型圖

圖6 平場加載后計算模型圖

2.1 隧道結構位移分析

隧道結構位移分析成果見表2。

表2 各計算工況位移表

綜上所述，堆載后隧道支護結構拱頂?shù)淖畲蟪两抵迪鄬τ谖雌綀銮白畲笤黾恿?.253 mm+1.434 mm-2.932 mm=-0.245 mm，表明拱頂最大隆起了0.245 mm，拱頂支護結構有所反彈；隧道支護結構拱頂?shù)淖钚〕两抵迪鄬τ谖雌綀銮白畲笤黾恿?.839 mm+1.336 mm-2.096 mm=0.079 mm，表明拱頂最大沉降了0.079 mm。

2.2 隧道結構應力分析

隧道結構應力分析成果見表3。

表3 各工況下應力分析結果表

綜上所述，堆載后隧道結構最小應力較平場前小，降低幅度達到了47.44%;堆載后隧道結構最大應力較平場前小，降低幅度達到了24.83%。

從隧道結構位移、應力分析結果可知，平場后隧道結構拱頂沉降最大隆起0.245 mm，結構發(fā)生了反彈，最大沉降0.079 mm，平場前后其變化不大；而隧道結構最小應力平場后較平場前降低了47.44%，隧道結構最大應力平場后較平場前減低了24.83%，堆載后，隧道結構應力較平場后雖有所增加，此時隧道結構仍是安全的。

2.3 圍巖位移分析

圍巖位移分析成果見表4。

表4 各計算工況位移表

綜上所述，計算加載后拱頂圍巖沉降最大值為2.316 mm，拱頂沉降最小值為0.257 mm，加載后沉降最大值發(fā)生在圍巖頂部，最小值發(fā)生在底部。

2.4 圍巖應力分析

圍巖應力分析成果見表5。

表5 各工況下圍巖應力分析結果表

綜上所述，各工況下圍巖最小應力雖有增大趨勢，但工況3堆載完成后其值為4 175.4 Pa，小于隧道巖土工程勘察報告中給出的砂質泥巖軸心抗壓強度Rc=7.7 MPa和砂巖的軸心抗壓強度Rc=23.2 MPa，說明堆載后圍巖是安全的；平場后圍巖最大應力較平場前明顯降低，降低幅度為50.67%，但堆載完畢后其值略微上升，增長幅度為15.06%，達到2.52 MPa，小于隧道巖土工程勘察報告中給出的砂質泥巖軸心抗壓強度Rc=7.7 MPa和砂巖的軸心抗壓強Rc=23.2 MPa，說明堆載后圍巖是安全的。

3 結論

（1）本文采用數(shù)值模擬分析方法，分析了在隧道頂部山體施工前、平場后及運營后三種工況下隧道結構與圍巖的位移、應力。若堆場建設嚴格按照相關規(guī)范要求施工，且運營后堆場荷載不超過設計容許值，則堆場施工以及建設運營后對隧道圍巖結構影響很小，隧道及圍巖結構是安全的。

（2）隨著城市建設的飛速發(fā)展，類似文中工程建設項目情況將會越來越多，工程實例表明只要采取合適的施工方案和有效的支護措施，在既有隧道結構上進行結構施作是能夠實現(xiàn)的。

[1]JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].2004.

[2]JTG D70—2004,公路隧道設計規(guī)范[S].2004.