明挖隧道對鄰近橋臺的影響分析

張龍凡（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

明挖隧道對鄰近橋臺的影響分析

張龍凡
（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

通過有限元軟件建立明挖隧道對鄰近橋臺影響的數(shù)值模型，得到橋臺和圍巖的變形規(guī)律，分析施工過程中隧道及橋臺的安全性，為評估工程事故發(fā)生可能性和采取預(yù)防措施提供參考依據(jù)。

明挖隧道，橋臺，數(shù)值模型。

當(dāng)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)不再是制約隧道發(fā)展的關(guān)鍵因素時，人們不得不將重點(diǎn)從“會不會修”轉(zhuǎn)移到“能不能修”、“怎么修”的問題上來。在過去的幾十甚至上百年里，隧道工程之所以發(fā)展緩慢，主要是由于資金的欠缺和技術(shù)的落后造成的，但隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這些已不再是難題時，新的問題隨之產(chǎn)生。面對著一座座已經(jīng)修好的高樓大廈、橋梁隧道，新建隧道會對這些已修建筑的受力產(chǎn)生何種影響，影響因素又有哪些[1]。這里通過軟件計(jì)算重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間工程渝魯站至五里店站區(qū)間隧道明挖段對鄰近的沖壓廠高架橋橋臺的影

響，分析橋臺的受力變形，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間工程渝魯站至五里店站區(qū)間隧道明挖段

本段設(shè)計(jì)為渝魯站至五里店站區(qū)間隧道設(shè)計(jì)。區(qū)間起訖里程

YDK22+978.12～YDK24+260.891,長1281.979m,右線設(shè)計(jì)起訖里程YDK22+978.912 ～YDK24+129.200，長1150.288m。受沿線構(gòu)筑物的影響及已建五里店站標(biāo)高限制，區(qū)間出渝魯站后一路上坡，最大縱坡坡率29‰，針對該區(qū)間所在地層情況較復(fù)雜，在填土段采用明挖施工，設(shè)計(jì)起訖里程YDK22+978.912～YDK23+423.000，長度約為414.088m。

1.2 沖壓廠高架橋

沖壓廠高架橋起于五里店沖壓廠，止于江北區(qū)叫化堡一帶，沿途跨越小河一道，道路沿線位于侏羅系中統(tǒng)地層，深丘地帶，橋下為殘坡堆積物形成陡坡地形，基巖穩(wěn)定，工程地質(zhì)情況良好，橋全長430米，橋面標(biāo)高258.69-240.00米，沿線地面標(biāo)高275.00-211.00米，平均墩高25米。

1.3 重慶軌道交通環(huán)線與沖壓廠高架橋的位置關(guān)系

工程所處場地上部覆蓋層薄，基巖埋置淺，基巖巖性主要為填土。重慶軌道交通環(huán)線YDK22+978.912～YDK23+077.406段與高架橋成15度角走向。高架橋位于該明挖段的西側(cè)，期間有高架橋12#重力式橋臺。12#橋臺基礎(chǔ)與隧道開挖面最小距離為10.8m。該段開挖對高架橋12#橋臺及基礎(chǔ)存在一定的安全影響。

1.4 荷載的確定

根據(jù)所提供的明挖段的圖紙，旨在模擬開挖對周邊建筑物的影響程度并驗(yàn)證是否滿足安全要求，高架橋的載荷為結(jié)構(gòu)自重和橋面的可變荷載，開挖面鋼支撐中上部支撐施加100KN的預(yù)應(yīng)力，下部支撐施加300KN的預(yù)應(yīng)力，本評估在建模時未考慮預(yù)應(yīng)力，提供最危險的安全分析。結(jié)構(gòu)自重中混凝土自重按照25KN/m3，鋼自重按78KN/m3考慮。地面超載按照20KPa的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建模。根據(jù)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于荷載組合的規(guī)定和一般算法[2]，對橋梁承臺加荷載標(biāo)準(zhǔn)組合值468KPa。

2 隧道結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

重慶軌道交通環(huán)線區(qū)間隧道YDK22+978.912～YDK23+077.406段結(jié)構(gòu)底板以上以填土為主，土層厚度約15m，中間為粉質(zhì)粘土，巖層厚度3～4m，最下為砂質(zhì)泥巖。圍巖級別為Ⅳ級，巖體整體穩(wěn)定，條件較好。

該段隧道初期支護(hù)采用100mm厚的C25噴射混凝土面層，雙層Φ8鋼筋15× 15cm，并采用三道609鋼管支撐和直徑1000mm鉆孔灌注樁作為初期支護(hù)的加勁措施；灌注樁水平間距1500mm。在支撐中部架設(shè)格構(gòu)柱，防止支撐中部出現(xiàn)較大豎向變形。

3 三維有限元模型的建立

沖壓廠高架橋的安全采用有限元軟件Midas/GTS建模的方法進(jìn)行分析，基于地層結(jié)構(gòu)法建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到重慶軌道交通環(huán)線對沖壓廠高架橋結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響，據(jù)此分析高架橋的結(jié)構(gòu)安全性。

根據(jù)重慶市勘測院提供的《重慶軌道交通環(huán)線工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報告》以及既有擬建隧道設(shè)計(jì)資料，結(jié)合地形、隧道分布特點(diǎn)，建立如圖3.1所示的三維實(shí)體模型，該模型尺寸為：120m×40m×40m。

圖3.1 三維有限元模型圖

本模型的計(jì)算模擬范圍，隧道底部距模型下邊界距離2倍洞徑。計(jì)算時圍巖巖體按彈塑性材料考慮，并服從莫爾庫倫屈服準(zhǔn)則，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)按彈性材料考慮。隧道圍巖和橋臺均采用四面體單元，混凝土擋板采用面單元，鋼支撐、格構(gòu)柱、聯(lián)系梁、冠梁均采用線單元。網(wǎng)格劃分見上圖。模型的邊界條件通過限制模型四個側(cè)面和底面法向的位移來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算荷載包括地層和結(jié)構(gòu)自重即地面超載和橋臺上部傳來的荷載。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 橋臺分析

（1）位移分析

隧道開挖完成后12號橋臺的豎直和水平位移圖見圖4.1，橋臺的最大沉降值為3.52mm,其中遠(yuǎn)離基坑部位沉降值較大。地鐵開挖的施工使得橋臺的位移發(fā)生變化，臨近施工區(qū)橋臺豎向位移上升，遠(yuǎn)離施工區(qū)位移下降。支護(hù)結(jié)構(gòu)中灌注樁的中部受彎矩最大，樁中部變形量也是最大，橋臺中部圍巖沉降同時擠壓橋臺端部圍巖，使得其靠近開挖面處有向上的位移。（2）應(yīng)力分析

圖4.1 12#橋臺豎向位移云圖

圖4.2為橋臺沿豎直方向的應(yīng)力云圖，由圖中可知道橋臺最大應(yīng)力為395KPa，最大應(yīng)力區(qū)占據(jù)了橋臺大部分區(qū)域，在下部四周應(yīng)力分布逐漸減小最小值為-2.31MPa，最小值區(qū)域位于橋臺右下頂點(diǎn)位置。

圖4.2 12#橋臺豎向應(yīng)力云圖

4.2 圍巖分析

（1）圍巖變形分析

如圖4.3可知隧道開挖完成后圍巖的變形量最大為3.25mm，最小值為-3.52mm，最大變形量分布區(qū)域位于上部冠梁處，最大沉降區(qū)分布于橋臺基礎(chǔ)處。變形區(qū)域位于基坑中部。

圖4.3 圍巖豎向位移圖

沿開挖邊界分別取離邊界、橋臺進(jìn)隧道側(cè)、橋臺中間點(diǎn)、橋臺遠(yuǎn)離開挖側(cè)即圖中ABCD四個點(diǎn)[3]，繪出各施工步下4點(diǎn)的位移變化折線圖。具體如圖4.4所示。

圖4.4 圍巖動態(tài)沉降曲線

（2）圍巖應(yīng)力分析

隨著施工的進(jìn)行圍巖應(yīng)力發(fā)生多次應(yīng)力重分布，圖4.5為施工完成后圍巖的應(yīng)力變化云圖，應(yīng)力最小值為-856KPa。從圖中可知，開挖中支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了很好的維護(hù)作用，圍巖的應(yīng)力在開挖隧道兩邊沿縱向分布比較均勻。

圖4.5 圍巖豎向應(yīng)力云圖

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

（1）變形分析

該段施工中采用了樁、板、支撐三種支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖4.6可知橫向支撐在開挖完畢后最大豎向位移為6.45cm，最大位移發(fā)生在兩個格構(gòu)柱之間的鋼支撐。隨著施工的進(jìn)行，樁沿X方向發(fā)生位移，使得支撐軸向受力并且產(chǎn)生變形。

灌注樁最大水平變形量為20.69mm，最大變形區(qū)域位移樁身中間偏上部分，第二層和第三層支撐處。其值小于《公路橋涵施工質(zhì)量檢驗(yàn)評定與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》第四章第三節(jié)規(guī)定的灌注樁在垂直于軸線方向的允許位移偏差40mm。

圖4.6 支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

（2）內(nèi)力分析

施工時支撐中的應(yīng)力發(fā)生重分布，開挖完成后，中間層的支撐受力最大，最大值為1046.78KN，第一層支撐最大軸力為464.26KN，第三層支撐軸力為57.17KN。如圖4.7。

樁最大彎矩值為1344.62KN.m，最大值位于靠近橋臺一側(cè)。

圖4.7 支撐軸力云圖

5 小結(jié)

隧道開挖后，橋臺的豎向和水平位移均發(fā)生了變化，主要表現(xiàn)在臨近開挖區(qū)域處橋臺有向上的位移，遠(yuǎn)離開挖區(qū)域橋臺有向下的位移。隨著施工的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力發(fā)生多次重分布，并使得基坑中部的圍巖變形量較大，進(jìn)一步使橋臺中部區(qū)域沉降。在圍巖壓力的推動下，臨近開挖面的圍巖受到擠壓，從而使得橋臺有一定程度的抬升。開挖中灌注樁和圍巖沿水平方向的變化一致。對灌注樁而言，樁身中部所承受的圍巖水平方向的圍巖壓力較大，造成樁身中部的水平變形較大。鋼支撐的架設(shè)很好的平衡了因開挖引起的圍巖側(cè)壓力，開挖完成中部支撐受到的軸力最大，變形量也很大，但由于格構(gòu)柱的存在限制了支撐的豎向變形，保證了施工中支撐的安全工作。

本文所得結(jié)論是以隧道與橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，再結(jié)合工程類比和有限元模型計(jì)算結(jié)果，綜合分析所得。由于實(shí)際工程與施工現(xiàn)場情況、隧道橋梁結(jié)構(gòu)和地質(zhì)情況密切相關(guān)，故本文相關(guān)結(jié)論還有待工程實(shí)踐進(jìn)一步論證。

[1]于清浩.新建隧道施工對既有隧道的影響分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2010:44-48.

[1]JTG D60-2015公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

[2]朱育才，林志，石波.隧道擴(kuò)建對地面建筑物的影響分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011,30(5):938-942.

U45

B

1007-6344（2016）04-0039-02

張龍凡（1990-），男，陜西安康人，碩士研究生，主要從事巖土工程、隧道工程領(lǐng)域的科研工作。