隧道下穿对道路结构应力及沉降变形的影响研究

孙 坚,宋宏伟,王天春

(中国矿业大学力学与建筑工程学院,深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116)

近年来,随着人类对地下空间的不断开发利用,在某些地区受既有建(构)筑物、地质条件的限制,使得新建隧道近距离穿越既有建(构)筑物的现象越来越多,高速公路、城市高等级道路建设是我国目前基础设施建设的主要方面,随着高速公路和城市高等级道路建设的日益增多,出现了大量的浅埋隧道与公路相交的情况,这就产生了隧道施工时既要保证施工安全,又对既有道路不产生破坏这一关键问题[1]。

隧道引起的过大的沉降会使路面结构不平整甚至造成破坏,不仅影响行车的舒适性,还给人们的生命安全带来隐患,同时带来了经济上的损失。因此,解决隧道建设对地面道路结构影响问题很有必要。

目前在隧道穿越上部工程方面的研究主要是以现场监测手段为主,在施工过程中监测关键位置处的沉降及水平收敛位移值。我国隧道下穿公路时引起的路面沉降大多采用北京深圳地铁等的经验值3cm作为其控制标准值,由于测点布置有限,同时监测具有一定的滞后性,对于隧道开挖过程中的围岩变形及公路路面沉降难以准确把握。另外,目前铁路隧道穿越既有构筑物方面的分析计算以二维平面模拟为主,在计算中进行了不同程度的简化,对隧道开挖过程中的三维空间效应考虑不足[2]。

本文通过建立三维数值模型,运用数值方法对隧道建设引起的道路应力变化和变形规律进行了探讨和总结。

1 隧道施工对路面结构影响的分析工况

分析隧道下穿对道路结构的应力及沉降变形的影响,建立浅埋大断面公路隧道垂直下穿既有高速公路模型,分析按照四种工况展开:

①隧道垂直开挖前且未加车道荷载;②隧道垂直开挖后且未加车道荷载;③隧道垂直开挖前且道路施加车道荷载;④隧道垂直开挖后且道路施加车道荷载。

2 数值分析模型与参数

2.1 分析模型

本文研究的是大断面浅埋隧道对上方道路结构的应力及变形的影响,隧道围岩为V级软弱围岩。模型尺寸确定如下:

(1)隧道尺寸

隧道断面简化为圆形,半径10 m,属于特大断面,隧道埋深为10 m,属于浅埋隧道[3]。

(2)模型尺寸

由于隧道的影响范围一般为5倍的隧道半径,故模型地层尺寸定为120 m×80 m×100 m(垂直于隧道方向水平×竖向×平行于隧道方向)。

(3)道路结构尺寸

模型中的道路为高速公路,双向6车道,设计速度120 km/h,按照规范规定[4],路基宽度的一般值为34.50 m,故设道路顶面宽度为35 m,路基边坡放坡坡度为1∶1.5,不考虑路拱横坡。由于研究的是下穿隧道对道路的影响,故路基的填土高度只取到2 m。

道路结构尺寸如表1所示。

表1 道路结构尺寸

建立的三维模型及网格划分如图1、图2所示。

图1 开挖前三维模型及划分网格

图2 开挖后三维模型

2.2 模型参数的确定

(1)地层力学参数

模型中岩层选用V级软弱围岩,其力学参数如表2所示。

表2 岩层力学参数

(2)道路力学参数

道路结构的力学参数如表3所示。为简化模型,道路的路面结构将细粒沥青混凝土和粗粒沥青混凝土合作1层计算。

表3 道路结构力学参数

我国对高等级道路路面要验算沥青混凝土面层和整体性材料基层的拉应力,要求结构层底面的最大拉应力不大于结构层材料的容许拉应力,表示为:

式中:σR为路面结构层材料的容许拉应力(MPa);σsp为结构层材料的极限抗拉强度(MPa);Ks为抗拉强度结构系数:沥青混凝土面层Ks=/Ac;无机结合料稳定集料类Ks=/Ac;无机结合稳定土类Ks=/Ac。其中:Aa为沥青混合料级配的系数,细、中粒式混凝土为1.0,粗粒式沥青混凝土为1.1;Ac为公路等级系数,高速公路、一级公路为1.0;Ne为设计年限内一个车道上累计当量轴次。

本模型中道路以中等交通等级为准,当量轴次Ne取107(次/车道)[5],计算各结构层的层底容许拉应力见表4。

表4 各结构层材料的容许拉应力

以上岩层及道路结构的模型均采用实体单元建模,地层与路基以及道路各层结构之间均使用glue命令粘连,使其之间受力及变形连续。

2.3 荷载及边界条件

(1)荷载情况

本模型中高速公路考虑车辆荷载时采用车道荷载,其余均只考虑重力场作用。

车道荷载由均布荷载qk和集中荷载Pk组成,高速公路的汽车荷载等级为I级,按照规范计算,它的荷载标准值为均布荷载10.5 kN/m满布于路面上,计算跨径取隧道的直径20 m,集中荷载的值为240 kN加在最不利位置即隧道顶部的路面中心(最大沉降位置)[6]。

(2)边界约束条件

本模型将与隧道走向平行方向设为Z轴方向,与隧道走向水平垂直方向设为X方向,竖直方向为Y轴方向。模型的边界约束条件为:

①岩层中平行于Y-Z平面的边界面均加以X方向的约束;

②岩层中平行于X-Y平面的边界面均加以Z方向的约束;

③岩层底边界面加以Y方向的约束;

④隧道开挖面作为自由面处理;

⑤其它边界面均为自由面。

本文在进行弹塑性计算时所采用的是Drucker-Prager模型[7]。D-P屈服条件为:

式中:I1为应力第一不变量,I1=σx+σy+σz;J2为应力偏量第二不变量,J2=[(σx-σy)2+(σyσz)2+(σz-σx)2]+++;a,K为与材料性质有关的常数。

3 隧道开挖对道路影响的规律分析

通过使用数值分析软件对上述五种工况进行分析,所用软件是ANSYS10.0,ANSYS在钢结构和钢筋混凝土房屋建筑、体育场馆、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程中有着广泛的应用。可以对这些结构在各种外荷载条件下的受力、变形、稳定性及各种动力特性做出全面分析,ANSYS所采用的是有限元原理。本文中的模型单元均使用的是SOLID65实体单元,ANSYS的SOLID65单元是专门为混凝土、岩土等抗压强度远大于抗拉强度的非均匀材料开发的单元。

使用数值分析软件分析所得出的本模型中隧道开挖对既有道路结构的影响规律如下:

3.1 隧道开挖对道路沉降的影响规律

将第一种情况,即隧道开挖前且未施加车道荷载时的竖向位移作为初始值,即沉降量为零,将其它四种情况的位移减去初始位移,即得到隧道开挖及施加车载引起的竖向位移,可以总结如图3、图4所示。

图3 路面中线竖向位移汇总图

图4 隧道轴线上方路面横向沉降位移汇总图

根据图3、图4可以看出,在隧道垂直开挖后,道路的纵向在隧道开挖处附近发生了明显的下沉,与Peck得出的沉降曲线相似[8],由于隧道附近的围岩沉降量增大造成了挤压,使较远离隧道的路面发生了略微隆起,路面从与通过隧道中心的垂线成50°对应的位置开始下沉;道路的横向由于与隧道走向平行,所以产生了均匀的下沉,道路中间的沉降量较两侧的沉降量略大,最大沉降量为2.1cm。在隧道和车载的共同作用下路面的最大沉降量达到2.5cm,产生在隧道轴线正上方对应的路面中心位置。

3.2 隧道开挖对道路结构的应力影响规律

通过在模型中的道路结构取出两条路径进行应力分析,一条是道路中线,另一条是距离道路边缘3.5 m(右侧硬路肩+右侧路缘带)的道路纵线,结果总结如图5所示。

图5 道路各层结构底部应力分布汇总

根据图5(a)、(b)可以看出,在隧道垂直路面开挖后,隧道开挖处附近的道路结构的X方向的压应力较大,道路各层结构的压应力由下向上逐渐增大;在与隧道中心垂线成约40°的位置道路结构开始产生X方向的拉应力,在与隧道中心垂线成约50°的位置拉应力达到了最大值,道路两侧产生的X方向拉应力比道路中心的略大,道路各层结构的拉应力由下向上逐渐增大,面层的X方向最大拉应力为0.3135MPa,已接近其容许拉应力,随着这种拉应力的长期存在以及车辆荷载的反复作用,产生拉应力较大的地方很可能会产生横向裂缝或坑槽等病害。各层结构之间的X方向应力相差较大会使各层之间的摩擦力增大,可能会产生内部的裂缝,并随着时间的推移裂缝会逐渐发展影响到路面。车道荷载作用下道路产生的X方向压应力较加载前有所增加,对拉应力的影响不大。从图6可以看出在隧道和车道荷载的共同作用下道路结构产生了明显的受拉区。

图6 工况模型道路各层结构最大主应力分布云图

根据图5(c)、(d)可以看出,在隧道开挖后,隧道轴线正上方的道路结构的Y方向压应力减小,甚至在面层和基层产生了Y方向的拉应力,然后沿着X的正向和负向,压应力逐渐增大,在与隧道中心垂线成约45°的位置达到最大值。道路两侧产生的Y方向应力比道路中间的略小,各层结构的Y方向应力由下向上逐渐减小。在施加车道荷载后,道路结构的Y方向压应力较加载前增大,拉应力基本消失,在道路中线,施加集中荷载的位置产生了最大压应力。

根据图5(e)、(f)可以看出,在隧道开挖后,道路结构的Z方向应力主要为压应力,隧道开挖处附近的道路结构产生Z方向的最大压应力,然后沿着X的正向和负向,应力逐渐减小,在与隧道中心垂线成约50°的位置达到最小值。各层结构的Z方向压应力由下向上逐渐增大,道路两侧的压应力比道路中间的要小,在施加车道荷载后,道路各层的Z向压应力略有增大。

综合比较在隧道垂直开挖后道路结构X、Y、Z三个方向的应力,最大的压应力和拉应力均产生在X方向,故增大了道路由于纵向应力过大而产生破坏的危险,纵向受压破坏有可能会发生在隧道开挖处上方,纵向的受拉破坏可能会发生在与隧道中心垂线成40°～50°的位置,在本模型中即是与隧道中心在X方向水平距离25 m左右的范围内,由于道路结构的抗拉强度远小于抗压强度,故很可能在受拉区产生横向裂缝。

同时,通过分析可以看出当隧道上方道路结构的最大沉降达到2cm～3cm时,纵向的拉应力将会接近最大容许拉应力值,道路结构有产生破坏的可能,故也证明了在工程实践中将沉降控制在3cm内是有道理的。

4 地表沉降控制方法

现有的在较大范围内稳定地层的方法,也即在浅埋隧道中控制围岩松弛,防止地表下沉的方法主要有:超前围岩预注浆、冻结法、地表垂直锚杆法、水平高压旋喷法、高压喷射搅拌法、隔断墙法、预衬砌法、管棚法等。其中最广泛使用的是超前预注浆法,具有充填、固结、压密作用,从而达到加固地层、封堵水源的目的。适用于软弱围岩及断层破碎带、自稳性能差的含水地质地段的加固。

通过使用增大围岩弹性模量60%来模拟注浆加固的措施,模型模拟注浆后的计算分析结果表明在采取注浆加固措施后,隧道上方路面的最大沉降量为1.7cm,较注浆前减小了0.8cm,道路面层的最大拉应力为0.2183MPa,较注浆前减小了1/3,明显小于了其容许拉应力,隧道开挖引起的道路结构的附加应力整体减小,降低了产生破坏的可能性。注浆加固对减小隧道开挖引起的沉降及附加应力有明显的效果。

5 工程实例

为将模型的模拟与实际情况结合起来,以老鸦冲隧道浅埋穿越高速公路的实际工程为例[9],来讨论使用数值模拟软件计算出的结果与实际工程的差异。

老鸦冲隧道进口为V级围岩,最小埋深3 m。隧道于DK79+940.5～DK79+996.5段与高速公路斜交,穿越长度达56 m,埋深约为11 m左右。高速公路该段为路堤,填土高度为2 m～12 m。通过对高速公路的不间断沉降观测,路面沉降最大为23mm,且沉降比较均匀。与数值模拟软件计算出的沉降25mm相差不大,故使用数值模拟软件计算出的相关应力变形结果是可以为实际工程提供一定参考作用的。

6 结 论

本文通过采用ANSYS软件建立浅埋大断面隧道下穿高速公路的有限元模型,分析其应力应变分布规律,并得出以下几点主要结论:

(1)软弱围岩中的隧道开挖后,上方道路结构的应力应变发生很大变化,在隧道上方的路面沉降量增大,纵向形成沉降槽,在本模型中最大沉降量较开挖前增大2.1cm,较远离隧道的路面发生了略微隆起。

隧道开挖后,隧道上方的道路结构产生了明显的纵向拉应力,在约与通过隧道中心的垂线成40°的位置道路结构开始产生纵向拉应力,在约50°的位置拉应力达到了最大值,道路结构产生拉应力由下向上逐渐增大。当最大沉降接近3cm时,面层和基层产生的最大拉应力接近容许拉应力,沉降和拉应力的长期存在加上车辆的反复作用增大了道路结构产生破坏的可能。

(2)相对于隧道开挖产生的影响,车道荷载对道路结构的应力应变的影响并不大。在隧道和车载的共同作用下路面的最大沉降量达到2.5cm,产生在隧道轴线正上方对应的路面中心位置。

(3)注浆加固是减小隧道开挖引起的沉降及附加应力的常用且有效的方法。

(4)引用近年来的关于隧道下穿道路的工程实例,与数值模拟软件的计算结果相比较,模拟出的隧道下穿引起的道路沉降与实际中的情况接近,说明本研究结果对实际相关工程具有一定参考价值。

[1]王志,杜守继,张文波,等.浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空间与工程学报,2009,5(3):531-535.

[2]张鹏,谭忠盛.浅埋隧道下穿公路引起的路面沉降控制基准[J].北京交通大学学报(自然科学版),2008,32(4):137-140.

[3]陈秋南.隧道工程[M].北京:机械工程出版社,2008.

[5]中交公路规划设计院.JTG D50-2006.公路沥青路面设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006:5-7.

[6]中交公路规划设计院.JTG D60-2004.公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004:23-24.

[7]张四全.有限元建模在隧道围岩稳定性评价中的应用研究[D].长沙:中南大学,2007:27-29.

[8]Peck R B.Deep excavation sand tunneling in soft ground[C]//Proc of the 7th Int.Conference on SoilMechanics and Foundation Engineering.State of the art volume.Sociedad Mexican de Mecanica de Suelos,A.C.,1969:225-290.

[9]贺建端.老鸦冲隧道浅埋穿越高速公路施工[J].隧道建设,2006,26(5):50-52.