上覆工程对供水隧洞安全影响的数值分析

2020-11-19李建平

陕西水利 2020年9期

路敏，李建平

（1.杨凌示范区农科资产管理有限公司，陕西杨凌 712100；2.杨凌示范区市政园林工程有限公司，陕西杨凌 712100）

0 引言

隧洞是埋至于地层中的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。1970 年，国际经济合作与发展组织将隧洞定义为以某种用途、在地面下用任何方法按规定形状和尺寸修筑的断面积大于2 m2的洞室[1]。而隧洞安全是摆在广大隧洞施工管理者和技术人员面前的一个课题，也是一个难题。毕可为为研究小净距隧洞施工之间的相互影响，运用FLAC 2D 软件进行数值模拟，并认为先行开挖暗挖段再施工单线盾构区间可最大限度减少二者之间的不利影响，保证地铁区间施工安全[2]。魏纲采用二维有限元方法对邻近中低层建筑物工况下的暗挖隧洞施工进行模拟和分析，得出建筑物的存在会增大隧洞开挖引起的地面沉降和衬砌的受力与变形，同时隧洞开挖也会使邻近建筑物产生附加应力和变形[3]。赖金星基于弹塑性有限元方法对双连拱隧洞施工过程进行分析，得到施工过程中围岩的应力、应变状态，以及初期支护和二次衬砌的受力状态，发现施工过程中围岩和支护结构处于安全状态，分析结果为羊泉沟隧洞的顺利贯通提供了有效指导[4]。祝文化利用FLAC 10 软件建立浅埋偏压单拱隧洞计算模型，模拟围岩在不同施工阶段的变化情况，得到了围岩在不同施工阶段的应力场、位移场以及塑性区的分布规律，并与现场监控量测数据进行了对比分析，得出了一些可靠的结论[5]。张会刚针对深圳地铁新建隧洞邻接既有隧洞工程，利用FLAC3D 软件进行施工过程模拟，显示在本地质条件和特定盾构推力情况下，变形量满足设计要求；沉降曲线相对平坦，满足既有隧洞横向差异沉降要求[6]。赖金星为研究常见小型溶洞引起的隧洞稳定性问题，应用有限元方法，分析溶洞处于隧洞不同位置对围岩位移和隧洞结构受力的影响，表明隧底溶洞距离为1 m 时，仰拱轴力增加21%，其余部分变化微弱；侧壁溶洞距离为1 m 时，边墙轴力增加14.8%，其余部分变化微弱；隧顶溶洞距离为1 m 时，拱顶轴力增加10%；其余部分变化微弱[7]。张志强针对深圳地铁新建隧洞邻接既有桩基的地铁工程，进行三维有限元数值模拟的施工力学行为研究，发现与无桩情况相比较，邻接桩基施工将引起新建隧洞自身结构，特别是与既有桩基邻接一侧边墙不利的受力状况和变形特征；并且邻接施工还将引起既有桩基产生偏向隧洞水平方向的“拉伸”形情况[8]。张治国基于Winkler 地基模型建立地铁隧道纵向变形影响的基本微分方程，研究不同隧道埋深、距离基坑开挖现场远近、不同地基土质和不同隧道外径等因素对隧道纵向变形的影响，结合大型三维有限元数值模拟以及现场实测数据将计算结果进行对比[9]。

本文从新建上覆工程对原有的供水隧洞安全影响的角度出发，利用MidasGTS-NX 软件，选用2D“地层- 结构”计算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后两种工况下对供水隧洞进行位移、弯矩与安全系数方面的数值分析。

1 工程概况

拟建场地属构造剥蚀浅丘沟谷地貌，但目前该场地已全部平场，地形坡度较小，最低点位于场区南侧，最高点位于场地西侧，相对高差8.56 m 左右。斜坡坡角一般0°～8°，地形较为平缓，场地地形地貌简单。勘察范围内岩层呈单斜状构造，无区域性断层通过，构造地质条件较简单，岩层倾向285°～315°，倾角5°～12°。根据区域地质资料和现场调查，场区内及附近并无活动断裂通过。通过钻探揭示，场地基岩风化裂隙较发育，裂隙发育程度随深度增加而减弱。上覆工程范围面积为2548.5 m2。上覆工程结构标高为251.500 m，带有深度为600 mm 的厚覆土。

2 隧洞结构安全评估办法

2.1 计算模型

本次采用有限元分析软件MidasGTS-NX，按照原设计的参数建立2D“地层- 结构”模型，计算供水隧洞断面的位移、弯矩和安全系数。

“2D 地层- 结构”法分析地层结构法主要包括地层的合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟以及施工过程中结构与周围地层的相互作用、周围地层与结构相互作用的模拟。地层结构模型的计算理论即为地层结构法，其原理是将衬砌和地层视为整体，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，以此来验算地层的稳定性和进行构件截面设计。利用有限元软件建立起“地层- 结构”模型，根据施工过程模拟各种工况，再利用软件分析结果，分别提取隧洞现状和新建上覆工程后供水隧洞典型断面的位移、衬砌轴力、弯矩值，并对供水隧洞设计竣工图的衬砌形式进行分析检算。