近接桩基的朝天门隧道二次衬砌安全分析

邱红胜，李灿

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)*

近接桩基的朝天门隧道二次衬砌安全分析

邱红胜，李灿

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)*

为研究浅埋隧道下穿嵌岩桩后，在不同桩位及桩荷载逐级增加的情况下，隧道二次衬砌的安全系数影响规律，以重庆朝天门隧道为研究对象建立模型.采用ANSYS有限元软件模拟隧道施工过程以及隧道上方建筑加层，计算了在不同桩位及桩荷载增加情况下的二次衬砌安全系数.结果表明：8#桩所在断面，在理想围岩条件下，计算安全系数为8.89，满足安全要求；桩在隧洞中心两倍隧洞半径范围内时，最小安全系数对桩荷载增加极度敏感，对水平距离的减小敏感，不利于二次衬砌的安全性，表明朝天门隧道上方建筑物应该尽量避免加层，或应对该范围内的桩基进行托换.

朝天门隧道；二次衬砌；安全分析；嵌岩桩；浅埋隧道

0 引言

近年来，国家重点推进西部城市建设.隧道建设作为重庆市交通发展的关键，将不可避免接近或下穿地表建筑物.高层建筑大多采用桩基础，所以必然遇到桩荷载作用下隧道穿行的问题，甚至隧道建成后，桩荷载加载对隧道结构影响的难题.针对桩-地层-结构模型的研究，于晨均，朱逢斌等和张永兴等人主要研究了隧道施工对于隧洞上方已有桩基的影响[1- 4]；王成和邱陈瑜等人通过使用有限元强度折减法，重点研究了在不同桩位和不同桩荷载作用下，围岩地层安全系数的变化规律，却没有考虑隧道开挖施工影响，以及桩荷载加载对于衬砌安全性的影响[5- 6].邹育麟等人整理并分析了隧道衬砌裂缝形成的原因，其中纵向裂缝主要是由围岩应力和位移变化而导致[7].在王华牢和王亚琼等人的研究中，当衬砌结构出现损伤后，衬砌结构特征截面安全系数急剧降低[8- 9].二次衬砌作为隧道安全和防水的最后防线，若因衬砌裂缝而使其整体性遭到破坏，结构安全性大幅降低，衬砌结构承载能力减弱，隧道结构使用寿命缩短.

在桩-地层-结构模型的研究中，针对隧道结构安全性的研究较少，特别是隧道建成之后桩荷载增加的情况.针对现有研究的不足，本文以重庆朝天门隧道K4+916.5为研究背景.考虑嵌岩桩体与隧洞拱顶的不同位置关系，隧道建成后，逐级增加桩荷载，以研究其对二次衬砌安全系数的影响规律.

1 安全系数

一般地，将安全系数的计算结果[11]用于实际工程的设计，并以此对隧道二次衬砌结构进行安全性评估.

根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)的规定(以下简称《规范》)，对二次衬砌结构安全系数进行计算.混凝土构件的安全系数根据偏心距e=M/N和0.2h之间的关系，按不同公式计算.

e≤0.2h时，构件安全系数按受压控制计算，采用公式：

(1)

式中,K为计算安全系数；N为轴向力(kN)；b为截面宽度(m)；h为截面厚度(m)；φ为构件纵向弯曲系数；α为轴向力偏心影响系数，按α=1-1.5e0/h取用；Ra为混凝土或砌体极限抗压强度.

e>0.2h时，构件安全系数按受拉控制计算，采用公式：

(2)

式中,Rl为混凝土抗拉极限强度；其余同上.

对于混凝土结构，在永久荷载和基本可变荷载的荷载组合下，抗压极限强度安全系数控制值为[K]=2.4，抗拉极限强度安全系数控制值为[K]=3.6.K≥[K]时，结构满足安全系数要求.

2 二次衬砌安全分析的有限元法

2.1 工程背景

在朝天门隧道中，35层大厦所在隧道段为大正段.隧洞采用直墙高为1.75m半圆半径为5.85m的拱形结构，拱顶距离地面10m，为浅埋隧道.大正段内，拱圈上方分布嵌岩桩22根，隧道支护结构为复合式衬砌.初支：喷射混凝土5cm厚，采用间距为1.2m长为6m的Φ32mm麦迪式锚杆和间距1.0m长3m的Φ22mm药包锚杆，以及间距0.5m的I20a型钢拱架；二次衬砌：厚度为60cm的C25模筑素混凝土[12]，根据《规范》，其对应抗压和抗拉强度极限值分别为Ra=19MPa，Rl=2MPa.隧洞施工通过大正段时，大厦已建至第18层，其后大厦停止施工，直到隧道通过并竣工，大厦恢复施工并建至第35层[13]；半年后，发现70余条纵横向及斜裂缝，煤炭科学研究院总院重庆分院于2000年1月中旬发现位于K4+916及K4+925处存在多处纵向裂缝，集中在拱顶和拱腰，并进行了注浆加固.2008年9月检查发现朝天门隧道存在裂缝将近100处，纵向裂缝将近占一半，因此有必要进行安全分析[14].

2.2 计算条件

2.2.1 岩体与结构参数

通过工程勘察试验得到岩块的相关参数，参照《重庆工程地质勘察规范》(DB50/5005-98)，将岩块参数折减为岩体参数.大正段为砂岩和砂质泥岩，根据围岩分级，分别对应Ⅲ级和Ⅳ级围岩；结构参数选用依照《规范》，锚杆加固圈范围取为3m，按照经验取将地层围岩参数的弹性模量和粘聚力分别增强3倍[15],参数详见表1.

表1 围岩及结构力学参数

2.2.2 有限元模型

在计算模型中，地层采用ANSYS的Drucker-Prager理想弹塑性本构关系.参考共同作用模型[10]理论，岩层选用PLANE42单元，衬砌结构(如图1)选用BEAM3单元，通过链杆单元传导两者之间力的作用，建立平面模型.边界条件：取左右及向下10倍隧洞半径，向上取到地表；上部为自由边界，底部为固定约束，左右两侧为水平约束.通过计算得到二次衬砌结构内力，并利用式(1),(2)计算得出衬砌的安全系数.

图1 二次衬砌截面位置

2.2.3 工况模拟及计算方案

本文中选取8#桩体K4+916.5所在断面进行计算，该断面桩底距离拱顶约7m，桩底面宽度为2m，单桩最大荷载为19 840kN.有研究表明，平面应变方法解决三维空间问题时，桩荷载取用实际荷载的2/3，采用集中力作用在桩中部[6].考虑大厦施工材料堆积，在桩上作用11 000kN的初始竖向作用力，并施加重力加速度，以模拟隧道开挖前地层的初始应力场.考虑钢拱架的作用，按照[15]中的等效，初衬厚度采用20cm，二次衬砌结构厚度为60cm进行计算.再运用ANSYS中单元的杀死和激活功能，模拟隧洞的开挖和支护结构的施作，隧道释放系数按文献[14]中的经验取为0.35.激活支护后，再对桩竖向加载求解.

计算方案：Ⅲ级围岩下，以3 000kN为一级，加载9级达到38 000kN；Ⅳ级围岩下，以1 000kN为一级，加载9级，达到20 000kN.变化桩和拱顶位置的水平距离D和垂直距离H，其中D为0、3、6、8.5和12.5m；H为5、6、7和8m.每种围岩条件下计算20个桩位，具体计算方案位置参考图2.

图2 桩与隧道位置关系

3 结果与分析

3.1 8#桩体断面计算与分析

在8#桩体断面，D=0，H=7，桩荷载由11 000kN逐步增大到20 000kN时.在Ⅲ级围岩条件下，计算得到二次衬砌结构内力，如图3，图4；Ⅳ级围岩条件下，二次衬砌结构内力，如图5，图6(以下各图单位均以N及N·m计).

图3 Ⅲ级围岩二次衬砌轴力

图4 Ⅲ级围岩二次衬砌弯矩

图5 Ⅳ级围岩二次衬砌轴力

图6 Ⅳ级围岩二次衬砌弯矩

根据计算内力图，两种围岩条件下，隧道二次衬砌拱腰、拱顶的轴力和弯矩均较大，且Ⅳ级围岩下较Ⅲ级围岩下大.曲墙轴力较大，但是弯矩较小.该计算条件下，安全系数最小位置均在拱顶位置，且均为受拉控制.Ⅲ级围岩下，最小安全系数为8.9；Ⅳ级围岩下，最小安全系数仅为1.2，拱腰处受拉控制，安全系数较小为4.3.

根据地层资料，8#桩体所在断面地层以砂岩为主，存在与砂质泥岩互层的情况，且经检测，该断面处围岩裂隙为弱活动性水平.而计算为围岩整体性完好的理想条件下的结果，根据计算所得，拱顶位置安全系数最小，这与大厦竣工半年后，在该断面处拱顶位置出现纵向贯穿裂缝对应；另外经计算得，Ⅲ级围岩下拱顶竖向位移为5.7mm，而实际工程监测值为6.1mm，相差仅为0.4mm，故可按该模型计算.

3.2 不同桩位对安全系数的影响

(1)水平方向距离变化

H=7时，变化桩中心距离拱顶中心线水平距离，两种不同围岩条件下，每一级加载对应的截面最小安全系数所得曲线为图7和图8，不同水平位置时最小安全系数所在截面位置如表2：

图7 H=7时Ⅲ级围岩下各级荷载对应安全系数

图8 H=7时Ⅳ级围岩下各级荷载对应安全系数

位置D/m0368.512.5Ⅲ级2022232426Ⅳ级2022232426

由表2，两种围岩条件下，随着D增大，最小安全系数位置由拱顶移向拱腰.随着D增大，Ⅲ级围岩下，桩荷载为11 000kN时，截面最小安全系数由26.3增大0.5倍达到40.4；20 000kN时，由8.89增大到18.9；38 000kN时，由2.1增大到5.8.Ⅳ级围岩下，桩荷载为11 000kN时，截面最小安全系数由13.9增大到32.9；20 000kN时，由1.2增大到3.3.其中D由8.5增大到12.5时，截面最小安全系数迅速增大.

另外，在不同的D时，逐级增大桩荷载.Ⅲ级围岩中，在前5级桩荷载的作用下，截面最小安全系数下降较快，D=0时最显著，由26.3降低82.4%到4.6；后4级桩荷载作用下，截面最小安全系数下降速度相对平缓.Ⅳ级围岩中，前2级桩荷载作用下，最小安全系数迅速降低(D=12.5m除外)，D=3时最显著，由18.0降低73.9%至4.7；再逐级加载到20 000kN时，安全系数仍然在减少，但是相对平缓很多.而在D=12.5m时，最小安全系数在前5级荷载作用下减小较快，继续加载，最小安全系数减小平缓，且在20 000kN桩荷载作用下时仍然达到3.3.

(2)拱顶垂直距离变化

在D=0时，变化桩底距离拱顶的竖向距离，不同围岩条件下，每一级桩荷载对应截面最小安全系数所得曲线为图9和图10：

图9 D=0时Ⅲ级围岩下各级荷载对应安全系数

图10 D=0时Ⅳ级围岩下各级荷载对应安全系数

D=0时，二次衬砌结构安全系数最小位置均出现在拱顶.根据上图可见，随着H增大，最小安全系数增大，但是增大幅度较小.Ⅲ级围岩下，除图中曲线有起伏之外，安全系数在不同垂直距离下，最小安全系数变化较小，桩荷载为11 000kN时，安全系数仅由24.3增大到27.5；20 000kN时，由4.8增大到9.6；38 000kN时，由1.2增大到3.2.曲线异动的产生，表明随着桩荷载增加，二次衬砌结构安全系数计算由受压控制转变为受拉控制.Ⅳ级围岩下，作用桩荷载为11 000kN时，随着H增大，最小安全系数提升较大，由9.0增大至19.6，随着桩荷载加载，在前2级荷载作用下，安全系数迅速降低；当桩荷载增至20 000kN时，最小安全系数仅由0.9增大至1.4.

(3)临界桩荷载P

受压及受拉控制计算安全系数时，结构安全系数最低控制分别为2.4和3.6.结合最小控制安全系数对应的桩荷载级别，通过内插法计算得出其对应的临界荷载.在两种不同围岩条件下，可见不同桩位下的临界荷载，详见表3和表4及图11和图12.

表3 Ⅲ级围岩下各桩位临界荷载

*注：表中临界荷载值单位以MN计.

表4 Ⅳ级围岩下各桩位临界荷载

*注：表中临界荷载值单位以MN计.

图11 Ⅲ级围岩下临界桩载

图12 Ⅳ级围岩下临界桩载

在两种围岩条件下，计算所得P与初始桩荷载之差，对应为隧道结构完成之后容许加载量，记容许加载量与初始桩载之百分比为桩荷载增加比.Ⅲ级围岩下，荷载增加比在106.36%以上，最小增加比出现在D=0，H=5处.随着D增大，荷载增加比增大，且增幅较大，特别在D=12.5m

时，荷载增加比达到245.45%以上；随着H增大，荷载增加比增加较大.Ⅳ级围岩下，荷载增加比在15.45%以上，最小出现在位置D=0，H=5处，随着D增大，荷载增加比增大，在D=8.5到D=12.5时，增幅显著，在D=12.5时达到78.2%；H增大时，荷载增加比随H增大仅有小幅度的增加.

4 结论

在朝天门隧道8#桩体所在断面，理想Ⅲ级围岩条件下，桩荷载由11 000kN增加到20 000kN时，拱顶安全系数由26.3迅速降低至8.9，均大于3.6.故大正大厦在后期施工过程中，隧道二次衬砌安全性满足要求.但是该断面地层多为砂岩，存在砂质泥岩互层，且岩层裂隙发展为弱活动性.随着围岩裂隙的发展，围岩承载能力降低，二次衬砌分担更多荷载，致使该断面拱顶安全系数进一步降低.隧道建成半年后出现纵向贯穿裂缝，这与建筑加层及围岩裂隙的发展是分不开的.二次衬砌整体性遭到破坏，安全性将进一步降低，建议注浆加固封闭裂缝之后，通过粘贴碳纤维增加钢拱架等方式进行进一步加固.

朝天门隧道大正段为嵌岩桩作用下的浅埋隧道结构，在隧道完成之后，不同桩位的桩荷载持续增加的情况下，二次衬砌的安全性受到影响，分析得到以下规律结论，可为相关工程提供借鉴参考：

(1)桩体距离隧洞中心水平距离在两倍隧洞半径内时.Ⅲ级围岩下，桩荷载增加16 000kN时，最小安全系数迅速降低到4.6，二次衬砌安全性对桩荷载增加较为敏感，可允许隧道上方建筑物在隧道建成之后，适当加层；Ⅳ级围岩下，桩荷载增加2 000kN时，最小安全系数迅速降低到4.7，此时二次衬砌安全性对桩荷载增加极度敏感，所以应当禁止该条件下隧道上方建筑物加层;

(2)Ⅲ级及Ⅳ级围岩下(除Ⅳ级围岩在初始桩荷载作用下)，随着桩底距拱顶的高度增大，隧道二次衬砌最小安全系数增大，二次衬砌安全系数对高度变化不敏感.Ⅳ级围岩在初始桩荷载作用下时，随着H增大，最小安全系数由9.0增大到19.6，此时隧道与桩底高度距离越大越好;

(3)临界荷载表明，Ⅲ级围岩较Ⅳ级围岩承载能力强.朝天门隧道中，桩荷载增加在相应围岩条件下的临界荷载以下时，二次衬砌安全系数满足要求，利于保证其完整性和安全性.

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Safety Analysis of Secondary Lining in Chao Tianmen Tunnel under Pile Foundation

QIU Hongsheng,LI Can

(School of Transportation,Wuhan University of Technology,Hubei 430063,China)

In order to study the influence rule of safety factor in tunnel secondary lining when a shallow tunnel underneath pass a rock-socketed pile which is in different position and added the load level, a model was set up by taking Chao Tianmen tunnel as a study object.Finite element software ANSYS is used to simulate the process of tunnel construction and the story-adding of buildings,and the safety factor of secondary lining is calculated under the situation of different pile position and pile load increasing.The results show that when the surrounding rock condition is ideal,in the section where pile 8# is,the calculative safety factor is 8.89 which satisfies the safety requirements.The minimum safety factor is extremely sensitive to the load increase of pile and the decrease of horizontal range when the distance between a pile and the center of tunnel is in the range of two times of tunnel radius.The result indicates that the storey-adding above Chao Tianmen tunnel should be avoided or the pile foundation within the range should be underpinned.

Chao Tianmen tunnel;secondary lining;safety analysis;rock-socketed pile;shallow tunnel

1673- 9590(2017)03- 0078- 06

2016- 06- 01基金项目:国家自然科学基金资助项目(51308429)

邱红胜(1966-)，男，教授，博士，从事岩土及隧道工程衬砌灾害防控的研究E-mail:13377889059@163.com.

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