地道桥下穿高速公路动态施工过程数值模拟

2024-05-21陈孝轩

工程建设 2024年4期

陈孝轩

(中国建材地勘中心广东总队,广东广州 510403)

顶推地道桥是一种在不中断既有道路交通的前提下，采用机械设备将预制好的地道桥箱涵顶入既有道路下方土层，从而完成地下通道施工的地道桥施工技术。此工法适用于穿越公路、铁路、河流、建筑物、街道的各种桥涵、地道、地下管道的施工[1-2]。

国内的地道桥顶进技术起步相对较晚，地道桥顶推施工造成的公路病害问题始终困扰着工程技术人员[3-6]。地道桥与周围土层相互作用的传力机理对顶推力设计计算起到决定性作用。学者们对此开展了大量研究，黄勇军等[7]基于有限差分法研究了周围土层对地道桥顶推力的影响。潘世强等[8]采用极限分析法推导了“滑梁一体”结构的极限顶推力上下限解。巢万里等[9]基于理论推导与现场实测研究了斜角角度与地道桥顶推力大小之间的关系，给出了考虑斜角角度的地道桥顶推力计算方法。周利金[10]采用有限元分析软件研究了桥式盾构体在施工中的结构动力响应及变形特性。

但是，此前对地道桥结构受力的研究均是基于静态假定进行的。而地道桥受顶推力作用沿路线方向前进地道桥与其周围土层相互作用是一个连续的动态过程，基于结构力学的静力结构计算难以考虑顶推动态过程的影响。设计时，通常对顶推力设计值乘以修正系数(修正系数取值与土层类别与界面粗糙程度相关，黏土层一般取1.2来考虑动态施工对结构受力的影响[11]。上述处理是一种等效近似的方法，未考虑周围土层与地道桥箱涵之间的相互作用，其计算结果不能反映界面性状对顶推力的影响。

基于上述考虑，文章拟采用有限差分法基于大变形理论，考虑土层与地道桥箱涵相互作用，对地道桥顶推动态施工过程进行数值模拟，探究界面摩阻系数与顶推力之间的关系，以期可为地道桥顶力设计提供参考。

1 基于有限差分法的地道桥顶推过程模拟分析

1.1 框架与土体接触界面传力机理

有限元计算中，通常是通过计算地道桥箱涵与周围土层界面间的绝对法向位移、相对法向速度，并通过界面的本构关系计算得到接触界面的应力状态[11]，接触界面的传力原理如图1所示。

图1 接触本构模型

数值模拟中一般采用无厚度单元模拟框架与周围土层界面的相互作用[12]，地道桥箱涵与土层界面通过计算节点进行连接，而界面上节点间将形成计算网格。界面单元为三角形网格单元，每个网格单元含3个计算节点，网格面积根据节点平均分配，四边形网格由两个三角形网格单元组成，如图2所示。

图2 接触面及其编号

与实体网格间力的传递类似，接触面上的力仅在界面节点上进行传递。界面的剪切强度通过弹簧-滑块系统进行表达，地道桥在顶推力的作用下与周围土层产生相对位移而产生剪切力，这个过程在数值模拟计算中通过剪切刚度表达[12]。详见式(1)、(2)。

Fs=LksΔu

(1)

Fs=Lcsscoh+σc×tan(cssfric)×DL

(2)

式中：σc为有效侧向应力，kPa；Fs为剪切力，kN；L为单元长度，m；D为单元的暴露周长，m；Δu为桩土间相对位移，m；Ks为剪切刚度，kPa；CSscoh为剪切弹簧的黏结强度，kPa；CSsfric为剪切弹簧摩擦角，(°)。

桩土交界面上的法向力主要是由界面上的黏结作用产生[12]，其黏结强度是由法向刚度表达的详见式(3)、(4)。

Fn=LknΔu

(3)

Fn=Lcsncoh+σc×tan(csnfric)×DL

(4)

式中：Fn为法向力，kN；Kn为法向刚度，kPa。CSncoh为法向弹簧的黏结强度，kPa。CSnfric为法向弹簧摩擦角，(°)。

1.2 接触面建立

接触面及周围土层模型如图3所示，相关计算参数如表1所示。

表1 材料参数

图3 框架结构与路基土体接触面

1.3 地道桥盾构法下穿高速公路动态过程的数值模型的建立

地道桥框架下穿路基三维模型如图4所示，模型尺寸、数值计算参数根据下穿某高速互通交叉工程施工图及地质勘察报告确定。具体尺寸如下：地道桥框架结构净宽度为13 m，净高度为5.2 m。计算时不考虑支座的尺寸及路面厚度，计算横断面方向为14 m，模型计算总高度6.3 m，地道桥最大埋深2.47 m，计算最大覆土深度按2.50 m考虑，地道桥顶推距离为14.5 m，每次顶级长度确定为2 m。具体计算参数如表1所示。

图4 地道桥下穿高速三维模型

地道桥顶推方向为X方向，路基横断面方向为Y方向，竖直方向为Z方向。模型顶面自由，底面竖向约束，左、右边界约束横断面方向位移，前、后边界方向进行法向约束。地道桥箱体与周围土层通过接触面联系，地道桥箱涵整体保持自由，不再设置额外约束。模型土层采用摩尔-库伦强度准则，地道桥箱涵采用弹性准则，地道桥-土体接触界面采用摩擦界面单元，数值模型及边界设置情况如图5所示。

图5 模型边界条件

2 计算结果分析

2.1 土层压力变化分析

当地道桥顶推开始时，箱涵顶部土压力略高于初始时的土压力，这是由于土层开挖引起了掌子面上土压力跌落。随着顶推的进行，掌子面不断向顶进方向移动，掌子面后方土层应力变化明显，影响范围在开挖面后6 m左右，按静止土压力对地道桥进行结构受力计算是合理的[13]。计算过程中，在地道桥顶部与接触面上设置了监测线，监测结果如图6所示。

图6 箱涵顶部土压力分布(1、5、13 m)

由图6可知，土压力峰值位置随着顶推的进行不断向前发展，峰值增幅比例不超过10%。同时，随着顶推进行，掌子面后土压力将进入重新平衡状态，其值与初始土压力相差不超过2%，说明地道桥箱涵承担了绝大部分土压力，土层自身基本没有支撑能力，无法承担开挖后土层应承担的土层压力。

2.2 界面摩擦力变化分析

摩阻系数反映的是箱涵与周围土层界面粗糙程度对结构受力影响的力学参数。工程实践中，地道桥顶推作用距离、顶进方向偏转、周围土层性质等，都将对界面的参数确定产生影响。摩阻系数的确定需要根据实际情况与理论计算综合确定。通过计算地道桥顶进过程中结构与土体接触面上的最大剪应力可以预估地道桥实际顶推过程中所需要克服的最大摩阻力[14]。

图7为地道桥-土层接触界面摩阻力分布。由图可知，地道桥上最大摩阻力出现在地道桥箱涵底面，最大摩阻力约160 kPa。对比不同状态下摩阻力分布图可知，越靠近掌子面摩阻力越大，顶推过程中地道桥箱涵应力集中多发生于地道桥底部边角处，发生应力集中区域，其摩阻力大于周边平均水平。