新建隧道下穿既有高速公路施工力学行为分析

黄 强,王正明

(1.浙江省湖州市建工集团有限公司,浙江湖州 313000;2.中铁四局,安徽合肥 230023)

新建隧道下穿既有高速公路施工力学行为分析

黄 强1,王正明2

(1.浙江省湖州市建工集团有限公司,浙江湖州 313000;2.中铁四局,安徽合肥 230023)

通过对新建隧道下穿既有高速公路路面受力及变形分析可知,新建隧道下穿过程中,既有高速公路路面将产生较大的竖向下沉,路面底部处于较为不利的受力状态,新建隧道上弧形开挖过程中路面将产生最大位移量。建议在施工中就上述部位及不利工况应重点监控,确保工程安全。

隧道; 下穿; 既有公路; 施工; 分析

随着公路交通基础设施的迅猛发展及公路、铁路网的逐渐密集,新建隧道在既有公路临近及其下部穿过的事例越来越多,特别是我国东部地区,由于经济的快速发展,现有的公路网已不能满足日益增加的车流量运输要求,在此状况下,越来越多的复线及连接线工程得以实施,下穿既有构筑物工程逐年增多,使得对于已运营的结构安全性评价越来越得到重视。

拟建的新隧道位于我国华东某改道工程线上,设计中道路等级为四车道一级公路,隧道内岩性单一,以花岗岩为主,岩性条件一般,设计中依据岩性条件将其划分为Ⅲ ～Ⅴ级围岩,隧道内构造不甚发育,受地质构造影响轻微。值得注意的是:隧道在K 9+100附近下穿已运营的高速公路,拱顶距离公路路面最薄处仅 7m左右,下穿地段主要位于强风化花岗岩中,岩体总体性状较差,设计中将其列为Ⅴ级围岩段,施工中采用管棚注浆超前支护配合分部开挖预留核心土方式掘进,考虑到已运营高速公路车流量较大,车型复杂,为保障施工期间既有公路的安全运营,对下穿段进行数值分析是很有必要的。

1 新建隧道下穿既有公路力学分析

1.1 计算依据及计算模型的确定

图1 总体模型

根据新建隧道的实际形态,在综合分析下穿既有高速公路平纵断面图及地质资料的基础上,选择最不利工况(拱顶距路面仅7 m)建立分析模型,模型建立时以该段地质参数、地形实态为依据(图 1)。

考虑埋深较浅,计算中以自重应力场为主。模型建立时宽度方向(即x方向)由隧道中线位置向两侧各延伸 50m、高度方向(即y方向)取仰拱底部以下36m、拱顶以上取实际埋深。在模型的下边界施加竖向约束;左、右边界施加水平约束。根据隧道特点,采用平面应变分析[1],隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑,采用Druck-Prager屈服准则,围岩和二衬采用二维平面单元(p lane42),初期支护喷混凝土采用梁单元(beam3),对于设计中的锚杆及管棚超前加固,根据以往数值模拟经验资料,拟对加固区采用提高围岩材参数的方法来进行模拟[2、3]。计算按实际的开挖步骤进行如图1所示。

1.2 计算参数的选取

计算参数是参考《工程地质勘查报告》的基础上,结合《公路隧道设计规范》并综合室内物理力学试验资料按较低数值选取如表 1所示。需要说明的是对于表中围岩管棚超前加固区及锚杆支护效果采用的是提高围岩物理力学参数的方法来实现的,考虑到围岩加固效果受诸多因素影响,鉴于目前国内外对于该方面研究资料也较为缺乏[4、5],故此,本次分析在参考已有资料的基础上,对于预加固区围岩参数提高一个级别;对于锚杆的支护效果,依据《公路隧道设计规范》(第9.2.5条文说明),只提高了加固区内聚力c值,提高幅度约 30%[6]。计算中模拟隧道开挖时,具体计算过程严格按照施工步骤进行,计算过程中,根据《公路隧道设计规范》,拟让初支及围岩承担 40%,二衬承担60%的围岩压力。

图2 研究面拱顶及既有高速公路路面特征点

考虑计算的主要目的是为了研究在上述施工方案下既有高速公路的安全性状况,计算中选取了特定研究面进行分析,网格划分见图 2所示。

1.3 计算结果分析

根据近接施工的研究分析表明,下穿高速公路过程中既有路面的沉降将是影响其正常使用功能的重要因素,基于此,本次分析重点对下穿过程中高速公路路面的沉降状况进行探讨。

1.3.1 位移分析

依据研究目的,获得下穿过程中围岩位移及其矢量如图3所示,从图中可以看出:

(1)隧道开挖后,拱顶将产生下沉,拱顶将产生隆起,最大下沉值达14mm,最大隆起量达30mm,量值较大;水平向均产生向隧道内的位移,收敛值达25.4mm。

(2)结合路面特征点沉降图及拱顶深部围岩竖向位移图可以看出,隧道开挖过程中,既有公路路面将产生中间大,两侧小的“沉降槽”,路面最大沉降量发生在拱顶最上方,达16.4mm,拱顶深部位移隧道距离拱顶量值的增大,逐渐减小,但减小量不大。

(3)从各开挖步产生的位移量值来看,上弧形导坑开挖产生的沉降量最大,而后稍有回弹施工中应重点关注此施工步。

1.3.2 应力分析

根据分析,同时获取了下穿时的围岩及路面应力分布(图6)。

从应力分布可以看出,隧道下穿过程中,最大、最小主应力均产生在既有公路路面,最大主应力产生在路面底部,承受拉应力,最大量值达0.85 MPa,最小主应力产生在路面顶部,承受压应力,最大量值达2.51MPa,在此受力状态下,路面底部可能产生受拉破坏,施工中建议重点监控。

图3 隧道修建过程中位移及其矢量

图4 既有高速公路路面特征点沉降

图5 隧道拱顶深部围岩特征点竖向位移(单位:mm)

图6 主应力分布图(单位:Pa)

2 结 论

通过上述计算可以看出,下穿过程中,既有高速公路路面将产生较大的竖向下沉,路面底部处于较为不利的受力状态,上弧形开挖过程中将产生最大位移量。建议在施工中应重点监控。

[1] 潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社,1995

[2] 关宝树.隧道工程设计要点集[M].北京:人民交通出版社,2003

[3] 汪波,吴德兴.弁山隧道不同加固方案下的力学行为研究[J].铁道建筑,2007,(1):43-47

[4] 葛家良,陆士良.巷道锚注加固技术及其效果的研究[J].化工矿山技术,1997,26(2):13-16

[5] 张玉祥,陆士良.综放回采巷道支护机理及实践[J].矿山压力与顶板管理,1997(3):86-88

[6] JTGD 70-2004公路隧道设计规范[S]

U455.49

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2009-12-02

黄强(1974～),男,工程师,主要从事道路桥梁施工、设计工作。