上覆工程對供水隧洞安全影響的數值分析

路 敏，李建平

（1.楊凌示范區農科資產管理有限公司，陜西 楊凌 712100；2.楊凌示范區市政園林工程有限公司，陜西 楊凌 712100）

0 引言

隧洞是埋至于地層中的工程建筑物，是人類利用地下空間的一種形式。1970 年，國際經濟合作與發展組織將隧洞定義為以某種用途、在地面下用任何方法按規定形狀和尺寸修筑的斷面積大于2 m2的洞室[1]。而隧洞安全是擺在廣大隧洞施工管理者和技術人員面前的一個課題，也是一個難題。畢可為為研究小凈距隧洞施工之間的相互影響，運用FLAC 2D 軟件進行數值模擬，并認為先行開挖暗挖段再施工單線盾構區間可最大限度減少二者之間的不利影響，保證地鐵區間施工安全[2]。魏綱采用二維有限元方法對鄰近中低層建筑物工況下的暗挖隧洞施工進行模擬和分析，得出建筑物的存在會增大隧洞開挖引起的地面沉降和襯砌的受力與變形，同時隧洞開挖也會使鄰近建筑物產生附加應力和變形[3]。賴金星基于彈塑性有限元方法對雙連拱隧洞施工過程進行分析，得到施工過程中圍巖的應力、應變狀態，以及初期支護和二次襯砌的受力狀態，發現施工過程中圍巖和支護結構處于安全狀態，分析結果為羊泉溝隧洞的順利貫通提供了有效指導[4]。祝文化利用FLAC 10 軟件建立淺埋偏壓單拱隧洞計算模型，模擬圍巖在不同施工階段的變化情況，得到了圍巖在不同施工階段的應力場、位移場以及塑性區的分布規律，并與現場監控量測數據進行了對比分析，得出了一些可靠的結論[5]。張會剛針對深圳地鐵新建隧洞鄰接既有隧洞工程，利用FLAC3D 軟件進行施工過程模擬，顯示在本地質條件和特定盾構推力情況下，變形量滿足設計要求；沉降曲線相對平坦，滿足既有隧洞橫向差異沉降要求[6]。賴金星為研究常見小型溶洞引起的隧洞穩定性問題，應用有限元方法，分析溶洞處于隧洞不同位置對圍巖位移和隧洞結構受力的影響，表明隧底溶洞距離為1 m 時，仰拱軸力增加21%，其余部分變化微弱；側壁溶洞距離為1 m 時，邊墻軸力增加14.8%，其余部分變化微弱；隧頂溶洞距離為1 m 時，拱頂軸力增加10%；其余部分變化微弱[7]。張志強針對深圳地鐵新建隧洞鄰接既有樁基的地鐵工程，進行三維有限元數值模擬的施工力學行為研究，發現與無樁情況相比較，鄰接樁基施工將引起新建隧洞自身結構，特別是與既有樁基鄰接一側邊墻不利的受力狀況和變形特征；并且鄰接施工還將引起既有樁基產生偏向隧洞水平方向的“拉伸”形情況[8]。張治國基于Winkler 地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，研究不同隧道埋深、距離基坑開挖現場遠近、不同地基土質和不同隧道外徑等因素對隧道縱向變形的影響，結合大型三維有限元數值模擬以及現場實測數據將計算結果進行對比[9]。

本文從新建上覆工程對原有的供水隧洞安全影響的角度出發，利用MidasGTS-NX 軟件，選用2D“地層- 結構”計算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后兩種工況下對供水隧洞進行位移、彎矩與安全系數方面的數值分析。

1 工程概況

擬建場地屬構造剝蝕淺丘溝谷地貌，但目前該場地已全部平場，地形坡度較小，最低點位于場區南側，最高點位于場地西側，相對高差8.56 m 左右。斜坡坡角一般0°～8°，地形較為平緩，場地地形地貌簡單?？辈旆秶鷥葞r層呈單斜狀構造，無區域性斷層通過，構造地質條件較簡單，巖層傾向285°～315°，傾角5°～12°。根據區域地質資料和現場調查，場區內及附近并無活動斷裂通過。通過鉆探揭示，場地基巖風化裂隙較發育，裂隙發育程度隨深度增加而減弱。上覆工程范圍面積為2548.5 m2。上覆工程結構標高為251.500 m，帶有深度為600 mm 的厚覆土。

2 隧洞結構安全評估辦法

2.1 計算模型

本次采用有限元分析軟件MidasGTS-NX，按照原設計的參數建立2D“地層- 結構”模型，計算供水隧洞斷面的位移、彎矩和安全系數。

“2D 地層- 結構”法分析地層結構法主要包括地層的合理化模擬、結構模擬、施工過程模擬以及施工過程中結構與周圍地層的相互作用、周圍地層與結構相互作用的模擬。地層結構模型的計算理論即為地層結構法，其原理是將襯砌和地層視為整體，在滿足變形協調條件的前提下分別計算襯砌與地層的內力，以此來驗算地層的穩定性和進行構件截面設計。利用有限元軟件建立起“地層- 結構”模型，根據施工過程模擬各種工況，再利用軟件分析結果，分別提取隧洞現狀和新建上覆工程后供水隧洞典型斷面的位移、襯砌軸力、彎矩值，并對供水隧洞設計竣工圖的襯砌形式進行分析檢算。

2.2 計算參數

本次評估檢算參數參考地勘資料中的巖土參數及類似工程計算取值，具體見表1。

表1 數值模擬的物理力學性能主要參數表

2.3 計算工況

工況分為：①上覆工程未建時供水隧洞現狀；②新建上覆工程后供水隧洞分析。

模型中襯砌采用梁單元模擬，本構模型采用彈性本構模型；地層及混凝土結構（除樁基外）采用平面應變單元模擬，選用莫爾- 庫倫本構模型；模型前后左右為水平約束，下部為豎直及水平約束，頂部為自由邊界；2D 模型示意見圖1。

圖1 2D 模型示意圖

2.4 典型斷面“地層-結構法”計算結果及分析

本次研究共有8 個斷面進行對比分析，在此我們選一個最不利的典型斷面著重分析。

2.4.1 供水隧洞位移分析

本次位移分析以既有隧洞運營狀態為原始狀態，分析新建上覆工程后既有隧洞襯砌的位移變化量。

從圖2 中可以看出，新建上覆工程之后，典型斷面全隧襯砌仰拱底最大位移為4.89 mm，而結合表2，各斷面仰拱底最大位移均滿足最大位移不得大于6 mm 的要求。

表2 各斷面仰拱底最大位移表

圖2 典型斷面位移圖

2.4.2 供水隧洞襯砌安全系數分析

（1）軸力分析

①未新建上覆工程前隧洞襯砌軸力見圖3。

圖3 典型斷面軸力圖

②新建上覆工程隧洞襯砌軸力見圖4。

圖4 典型斷面軸力圖

通過軸力圖顯示，對比兩種工況后得出在新建上覆工程后，軸力最大值位于兩側邊墻處，供水隧洞處于受壓狀態，各典型斷面結果顯示，仰拱及拱頂處軸力較小，邊墻及拱腳處軸力較大。

綜合比較各斷面處的軸力數據，見表3。

（2）彎矩分析

①未新建上覆工程前既有隧洞襯砌彎矩見圖5。

圖5 典型斷面彎矩圖

通過彎矩圖顯示，供水隧洞現狀最大彎矩位于拱腳處，各典型斷面結果顯示彎矩整體呈對稱分布。

②新建上覆工程后隧洞襯砌彎矩見圖6。

通過彎矩圖顯示，新建上覆工程修建后供水隧洞最大彎矩位于拱腳處，各典型斷面結果顯示彎矩整體呈對稱分布。

綜合比較各斷面的彎矩數據，見表4。

表3 典型斷面“地層結構法”最大軸力表

表4 典型斷面“地層結構法”最大彎矩表

圖6 典型斷面彎矩圖

（3）安全系數分析

①未新建上覆工程前隧洞襯砌安全系數見表5。

表5 典型斷面襯砌安全系數表

續表5

②新建上覆工程后隧洞襯砌安全系數見表6。

表6 典型斷面襯砌安全系數表

續表6

如表7 所示，供水隧洞在新建上覆工程之后，典型斷面隧洞結構安全系數與未建上覆工程時相比變化量為2.28，是變化量最大的斷面，而綜合來看所有斷面的安全系數變化量均小于規定的限值2.4，滿足規范要求，說明新建上覆工程對供水隧洞的安全影響可以忽略不計。

表7 最小安全系數對比表

3 結論

從新建上覆工程對原有的供水隧洞安全影響的角度出發，利用MidasGTS-NX 軟件，選用2D“地層- 結構”計算模型，在未建上覆工程前和新建上覆工程后兩種工況下對供水隧洞進行數值計算，分析新建上覆工程對隧洞位移、彎矩與安全系數影響，主要結論如下：

（1）供水隧洞在新建上覆工程之后，與原始狀態對比全隧襯砌仰拱底最大位移為4.89 mm，滿足最大位移不得大于6 mm 的要求，說明新建上覆工程并沒有對供水隧洞的安全造成影響。

（2）供水隧洞彎矩情況通過彎矩圖顯示，隧洞原始狀態與新建上覆工程修建后最大彎矩均位于拱腳處，各典型斷面結果顯示彎矩整體呈對稱分布，并沒有對供水隧洞的安全造成影響。

（3）供水隧洞在新建上覆工程之后，隧洞結構安全系數與未建上覆工程時相比結構安全系數變化量較小，且均小于規定的限值2.4，滿足規范要求。