新建水工隧洞下穿既有铁路隧洞有限元分析

程 露,罗 爽

(1.四川省亭子口灌区建设开发有限公司,四川 南充 637000;2.高坪区水利工程质量安全中心,四川 南充 637100)

0 引 言

在近距离交叉隧洞施工问题中,新建隧洞施工将在原有隧洞开挖后,造成多次围岩应力状态重分布,形成复杂多变的受力过程,而且新建隧洞的施工会对交叉隧洞的安全稳定性产生不良影响。因此,分析新建隧洞施工对已有交叉段隧洞的安全影响具有重要意义。

朱方敏等[1]采用ABAQUS,分析了上穿公路隧洞的施工对既有供水隧洞的影响,结果表明,上穿公路隧洞的开挖对供水隧洞衬砌产生较大的附加应力,需采用特定的开挖工艺和加固措施防止供水隧洞的破坏。刘立权等[2]采用MIDAS GTS,分析了上穿公路隧洞开挖对既有过水隧洞结构安全性的影响,结果表明,过水隧洞结构应力及变形增加显著,为了保证其结构的安全性,在实际施工中需要加强上方公路隧道衬砌支护并加固过水隧洞。赵刚等[3]采用3种不同的方法对下穿水工隧洞施工引起的公路隧道变形进行分析,结果表明,水工隧洞引起的公路隧道变形沉降满足正态分布。赵凯等[4]提出了一种计算水工隧洞下穿引起上部既有公路隧道沉降位移值的计算方法,并结合有限元模拟和实测数据,对理论计算方法进行了可靠性验证,分析了既有双线公路隧道沉降影响范围大小及沉降位移规律。李小牛[5]结合数值模拟方法与经验公式法,分析了既有铁路隧洞受新建引水隧洞下穿施工的影响。杨忠华[6]采用现场试验与数值模拟相结合的方法,分析了引水隧洞的开挖对既有铁路隧洞的影响,并采取相应的措施,保障引水隧洞的施工安全和既有铁路隧洞的安全运营。毕强等[7]运用FLAC3D,研究了新建隧道施工时既有隧道的变形及内力变化规律,并提出了保证既有隧道安全性的数量化指标。张建博等[8]提出了“超前支护、悬臂掘进机短进尺掘进、及时跟进强支护、加强监测、施工期保通措施并举”的浅埋暗挖技术方案,解决了浅埋地层下穿既有高速公路的输水隧洞的施工安全。刘均红[9]结合经验公式法和三维数值模拟计算方法,对新建引水隧洞下穿既有铁路隧洞爆破施工影响进行分析研究,得出了引水隧洞控制爆破范围和既有铁路隧洞受影响区段及变形规律。张武[10]应用ANSYS,对新建高速公路隧洞下穿既有供水隧洞进行分析,评估了公路隧洞的开挖对供水隧洞的安全影响。

本文在前人研究的基础上,采用非线性弹性理论,应用Abaqus有限元软件,建立水工隧洞结构三维有限元模型,对水工隧洞开挖及运行期间对高速铁路隧洞的应力及变形进行分析。

1 工程概况

某灌区工程水工隧洞下穿既有高速铁路隧洞,高速铁路线路与水工隧洞线路在空间上基本正交,水工隧洞洞顶与高速铁路隧洞洞底之间有厚20.0m的岩层。水工隧洞洞型为圆形洞型,隧洞直径6.7m,二次钢筋混凝土衬砌厚度65cm,设计流量58.25m3/s;高速铁路隧洞洞型为马蹄洞型,隧洞尺寸12.8m(宽)×11.2m(高),二次钢筋混凝土衬砌厚度60cm。隧洞岩石主要为粉砂岩和泥岩,局部夹砂岩薄层,节理裂隙发育,经过综合地质勘察,判别围岩类型为Ⅴ类。

2 有限元模型及计算参数

2.1 有限元模型

采用Abaqus,建立新建水工隧洞下穿高速铁路隧洞模型,以X轴为高速铁路隧洞轴线方向,Y轴为新建水工隧洞轴线方向,Z轴为竖直方向,向上为正。建立模型时,考虑到5倍洞径外,围岩对隧洞的影响较小,因此模型尺寸取为85m×110m×90m。模型整体采用六面体网格进行剖分,部分连接过渡网格采用四面体和五面体剖分,共划分为98 283个单元,105 387个节点。模型边界条件为位移约束边界,模型侧面为垂直侧边界水平向约束,底面为三向全约束。具体模型见图1。

图1 ABAQUS三维有限元模型

2.2 材料参数

根据初始地勘资料,参照类似工程经验,本工程材料的物理力学参数见表1。围岩体本构模型采用摩尔-库伦模型;钢筋混凝土本构模型采用线弹性模型。

表1 岩体及混凝土衬砌力学参数

2.3 计算工况及荷载组合

根据现有工程地质资料,隧洞围岩的初始地应力主要是岩体自重以及岩体中地下水产生的孔隙水压力。由于隧洞位于地下水位线以上,因此本工程主要取岩体自重产生的应力场为引水隧洞模型的初始地应力场,并清零模型的净变形量。

计算工况:①施工期水工隧洞采用全断面开挖,开挖完成后进行初期喷锚支护,再进行二次钢筋混凝土衬砌;②水工隧洞运行期,隧洞内水压力取0.4MPa。

计算方法:水工隧洞施工流程在Abaqus软件中需要通过生死单元技术来实现,具体是在Abaqus/CAE的Interaction部分通过Model Change来模拟水工隧洞的开挖、支护过程。

3 计算结果分析

3.1 位移分析

自重条件下,通过地应力平衡计算,得到高速铁路隧洞变形云图,见图2。围岩变形量级达到10-5～10-6,符合地应力平衡结果。在水工隧洞施工开挖期间,围岩发生指向临空面的位移,围岩变形影响范围明显超过水工隧洞洞径,其影响范围达到高速铁路隧洞位置,但对高速铁路隧洞水平位移影响较小,对竖直位移影响较大,见图3。高速铁路隧洞在围岩应力重分布的影响下,最大沉降发生在水工隧洞与高速铁路隧洞底部在空间上交叉处,最大沉降值为4.03mm,见图4。在水工隧洞运行期间,高速铁路隧洞最大沉降值为3.96mm,见图5(位移方向以向下为正)。水工隧洞开挖施工既有高速铁路隧洞最大变形值见表2。

表2 水工隧洞开挖施工既有高速铁路隧洞最大变形值

图2 地应力平衡后围岩变形云图

图3 水工隧洞开挖时围岩变形云图

图4 水工隧洞开挖时高速铁路隧洞变形云图

图5 水工隧洞运行时高速铁路隧洞变形云图

3.2 应力分析

水工隧洞开挖前,高速铁路隧洞应力分布基本呈对称分布,见图6。水工隧洞岩体开挖造成围岩应力重分布,围岩应力分布达到高速铁路隧洞位置,围岩主要以压应力为主,最大围岩压应力0.95MPa,高速铁路隧洞围岩压应力分布范围0.16～0.56MPa,见图7。在应力重分布的影响下,高速铁路隧洞衬砌应力分布存在拉应力,最大拉应力值由水工隧洞开挖前的7.39kPa增大至开挖后的10.99kPa再到运行期的11.33kPa,但均小于钢筋混凝土衬砌的抗拉强度,不影响隧洞衬砌结构的安全,见图8、图9(应力方向以压应力为负,拉应力为正)。水工隧洞运行时铁路隧洞小主应力云图见图10。

图6 水工隧洞开挖前围岩大主应力云图

图7 水工隧洞开挖时围岩大主应力云图

图10 水工隧洞运行时铁路隧洞小主应力云图

4 结 语

1)新建水工隧洞的开挖和运行,引起围岩体位移场的变化,其影响范围超过水工隧洞1倍开挖洞径,达到高速铁路隧洞所在位置;高速铁路隧洞沉降最大处出现在两隧洞空间位置交叉处,其水平位移影响较小。

2)新建水工隧洞的开挖和运行,引起围岩应力重分布,高速铁路隧洞衬砌在围岩应力重分布的影响下,其拉应力呈增长趋势。