某堆场工程建设对既有隧道安全影响分析

熊桂开

（1.重庆交通大学，重庆市 400074；2.重庆市勘测院，重庆市 400020）

0 引 言

既有隧道为左、右洞分离的结构型式，分离隧道轴线间距为23.5～29.1 m，为小净距隧道。标准段隧道内轮廓按建筑限界宽10.0 m，高5.0 m拟定，采用三心圆断面，拱半径5.40 m，曲墙半径5.73 m，内空净面积72.19 m2，净高8.19 m，净宽10.80 m。左、右隧道洞身长分别为396 m与418 m，为城市短隧道，隧道通风方式采用自然通风。建筑界限以及内轮廓线详见图1，复合型衬砌断面见图2。

拟建场地位于南温泉背斜东翼，岩层呈单斜产出，未见断层及次级褶皱，地质构造简单。洞顶岩层厚度13.5～67 m,下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组砂质泥岩与砂岩互层状产出，以砂质泥岩为主，岩层呈单斜状产出，围岩构造裂隙不发育，泥岩基本无水，砂岩中含少量地下水。基岩面坡度近于自然地面坡度，未发现滑坡、软弱夹层等不良地质现象，斜坡稳定，现状稳定。原隧道位于堆场下方，为深埋隧道，最大埋深67 m，由于堆场建设需对隧道顶山体进行平场施工，平场后其埋深约为28～35 m左右，见图3。

堆场工程在建设过程中会不可避免地对既有隧道工程结构产生一定的影响，使既有结构产生附加内力和不均匀沉降，甚至有可能发生超过管理基准的变形，从而影响隧道的正常、安全运营。因此有必要在堆场工程施工前对既有隧道结构的变形和应力以及对它们之间的相互影响程度进行预测和评估。

图1 建筑界限以及内轮廓线（单位：mm）

图2 复合型衬砌断面图（单位：mm）

因此，通过建立三维数值计算模型，将堆场工程施工对于既有隧道工程的影响进行模拟分析，研究既有结构产生的附加内力和变形规律，以及二者之间的相互影响程度进行预测，为施工及运营提供科学的指导。评估的思路是：采用三维地层－结构模型，运用有限元计算软件进行数值计算，预测该隧道工程在堆场工程施工前和平场后以及运营后三种工况下所发生的变形和应力，再根据隧道工程的纵向沉降值以及应力，评价隧道结构的安全性。

图3 堆场与隧道工程的立面位置关系

2 计算分析

运用ANSYS有限元计算软件进行数值计算，岩土体采用弹塑性本构关系，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则。平场前模型上边界按该段最高高程取至地表，埋深67 m，模型共有80 777节点，72 720个单元，平场后模型上边界按该段最高高程取至地表，埋深28 m，模型共有71 944节点，64 690个单元。模型侧面和底面为位移边界，模型左右两侧面施加X方向约束，模型底部施工Y向约束，模型前后两侧面施工Z方向的约束，地表作为模型上边界，为自由边界。三维数值分析中，围岩采用Solid45单元模拟，隧道结构采用Shell63单元模拟。根据相关要求，在隧道顶堆场及相关道路投入使用后，其地面承受的总荷载不能超过100 kN/m2的要求，本次评估验算荷载采用平场后地面总荷载为100 kN/m2。计算分析分三个工况，工况一为施工前，工况二平场后，工况三为运营堆载后。

本次建模所采用的计算参数见表1，参数来源参考工程地质详细勘察报告。计算模型见图4～图7。

表1 计算参数一览表

图4 平场前计算模型图

图5 平场后计算模型图

图6 平场加载后计算模型图

2.1 隧道结构位移分析

隧道结构位移分析成果见表2。

表2 各计算工况位移表

综上所述，堆载后隧道支护结构拱顶的最大沉降值相对于未平场前最大增加了1.253 mm+1.434 mm-2.932 mm=-0.245 mm，表明拱顶最大隆起了0.245 mm，拱顶支护结构有所反弹；隧道支护结构拱顶的最小沉降值相对于未平场前最大增加了0.839 mm+1.336 mm-2.096 mm=0.079 mm，表明拱顶最大沉降了0.079 mm。

2.2 隧道结构应力分析

隧道结构应力分析成果见表3。

表3 各工况下应力分析结果表

综上所述，堆载后隧道结构最小应力较平场前小，降低幅度达到了47.44%;堆载后隧道结构最大应力较平场前小，降低幅度达到了24.83%。

从隧道结构位移、应力分析结果可知，平场后隧道结构拱顶沉降最大隆起0.245 mm，结构发生了反弹，最大沉降0.079 mm，平场前后其变化不大；而隧道结构最小应力平场后较平场前降低了47.44%，隧道结构最大应力平场后较平场前减低了24.83%，堆载后，隧道结构应力较平场后虽有所增加，此时隧道结构仍是安全的。

2.3 围岩位移分析

围岩位移分析成果见表4。

表4 各计算工况位移表

综上所述，计算加载后拱顶围岩沉降最大值为2.316 mm，拱顶沉降最小值为0.257 mm，加载后沉降最大值发生在围岩顶部，最小值发生在底部。

2.4 围岩应力分析

围岩应力分析成果见表5。

表5 各工况下围岩应力分析结果表

综上所述，各工况下围岩最小应力虽有增大趋势，但工况3堆载完成后其值为4 175.4 Pa，小于隧道岩土工程勘察报告中给出的砂质泥岩轴心抗压强度Rc=7.7 MPa和砂岩的轴心抗压强度Rc=23.2 MPa，说明堆载后围岩是安全的；平场后围岩最大应力较平场前明显降低，降低幅度为50.67%，但堆载完毕后其值略微上升，增长幅度为15.06%，达到2.52 MPa，小于隧道岩土工程勘察报告中给出的砂质泥岩轴心抗压强度Rc=7.7 MPa和砂岩的轴心抗压强Rc=23.2 MPa，说明堆载后围岩是安全的。

3 结论

（1）本文采用数值模拟分析方法，分析了在隧道顶部山体施工前、平场后及运营后三种工况下隧道结构与围岩的位移、应力。若堆场建设严格按照相关规范要求施工，且运营后堆场荷载不超过设计容许值，则堆场施工以及建设运营后对隧道围岩结构影响很小，隧道及围岩结构是安全的。

（2）随着城市建设的飞速发展，类似文中工程建设项目情况将会越来越多，工程实例表明只要采取合适的施工方案和有效的支护措施，在既有隧道结构上进行结构施作是能够实现的。

[1]JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].2004.

[2]JTG D70—2004,公路隧道设计规范[S].2004.