路堤填筑对下覆输水隧洞的影响及减载设计

吕 利,孙 波,谭 彩

(1.水利部珠江水利委员会技术咨询(广州)有限公司,广东 广州 510611;2.水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心,广东 广州 510611;3.广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510635;4.河口水利技术国家地方联合工程实验室,广东 广州 510635)

水工隧洞是重要输水建筑物,在埋深较大、围岩完整性较好的区域,主要依靠围岩承受大部分山岩压力;在埋深较浅、围岩破碎的松散介质体区域,由衬砌承受外部荷载[1-3]。在隧洞上方进行路堤填筑,将改变围岩受力状况,引起围岩应力重分布,导致衬砌所受力增大,影响衬砌结构的稳定性[4-8]。由于填方引起的围岩应力变化机理较为复杂,不能采用普氏理论及松散介质理论对衬砌所受压力进行计算分析,因此需用有限元数值模拟方法对衬砌结构受力进行定量计算,提出衬砌的减载方案,并进行优化设计。通常将2.5倍塌落拱高度作为判断隧洞深埋和浅埋的临界深度,当埋深小于2.5倍塌落拱高度则称为浅埋隧洞,反之则定义为深埋隧洞。对于深埋隧洞,在围岩可灌性较好的区域,采用固结灌浆法对隧洞周边的围岩进行加固处理,可以提高围岩的整体弹性模量,减小衬砌所受山岩压力[9-11];对于浅埋隧洞,在隧洞顶部设置加筋沉降区,利用隧洞顶部土体与周边土体的不均匀沉降,在隧洞顶部产生土拱效应,可达到减小隧洞顶部荷载的效果[12-15]。但在具有一定埋深深度、可灌性较差的围岩情况下,采用以上2种方法均难以达到有效的减载效果。本文提出一种沿隧洞轴向两侧一定范围内设置若干排灌注桩的新型隧洞减载方法,利用桩体将上部荷载传递至下部基岩,进而实现隧洞减载效果,可为类似工程提供借鉴。

1 计算模型

1.1 计算原理

有限元把求解区域看作由许多小的在节点处相互连接的单元(子域)所构成,其模型给出基本方程的分片(子域)近似解,由于单元(子域)可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸,所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。

混凝土和岩土体均为弹塑性材料,按弹塑性增量理论进行计算。塑性应力-应变关系为:

{dσ}=[Dep]{dε}

(1)

其中,

(2)

对物理非线性问题,通常采用分段线性化的纯增量法和逐次迭代的方法求解。即将加载过程分成若干个增量步,选择其中任意一个增量步建立它的增量平衡方程并求解。

按照材料力学应力计算公式进行验算,考虑混凝土受拉作用时,素混凝土衬砌内外截面的边缘应力按式(3)、(4)验算:

(3)

(4)

式中δ1、δ2——素混凝土外、内所受应力;N——轴向力;M——构件所受弯矩;b——截面宽度;h——截面的厚度;W——截面抵抗矩;F——衬砌截面面积。

素混凝土截面边缘应力应满足式(5)、(6)要求:

(5)

(6)

式中K——安全系数,取值1.7;fc——混凝土轴心抗拉强度设计值;ft——混凝土轴心抗拉强度设计值;γm——截面抵抗矩塑性系数,取1.55。

1.2 网格模型

计算模型选取高速公路填方与隧洞交叉段,隧洞桩号范围K9+951—K10+049,隧洞原埋深为6 m,高速公路路基高约10 m,公路走向与隧洞轴线走向近乎垂直。公路路面宽度24 m,坡度为1.00∶1.75,在路堤高度5 m处设置2 m宽的平台。出露的岩层从隧洞进口至出口主要有太古代的花岗片麻岩;古生代的石灰岩和灰页岩互层;中生代的砂岩、页岩及砂页岩互层;中生代末新生代的次玄武岩和火山碎屑岩类。高速公路填方与隧洞交叉段岩层为强风化砂岩层,层厚14.5 m,下部中风化砂岩层计算厚度取20 m。隧洞为无压城门洞型,采用C25素混凝土浇筑,隧洞衬砌边墙高3 m,顶拱半径1.5 m,边墙和顶拱混凝土厚度为0.3 m,底板厚度为0.4 m。隧洞两侧灌注桩直径为1 m,灌注桩连续成墙,长度为22 m,深入中风化砂岩7.5 m,在计算模型中简化为地连墙。施工时,先在隧洞两侧设计位置实施钻孔灌注桩施工,当有多排灌注桩时先完成中间位置灌注桩施工,而后逐渐向两边施工,灌注桩实施完成后根据相关规范对其进行检测,检测合格后逐层填筑路堤。

为分析桩体排数对隧洞减载效果的影响,控制桩体间距和桩体弹性模量不变,分别计算桩体排数为1、2、3、4、5、6排时隧洞变形和应力的演变规律;为分析桩体弹性模量对隧洞减载效果的影响,控制桩体间距和桩体数量不变,分别计算桩体弹性模量为25.5、28.0、30.0、31.5 GPa时隧洞变形和应力的演变规律;为分析桩体间间距对隧洞减载效果的影响,控制桩体数量和桩体弹性模量不变,分别计算桩体间距为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m时隧洞变形和应力的演变规律。有隧洞衬砌用板单元模拟,其余材料采用三维实体单元模拟,有限元计算模型垂直于隧洞轴线走向方向计算长度取83 m,沿隧洞轴线走向取计算长度为98 m。计算网格模型见图1,计算节点数115 014个,计算单元数单元159 566个。

a)三维计算模型网格

在隧洞桩号10+000、9+971处分别设置1、2号2个监测断面。每个监测断面在衬砌顶拱、拱腰、边墙、底板、边墙与底板连接点设置监测点,见图2。

a)1号断面 b)2号断面图2 监测断面监测点位布置(mm)

1.3 参数设置

计算采用Midas有限元软件,计算模型物理力学参数见表1,三维实体单元服从摩尔-库伦强度准则,隧洞衬砌结构服从弹性强度准则。

表1 材料物理力学参数

2 路堤填方对下覆隧洞衬砌的影响分析

2.1 衬砌的竖向变形分析

图3为路堤填方引起的地基表面的沉降云图。从图中可知,路堤填筑完毕后,路堤下部地基发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,达到了10.26 cm。图4为隧洞衬砌的变形云图。从图中可知,路堤填方对隧洞衬砌变形影响较为明显,桩号10+000断面的衬砌变形量达到了5.45 cm,衬砌结构变形较大。

图3 路堤填方引起地基沉降

图4 路堤填方引起隧洞衬砌变形

2.2 衬砌的应力分析

图5、6分别为路堤填方前、后隧洞衬砌轴力云图。从图中可知,填方前隧洞衬砌所受应力均为压力,最大压力值为99 kN,出现在拱腰位置;填方后隧洞衬砌所受拉力和压力都大幅增加,在桩号10+000附近,衬砌顶拱和拱腰部分依然受压,但边墙底部开始出现拉力,最大值达到了2 510.89 kN。

图5 填方前隧洞衬砌轴力

图6 填方后隧洞衬砌轴力

图7、8分别为路堤填方前、后隧洞衬砌弯矩云图。从图中可知,路堤填筑前隧洞衬砌的最大正弯矩为16.32 kN·m,出现在底板中部;最大负弯矩出现在边墙与底板交接处,最大值为46.87 kN·m。填筑结束后,路堤下方隧洞段的衬砌弯矩大幅增加,顶拱和拱腰位置处的最大正弯矩达到了51.83 kN·m,边墙和底板交接处的负弯矩值增长到120.67 kN·m。

图7 填方前隧洞衬砌弯矩

图8 填方后隧洞衬砌弯矩

2.3 填方后衬砌结构稳定分析

将路堤前后各个监测点变形及受力情况统计见表2。从表中可以看出,填筑前隧洞结构整体处于稳定状态,路堤填筑对隧洞衬砌的变形与受力影响较大。其中,监测断面1号附近的衬砌,顶拱的变形量为5.45 cm,监测点1-3、1-4、1-5、2-4处的拉应力值均已超过材料的最大受拉允许值,衬砌结构易由此被拉裂。

表2 填方前后衬砌变形及受力

3 减载效果敏感性分析

3.1 桩体设置范围对减载效果的影响

监测点1-1处的变形随桩体排数变化规律见图9,监测点1-4、1-5处的拉应力变化随桩体排数变化规律见图10。从图9中可知,随着灌注桩排数的增加,监测点1-1的竖向变形不断减小,当灌注桩排数大于4排后,监测点变形量稳定在1.62 cm。从图10中可知,监测点1-4、1-5的拉应力随着灌注桩排数的增加逐渐降低,而压应力不断增加,当灌注桩排数大于4排后,监测点的应力值趋于稳定。因此,在隧洞两侧10 m范围内加固,较为合理。

图9 监测点1-1处变形随桩体排数变化规律

图10 监测点1-1处应力随桩体排数变化规律

3.2 桩体弹性模量对减载效果的影响

图11为不同桩体弹性模量对隧洞减载效果的影响。从图中可以看出,增加桩体弹性模量对减小隧洞变形基本没有影响。随着桩体弹性模量的增大,监测点1-4、1-5处的应力改变也十分有限,因此,在计算的桩体弹模范围内改变桩体弹性模量对隧洞减载没有明显效果。

a)变形

3.3 桩体间距对减载效果的影响

从图12中可以看出,桩间距对隧洞减载效果有一定影响,随着桩间距的增加,衬砌顶拱变形不断加大,监测点1-4、1-5处衬砌所受拉应力有所增加,所受压应力有所减小。当桩间距大于3 m时,监测点1-1处的变形增大幅度变大。因此,桩间距设置为3 m较为适宜。

a)变形

4 结论

a)路堤填方对隧洞衬砌结构有较大影响,直接填筑路堤将导致输水隧洞破坏,在隧洞两侧一定范围内设置灌注桩,可以有效减小隧洞衬砌顶拱的变形,改善衬砌的应力状况,具有明显的减载效果。

b)路堤填筑导致输水隧洞最大变形位于衬砌顶拱附近,而最大应力通常位于侧墙与底板交界位置。

c)灌注桩弹性模量对减载效果影响不大,桩体排数和桩间距对减载效果影响较大,适当增大桩间距,可以提高工程的经济性,但过大的桩间距会影响减载效果,对于本工程桩间距3 m较优。