路堤填筑對下覆輸水隧洞的影響及減載設計

呂 利,孫 波,譚 彩

(1.水利部珠江水利委員會技術咨詢(廣州)有限公司,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心,廣東 廣州 510611;3.廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635;4.河口水利技術國家地方聯合工程實驗室,廣東 廣州 510635)

水工隧洞是重要輸水建筑物,在埋深較大、圍巖完整性較好的區域,主要依靠圍巖承受大部分山巖壓力;在埋深較淺、圍巖破碎的松散介質體區域,由襯砌承受外部荷載[1-3]。在隧洞上方進行路堤填筑,將改變圍巖受力狀況,引起圍巖應力重分布,導致襯砌所受力增大,影響襯砌結構的穩定性[4-8]。由于填方引起的圍巖應力變化機理較為復雜,不能采用普氏理論及松散介質理論對襯砌所受壓力進行計算分析,因此需用有限元數值模擬方法對襯砌結構受力進行定量計算,提出襯砌的減載方案,并進行優化設計。通常將2.5倍塌落拱高度作為判斷隧洞深埋和淺埋的臨界深度,當埋深小于2.5倍塌落拱高度則稱為淺埋隧洞,反之則定義為深埋隧洞。對于深埋隧洞,在圍巖可灌性較好的區域,采用固結灌漿法對隧洞周邊的圍巖進行加固處理,可以提高圍巖的整體彈性模量,減小襯砌所受山巖壓力[9-11];對于淺埋隧洞,在隧洞頂部設置加筋沉降區,利用隧洞頂部土體與周邊土體的不均勻沉降,在隧洞頂部產生土拱效應,可達到減小隧洞頂部荷載的效果[12-15]。但在具有一定埋深深度、可灌性較差的圍巖情況下,采用以上2種方法均難以達到有效的減載效果。本文提出一種沿隧洞軸向兩側一定范圍內設置若干排灌注樁的新型隧洞減載方法,利用樁體將上部荷載傳遞至下部基巖,進而實現隧洞減載效果,可為類似工程提供借鑒。

1 計算模型

1.1 計算原理

有限元把求解區域看作由許多小的在節點處相互連接的單元(子域)所構成,其模型給出基本方程的分片(子域)近似解,由于單元(子域)可以被分割成各種形狀和大小不同的尺寸,所以它能很好地適應復雜的幾何形狀、復雜的材料特性和復雜的邊界條件。

混凝土和巖土體均為彈塑性材料,按彈塑性增量理論進行計算。塑性應力-應變關系為:

{dσ}=[Dep]{dε}

(1)

其中,

(2)

對物理非線性問題,通常采用分段線性化的純增量法和逐次迭代的方法求解。即將加載過程分成若干個增量步,選擇其中任意一個增量步建立它的增量平衡方程并求解。

按照材料力學應力計算公式進行驗算,考慮混凝土受拉作用時,素混凝土襯砌內外截面的邊緣應力按式(3)、(4)驗算:

(3)

(4)

式中δ1、δ2——素混凝土外、內所受應力;N——軸向力;M——構件所受彎矩;b——截面寬度;h——截面的厚度;W——截面抵抗矩;F——襯砌截面面積。

素混凝土截面邊緣應力應滿足式(5)、(6)要求:

(5)

(6)

式中K——安全系數,取值1.7;fc——混凝土軸心抗拉強度設計值;ft——混凝土軸心抗拉強度設計值;γm——截面抵抗矩塑性系數,取1.55。

1.2 網格模型

計算模型選取高速公路填方與隧洞交叉段,隧洞樁號范圍K9+951—K10+049,隧洞原埋深為6 m,高速公路路基高約10 m,公路走向與隧洞軸線走向近乎垂直。公路路面寬度24 m,坡度為1.00∶1.75,在路堤高度5 m處設置2 m寬的平臺。出露的巖層從隧洞進口至出口主要有太古代的花崗片麻巖;古生代的石灰巖和灰頁巖互層;中生代的砂巖、頁巖及砂頁巖互層;中生代末新生代的次玄武巖和火山碎屑巖類。高速公路填方與隧洞交叉段巖層為強風化砂巖層,層厚14.5 m,下部中風化砂巖層計算厚度取20 m。隧洞為無壓城門洞型,采用C25素混凝土澆筑,隧洞襯砌邊墻高3 m,頂拱半徑1.5 m,邊墻和頂拱混凝土厚度為0.3 m,底板厚度為0.4 m。隧洞兩側灌注樁直徑為1 m,灌注樁連續成墻,長度為22 m,深入中風化砂巖7.5 m,在計算模型中簡化為地連墻。施工時,先在隧洞兩側設計位置實施鉆孔灌注樁施工,當有多排灌注樁時先完成中間位置灌注樁施工,而后逐漸向兩邊施工,灌注樁實施完成后根據相關規范對其進行檢測,檢測合格后逐層填筑路堤。

為分析樁體排數對隧洞減載效果的影響,控制樁體間距和樁體彈性模量不變,分別計算樁體排數為1、2、3、4、5、6排時隧洞變形和應力的演變規律;為分析樁體彈性模量對隧洞減載效果的影響,控制樁體間距和樁體數量不變,分別計算樁體彈性模量為25.5、28.0、30.0、31.5 GPa時隧洞變形和應力的演變規律;為分析樁體間間距對隧洞減載效果的影響,控制樁體數量和樁體彈性模量不變,分別計算樁體間距為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m時隧洞變形和應力的演變規律。有隧洞襯砌用板單元模擬,其余材料采用三維實體單元模擬,有限元計算模型垂直于隧洞軸線走向方向計算長度取83 m,沿隧洞軸線走向取計算長度為98 m。計算網格模型見圖1,計算節點數115 014個,計算單元數單元159 566個。

a)三維計算模型網格

在隧洞樁號10+000、9+971處分別設置1、2號2個監測斷面。每個監測斷面在襯砌頂拱、拱腰、邊墻、底板、邊墻與底板連接點設置監測點,見圖2。

a)1號斷面 b)2號斷面圖2 監測斷面監測點位布置(mm)

1.3 參數設置

計算采用Midas有限元軟件,計算模型物理力學參數見表1,三維實體單元服從摩爾-庫倫強度準則,隧洞襯砌結構服從彈性強度準則。

表1 材料物理力學參數

2 路堤填方對下覆隧洞襯砌的影響分析

2.1 襯砌的豎向變形分析

圖3為路堤填方引起的地基表面的沉降云圖。從圖中可知,路堤填筑完畢后,路堤下部地基發生了不同程度的沉降,其中路堤中部下的地面最大沉降量最大,達到了10.26 cm。圖4為隧洞襯砌的變形云圖。從圖中可知,路堤填方對隧洞襯砌變形影響較為明顯,樁號10+000斷面的襯砌變形量達到了5.45 cm,襯砌結構變形較大。

圖3 路堤填方引起地基沉降

圖4 路堤填方引起隧洞襯砌變形

2.2 襯砌的應力分析

圖5、6分別為路堤填方前、后隧洞襯砌軸力云圖。從圖中可知,填方前隧洞襯砌所受應力均為壓力,最大壓力值為99 kN,出現在拱腰位置;填方后隧洞襯砌所受拉力和壓力都大幅增加,在樁號10+000附近,襯砌頂拱和拱腰部分依然受壓,但邊墻底部開始出現拉力,最大值達到了2 510.89 kN。

圖5 填方前隧洞襯砌軸力

圖6 填方后隧洞襯砌軸力

圖7、8分別為路堤填方前、后隧洞襯砌彎矩云圖。從圖中可知,路堤填筑前隧洞襯砌的最大正彎矩為16.32 kN·m,出現在底板中部;最大負彎矩出現在邊墻與底板交接處,最大值為46.87 kN·m。填筑結束后,路堤下方隧洞段的襯砌彎矩大幅增加,頂拱和拱腰位置處的最大正彎矩達到了51.83 kN·m,邊墻和底板交接處的負彎矩值增長到120.67 kN·m。

圖7 填方前隧洞襯砌彎矩

圖8 填方后隧洞襯砌彎矩

2.3 填方后襯砌結構穩定分析

將路堤前后各個監測點變形及受力情況統計見表2。從表中可以看出,填筑前隧洞結構整體處于穩定狀態,路堤填筑對隧洞襯砌的變形與受力影響較大。其中,監測斷面1號附近的襯砌,頂拱的變形量為5.45 cm,監測點1-3、1-4、1-5、2-4處的拉應力值均已超過材料的最大受拉允許值,襯砌結構易由此被拉裂。

表2 填方前后襯砌變形及受力

3 減載效果敏感性分析

3.1 樁體設置范圍對減載效果的影響

監測點1-1處的變形隨樁體排數變化規律見圖9,監測點1-4、1-5處的拉應力變化隨樁體排數變化規律見圖10。從圖9中可知,隨著灌注樁排數的增加,監測點1-1的豎向變形不斷減小,當灌注樁排數大于4排后,監測點變形量穩定在1.62 cm。從圖10中可知,監測點1-4、1-5的拉應力隨著灌注樁排數的增加逐漸降低,而壓應力不斷增加,當灌注樁排數大于4排后,監測點的應力值趨于穩定。因此,在隧洞兩側10 m范圍內加固,較為合理。

圖9 監測點1-1處變形隨樁體排數變化規律

圖10 監測點1-1處應力隨樁體排數變化規律

3.2 樁體彈性模量對減載效果的影響

圖11為不同樁體彈性模量對隧洞減載效果的影響。從圖中可以看出,增加樁體彈性模量對減小隧洞變形基本沒有影響。隨著樁體彈性模量的增大,監測點1-4、1-5處的應力改變也十分有限,因此,在計算的樁體彈模范圍內改變樁體彈性模量對隧洞減載沒有明顯效果。

a)變形

3.3 樁體間距對減載效果的影響

從圖12中可以看出,樁間距對隧洞減載效果有一定影響,隨著樁間距的增加,襯砌頂拱變形不斷加大,監測點1-4、1-5處襯砌所受拉應力有所增加,所受壓應力有所減小。當樁間距大于3 m時,監測點1-1處的變形增大幅度變大。因此,樁間距設置為3 m較為適宜。

a)變形

4 結論

a)路堤填方對隧洞襯砌結構有較大影響,直接填筑路堤將導致輸水隧洞破壞,在隧洞兩側一定范圍內設置灌注樁,可以有效減小隧洞襯砌頂拱的變形,改善襯砌的應力狀況,具有明顯的減載效果。

b)路堤填筑導致輸水隧洞最大變形位于襯砌頂拱附近,而最大應力通常位于側墻與底板交界位置。

c)灌注樁彈性模量對減載效果影響不大,樁體排數和樁間距對減載效果影響較大,適當增大樁間距,可以提高工程的經濟性,但過大的樁間距會影響減載效果,對于本工程樁間距3 m較優。