隧道下穿涵洞结构安全性计算分析

隧道下穿涵洞结构安全性计算分析摘要：隧道下穿结构物需要考虑隧道结构的安全性，同时也要考虑结构物的安全性及沉降值。上部围岩较薄，且有比较厚的堆碴物时，堆碴荷载全部作用于围岩结构，增大了内力，对隧道结构物产生不利影响。本文以具体某地铁工程为实例，考虑实际施工的工程顺序，模拟计算双洞施工中，上部堆碴对隧道结构的安全性影响，分别计算了三种工况下不同的安全性，以及此处双洞施工是否存在由于净距较小而产生应力叠加区的问题。计算结果有一定的工程实用性，能为类似工程实例提供借鉴和经验。

关键词：隧道；结构安全性；近距离施工；数值模拟

引言

曾有科学家预言：“十九世纪是高层建筑的世纪，二十世纪是桥梁的世纪，二十一世纪则是地下空间的世纪。”随着交通事业的蓬勃发展，地下空间已被视为人类所拥有的尚未充分利用和开发的宝贵自然资源，目前各国都把地下空间利用的重点，放在城市地下空间建设上。地下工程在城市中修建，不可避免的存在下穿建筑及结构物的情况。

下穿施工的影响因素很多，如新建隧道与既有洞室的距离、围岩条件等等，因此，关于下穿施工的影响程度不能一概而论，应该根据不同的地质条件，具体问题具体分析，根据相关工程实例来看，在城市地区起主要控制作用的还是上方既有洞室的强度和允许变

形指标。当在既有洞室下方开挖土体时，将会引起地层下沉，进而引起既有洞室产生不均匀沉降，当变形达到限值时将产生环向裂缝，影响结构的安全使用。特别是下穿地铁结构(包括区间和车站)时，由于受运营的限制，变形指标将更加严格。

总体来说，下穿施工的影响因素可以分为两大类，第一类为地层因素，地层的性质直接影响着下穿施工的成败，是下穿施工的决定性因素；第二类为结构因素，下穿施工最关键的一点就是要保证上覆既有结构的安全和正常使用。

新建隧道下穿既有结构工程的控制标准有三，其一，要保证上覆既有结构的安全和正常使用；其二，要保证新建隧道的安全和正常使用，特别是新建隧道的变形要满足限界要求，即不能发生过大的变形；其三，要满足新建隧道周围环境的要求，比如地面沉降要满足地面建筑物变形要求等等。本文通过一具体实例从以上几方面进行分析。

1工程概况

某涵洞位于里程ck22+980～ck23+030，横穿某地铁轨道交通六号线。该段河道走向基本与地铁线路相互垂直。涵洞上游接口位于六号线以北约260m处，该处河面宽度约20m，两侧河堤标高250m 左右，断面形式为梯形。下游接口位于六号线以南约130m处，该处河面宽度约15m，两侧河堤标高250.50m左右。

根据收集的竣工资料，该段涵洞长421.141m，为双跨5m拱涵，

其流水板顶面标高244～245.55m；该拱涵单跨跨度为5m，起拱线高度为5m，拱高1.5m。侧边墙基础宽度为3.5m，置于中等风化泥质砂岩之上，基础材料为c15现浇砼或m10水泥砂浆砌30#毛条石，基础底标高239.80m，墙身材料为m10水泥砂浆砌30#毛条石；中墙基础宽度2.4m，同样置于中等风化泥质砂岩之上，基础材料为

c15现浇混凝土或m10水泥砂浆砌30#毛条石，基础底标高239.80m，墙身材料为m10水泥砂浆砌30#毛条石；拱圈为c25钢筋混凝土，厚0.50m。沿隧道纵向剖面，区间正线与涵洞的相对位置关系如下图所示：

图1涵洞与tbm隧道剖面位置关系

2计算模式

tbm掘进机直径6.36m，掘进时每循环进尺1.5m,考虑到下穿涵洞段的特殊情况，在tbm掘进过程中，及时架设钢架，并采用增设的手动喷混凝土系统施做初期支护，厚度为150mm，在钢架架设完毕后即开始支护，必要时停止掘进，施做下穿段二次衬砌，及时封闭洞室结构，本次计算暂不考虑二次衬砌作用。通道计算求出tbm 施工对涵洞与地表的沉降量以及隧道支护结构自身的安全，明确tbm掘进开挖对涵洞影响的大小量级和范围，分析危险可能发生的部位、方式及应采取的设计对策，为真实模拟实际情况，对tbm下穿涵洞段进行三维建模计算分析。

2.1有限元计算模型

按岩土力学法计算，采用有限元软件进行计算分析，计算模型如图2所示。模型x轴方向取60m；y轴70m；tbm开挖竖向上z轴方向取60m。整个模型采用实体单元建模，土层采用摩尔－库仑模型，它主要考虑土体的粘聚力和内摩擦角来表示为与主应力圆相切的一条直线。隧道结构采用弹性体模型，共划分62944个实体单元。如右图所示：

2.2地层及结构物理力学参数

计算时围岩和衬砌结构的物理力学指标根据《某市轨道交通六号线工程地质勘察报告 (详勘)》加以选取，弹性模量考虑岩体完整性系数的影响，初期支护厚度为150mm，二衬厚度为300mm，采用c40钢筋混凝土结构。其余建立模型所需具体参数如表1所示。

2.3屈服准则

计算采用弹塑性平面应变模型。岩土材料的非线性按dp材料处理，塑性准则使用drucker-prager屈服准则。

2.4计算荷载及开挖支护效果实现

本计算模型的荷载主要考虑：a.地层自重应力场；b.支护结构的重力。

2.5计算步骤模拟

计算步骤：初始平衡→左线隧道开挖→左线隧道初期支护施作→左线隧道二次衬砌施作→右线隧道开挖→右线隧道初期支护施

作→右线隧道二次衬砌施作。

本次施工过程主要考虑下穿涵洞时对于涵洞的影响和本身衬砌结构的安全性，故按照掘进尺度为1.5米进行计算，主要分析开挖掌子面距离涵洞的垂直距离最小时的安全性。

2.6安全系数计算方法

有限元求得隧道各截面上的弯矩和轴力后，可通过下列公式计算所论截面的安全系数：

(小偏心)时，按抗压要求检算，取如下公式：

式中—构件纵向弯曲系数，计算中取=1；

—轴力偏心影响系数，有；

—混凝土极限抗压强度，计算中取=19.0；其余符号意义同前。

规范规定的混凝土抗压极限强度安全系数为：=2.4

(大偏心)时，按抗裂要求检算。取如下公式：

式中—混凝土极限抗拉强度，计算中取=2.0。

规范规定混凝土抗拉极限强度安全系数为：=3.6

3计算结果

3.1位移值

计算结果如下：区间隧道结构按“破损阶段”法计算，以材料极限强度进行设计, 在隧道进行开挖之前，先进行应力平衡，计算平衡后的初始应力及位移知：地层在开挖前的初始沉。

降量为28.54mm, 模拟施工时根据实际情况，隧道左右线先后开