新建工程對既有下穿隧道影響的有限元模擬分析

王 濤

（保定市公路管理局， 河北 保定 071000）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 高速公路的建設(shè)也得到了大力發(fā)展。 在高速公路建設(shè)的過程中， 難以避免的會(huì)遇到隧道工程， 也會(huì)出現(xiàn)要跨越原有公路或者鐵路的情況。 特別是在進(jìn)入城市的入口處， 后期施工的建筑物與既有建筑物（尤其是地下管線隧道和地下鐵道） 的相遇更是不可避免[1]。 這樣對于后期施工的建筑物來說， 保證既有地下建筑物的安全使用就成為一個(gè)必須考慮的因素。 本文正是基于施工過程中經(jīng)常遇到的這種情況， 以某加油站與某隧道為依托工程， 對既有隧道與后建加油站的相互作用進(jìn)行分析研究， 評估既有隧道的安全性， 并提出相應(yīng)的處治措施[2]。

1 項(xiàng)目背景

某原有隧道工程左線隧道長995m， 右線范圍隧道長980m， 埋深約為60m。 某新建加油站擬位于隧道左洞正上方， 長約72m， 寬約55m， 其平面位置如圖1所示。

圖1 加油站平面位置示意圖 （單位： m）

2 建立有限元模型

2.1 計(jì)算假設(shè)及依據(jù)

本次計(jì)算采用Ansys軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。 計(jì)算范圍內(nèi)的巖體采用三維實(shí)體單元模擬； 隧道錨桿采用桿單元模擬[3]。 為了確保三維模型有足夠的計(jì)算精度， 本次計(jì)算對計(jì)算范圍進(jìn)行了一定的限制， 如圖2所示。

圖2 模擬影響范圍示意圖 （單位： m）

2.2 計(jì)算參數(shù)

巖體力學(xué)參數(shù)見表1。 對于荷載取值， 根據(jù)《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[4]， 加油站等級為二級。 另外， 依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]， 建筑結(jié)構(gòu)重量（單位面積） 取值約為16kN／m2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 有限元模擬計(jì)算

有限元模擬計(jì)算基于初始地應(yīng)力場 （重力荷載）、 隧道開挖、 施加加油站建筑荷載等過程進(jìn)行，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》 （JTG D70—2004）[6]， 在模擬開挖過程時(shí)， 隧道開挖和初期支護(hù)在相應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放60%， 施作二襯和仰拱完成后在相應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)應(yīng)力釋放40%。 數(shù)值模擬分5步進(jìn)行， 具體見表2。

表2 模擬分析步驟

2.4 建立模型

為減小邊界效應(yīng)， 保證計(jì)算的準(zhǔn)確性， 模型尺寸為： 隧道中線右側(cè)取70m， 左線隧道左側(cè)取100m， 豎直向上取至地表， 地表至拱頂60m， 地表至下邊界120m。 計(jì)算模型示意圖如下圖3所示。 整個(gè)計(jì)算模型有限元網(wǎng)格共有167 089個(gè)單元， 節(jié)點(diǎn)總數(shù)為101 982個(gè)。

圖3 隧道洞門結(jié)構(gòu)有限元模型

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

加油站施工過程中， 地表沉降和初支應(yīng)力最能反映隧道的穩(wěn)定情況。 經(jīng)計(jì)算， 整個(gè)施工過程中，各項(xiàng)參數(shù)變化情況見表3。

表3 加油站修建前后隧道主體結(jié)構(gòu)變化表

經(jīng)過以上數(shù)值模擬分析可以看出， 隧道上部修建加油站后， 地表最大位移和圍巖應(yīng)力有細(xì)微變化， 但變化均在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]允許的范圍內(nèi)。 因此從靜力分析的角度來看， 該加油站施工是完全穩(wěn)定、 可行的。

3 結(jié)論

通過加油站工程對既有隧道影響的有限元計(jì)算， 可以得到如下結(jié)論：

（1） 隧道位移沉降和應(yīng)力對比分析表明， 位移及各項(xiàng)應(yīng)力均變化較大， 但總的位移和各支護(hù)內(nèi)力都很小。 隧道處于安全狀態(tài)， 但是由于房屋建筑的施工會(huì)對隧道產(chǎn)生一定影響， 因此房屋基坑施工時(shí)應(yīng)特別重視保護(hù)巖體完整性。

（2） 通過對擬建加油站修建后的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算表明， 建筑物修建時(shí)隧道結(jié)構(gòu)有一定的沉降和變形影響。 為了保證隧道的安全， 在工程施工影響范圍內(nèi)的施工過程中， 要對此影響進(jìn)行監(jiān)測， 并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)加油站施工， 以實(shí)現(xiàn)信息化施工，從而確保該隧道的正常運(yùn)營和結(jié)構(gòu)安全。

[1] 林麗芬. 高層建筑群對其下既有隧道的影響分析[D]. 廣州： 華南理工大學(xué)， 2010.

[2] 王星. 城市地下隧道施工對臨近建筑物的影響及控制研究[D]. 長沙： 湖南大學(xué)， 2009.

[3] 丁一波， 楊威. 既有隧道與后建地下變電站的相互作用機(jī)理分析及處治措施[J]. 工程與技術(shù)，2011， （5）： 465-468.

[4] GB 50156—2012， 汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[5] GB 50009—2012， 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[6] JTG D70—2004， 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].