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公路施工對隧道影響的三維有限元分析

整個三維有限元計算模型共437369個單元，80161個節(jié)點，山體、隧道、挖方、填方、公路及隧道模型如圖1、圖2所示。施工步涉及復(fù)雜的開挖、填方過程，地層環(huán)境也很復(fù)雜，公路與隧道為空間斜交狀態(tài)，這些都決定了必須用更為復(fù)雜的處理方法進(jìn)行研究，方能得到可信度高的分析結(jié)果［8－9］。結(jié)合ANSYS軟件的“生死單元”技術(shù)及網(wǎng)格自適應(yīng)功能可有效、準(zhǔn)確計算具有復(fù)雜幾何邊界及多種介質(zhì)條件下的巖土、結(jié)構(gòu)等二維、三維力學(xué)問題，對非均質(zhì)地層的復(fù)雜三維應(yīng)力場、位移場進(jìn)行計算是可靠的。本次分析采用ANSYS軟件中提供的“生死單元”技術(shù)及網(wǎng)格自適應(yīng)功能來進(jìn)行整體模型上的全施工過程計算。因某一施工步之外的單元不起作用，故首先可直接將未填筑的單元網(wǎng)格“殺死”，然后施加相應(yīng)邊界條件，進(jìn)行原狀計算;再將開挖的單元殺死，進(jìn)行開挖計算;最后把填筑單元“激活”，進(jìn)行填方計算。通過不斷運用網(wǎng)格自適應(yīng)功能使系統(tǒng)作出調(diào)整，即根據(jù)施工步局部調(diào)整單元網(wǎng)格的“生死”，相應(yīng)修正邊界條件后重新計算，直到滿足計算精度要求。本研究采用了參數(shù)化設(shè)計分析手段進(jìn)行處理，將變化的參量定義成參數(shù)，建立分析過程命令流文件，由計算機自動地完成分析工作。另外，鑒于“生死單元”技術(shù)的基本對象是單元，為求得足夠光滑的應(yīng)力等值線，采用ANSYS的網(wǎng)格自適應(yīng)功能在挖、填交界附近以及地層變化較大區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密以適應(yīng)精度要求。計算模擬施工步驟如圖3所示。明確原狀情況下隧道狀態(tài)是進(jìn)一步評估施工影響和進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)，施加重力進(jìn)行計算，得到隧道受力情況，同時也得到初始位移，在后續(xù)施工步中刨除已經(jīng)圖3主要施工步完成的這部分位移;而內(nèi)力結(jié)果則在模型中與附加作用進(jìn)行疊加，分析隧道的綜合受力狀態(tài)。工況1計算結(jié)果，如圖4～圖7所示。

開挖與填方對隧道影響的綜合分析

分析施工過程整體沉降位移云圖、水平位移云圖，及隧道變形云圖、內(nèi)力圖等，取典型位置提取結(jié)果如(1)從有限元的計算結(jié)果來看，公路修筑至隧頂附近時，隧道拱頂與原狀態(tài)相比，呈略微的上拱趨勢，為0．438mm左右。這是因為開挖卸荷的作用，且由于隧道埋深超過2倍洞徑，因此上部開挖對下部隧道雖有影響，但其量值并不大。挖方施工引起隧道的最大附加位移在1mm以內(nèi)，隧道的最大附加應(yīng)力為1810kN•m/m，小于強度控制標(biāo)準(zhǔn)。(2)填筑其他段路基后，拱頂又產(chǎn)生新的下沉，且不對稱，這是因為單側(cè)填土的加載作用。正上方公路施工對隧道的影響要大于較遠(yuǎn)處的其他段的影響。公路的橫向影響區(qū)域主要在以隧道正上方位置點為中心的40m范圍內(nèi)，靠山體較高一側(cè)隧道的變形最大。(3)公路路塹開挖面沿法線方向位移明顯，最大水平位移為41．0mm左右，位于坡面的最上方，相對是較大的，可能超過了邊坡穩(wěn)定要求，對鐵路隧道洞口有潛在影響，涉及的邊坡穩(wěn)定問題需進(jìn)行專項分析。(4)公路施工對隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力是有限的，且在極限強度允許值范圍內(nèi)。但是仍需注意加強臨近隧道部分地基的監(jiān)測，尤其是洞口邊坡的監(jiān)測;隧道內(nèi)部有條件時應(yīng)布設(shè)應(yīng)力計和收斂觀測儀。

通過對新建新站北路施工對下方贛龍鐵路隧道影響的理論分析，筆者認(rèn)為，施工對隧道影響總體上不大，在做好有效施工組織和監(jiān)控量測的前提下，可以確保上跨高速公路順利施工，也可以保證隧道的運營安全。同時建議施工中應(yīng)盡量分段、分區(qū)、分層、對稱地進(jìn)行路塹開挖，減小一次性大面積卸載引起的既有隧道結(jié)構(gòu)的上抬，同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行施工步的適當(dāng)調(diào)整，以進(jìn)一步降低施工帶來的不利影響。為了既能確保下部隧道建筑物的安全，又能檢驗設(shè)計的方案，應(yīng)加強對隧道的監(jiān)測，及時反饋結(jié)果。

本文作者：姚捷工作單位：中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司