隧道對(duì)橋梁影響安全性分析

(華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510641)

一、工程背景

隨著全國各地城市發(fā)展的加快，城市中橋梁和隧道的建設(shè)也面臨著空前的挑戰(zhàn)，橋梁和隧道的空間要求越來越嚴(yán)格，可占用的空間越來越小，施工質(zhì)量要求越來越高，在城市日益繁華的今天，難免會(huì)出現(xiàn)隧道下穿橋梁的情況，這就要嚴(yán)格分析施工的安全性，避免隧道施工破壞既有橋梁。

二、有限元分析

(一)模型概況。根據(jù)實(shí)際情況建模，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

(二)模擬過程。采用從小里程往大里程開挖的順序進(jìn)行盾構(gòu)模擬施工。具體的模擬過程如下：a、邊界條件和初始條件：模型的四周、底部邊界為法向約束，地表自由。在自重的作用下求解至平衡，位移清零；b、施做橋梁：部分電塔基礎(chǔ)本身屬性為各土層，通過改變材料屬性使得其變成樁基，并激活橋梁單元，計(jì)算平衡后位移清零；c、盾構(gòu)開挖：盾構(gòu)隧道沿著其軸線方向推進(jìn)，通過鈍化一個(gè)計(jì)算步長(19.6m)范圍內(nèi)的隧道土體單元來實(shí)現(xiàn)開挖過程。每步開挖后，先進(jìn)行30%應(yīng)力釋放，在下一步進(jìn)行后續(xù)70%應(yīng)力釋放；d、支護(hù)：在上步鈍化的隧道土體單元的區(qū)域內(nèi)用板單元模擬襯砌，賦予襯砌力學(xué)參數(shù)，模擬襯砌對(duì)開挖土體四周的支撐作用；e、重復(fù)b至d的模擬步驟，直至隧道貫通。

(三)模型圖。所建模型如圖1所示。

圖1 模型圖

(四)結(jié)果分析

橋梁隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，整體逐漸下沉。在盾構(gòu)距離橋梁斷面中心39.6m時(shí)，最大沉降值為2.38mm；在盾構(gòu)距離橋梁斷面中心20m時(shí)，最大沉降值為2.37mm；在盾構(gòu)抵達(dá)時(shí)，最大沉降值為2.34mm；在盾構(gòu)通過時(shí)，最大沉降值為2.36mm；在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁斷面中心38.8m時(shí)，最大沉降值為2.36mm；在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁斷面中心58.4m時(shí)，最大沉降值為2.36mm；在盾構(gòu)貫通時(shí)，最大沉降值為2.36mm。楊喜等[1]研究表明隧道開挖對(duì)橋梁有一定影響，但變化較小。本研究與其結(jié)論較接近。

橋梁隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，整體逐漸下沉。在盾構(gòu)距離橋梁斷面中心39.6m時(shí)，最大傾斜值為1.33mm；在盾構(gòu)距離橋梁斷面中心20m時(shí)，最大傾斜值為1.34mm；在盾構(gòu)抵達(dá)時(shí)，最大傾斜值為1.35mm；在盾構(gòu)通過時(shí)，最大傾斜值為1.34mm；在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁斷面中心38.8m時(shí)，最大傾斜值為1.34mm；在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁斷面中心58.4m時(shí)，最大傾斜值為1.31mm；在盾構(gòu)貫通時(shí)，最大傾斜值為1.28mm。

樁基礎(chǔ)隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，逐步向盾構(gòu)機(jī)所在位置傾斜。其中，在盾構(gòu)距離橋梁斷面中心39.6m時(shí)，最大傾斜值為1.33mm；在盾構(gòu)距離橋梁斷面中心20m時(shí)，最大傾斜值為1.34mm；在盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)時(shí)，最大傾斜值為1.35mm；在盾構(gòu)通過時(shí)，最大傾斜值為1.34mm；在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁斷面中心38.8m時(shí)，最大傾斜值為1.34mm；在盾構(gòu)遠(yuǎn)離橋梁斷面中心58.4m時(shí)，最大傾斜值為1.31mm；在盾構(gòu)貫通時(shí)，最大傾斜值為1.28mm。

最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力是用來說明材料受力狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可以表明材料受拉受壓狀態(tài)，最大拉應(yīng)力理論(第一強(qiáng)度理論)認(rèn)為在任何應(yīng)力狀態(tài)下材料脆斷是由于三個(gè)主應(yīng)力中最大的拉伸主應(yīng)力達(dá)到該材料的極限值所。清楚地了解最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的分布有著十分重要的作用。

橋梁的最大主應(yīng)力分布：在樁支撐處最大，施工結(jié)束時(shí)，最小值+178.30Pa，最大值+12498.43kPa。施工結(jié)束時(shí)，樁基礎(chǔ)的主應(yīng)力最小值為-6386kPa，最大值為12626.22kPa。

最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力是用來說明材料受力狀態(tài)的數(shù)據(jù)，可以表明材料受拉受壓狀態(tài)，最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的差值越大越越不安全，所以最小主應(yīng)力的分析也非常重要。

橋梁的最小主應(yīng)力分布：在樁基支撐處最小，施工結(jié)束時(shí)，最小值-12652.95，最大值-186.32kPa。施工結(jié)束時(shí)，樁基礎(chǔ)的主應(yīng)力最小值-18606.90Pa，最大值-157.77kPa。

當(dāng)盾構(gòu)隧道貫通時(shí)，盾構(gòu)隧道最大沉降值為2.69mm，最大隆起值為1.38mm。當(dāng)盾構(gòu)隧道貫通時(shí)，盾構(gòu)隧道最大水平位移為0.85mm。

施工結(jié)束時(shí)，盾構(gòu)隧道主應(yīng)力最小值-800.36kPa，最大值1613.70kPa。最大主應(yīng)力值小于材料的抗拉強(qiáng)度，說明結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生破壞。盾構(gòu)隧道彎矩最小值-50.44kNm，最大值83.89kNm。盾構(gòu)隧道軸力最小值-2790.76N，最大值-187.71kN。盾構(gòu)隧道剪力最小值61.77kN/m，最大值65.18kN。未發(fā)生破壞。

三、結(jié)論

以上計(jì)算分析表明：(1)隧道的建造對(duì)既有橋梁的位移、應(yīng)力、軸力、彎矩和剪力有一定的影響；(2)影響很小，在允許范圍內(nèi)。