回填土下穿隧道开挖对既有排水箱涵影响的数值分析

朱清利

(中铁二十局集团第三工程有限公司，重庆 400065)

1 引言

随着中国经济的飞速发展，地面交通拥堵问题日益突出，解决城市地面交通问题迫在眉睫。城市轨道交通的建设使交通拥堵问题得到了一定的缓解，但城市地下管网复杂，隧道上穿或下穿管网时往往对管网及隧道本身产生一定的影响。本文以重庆轨道交通10 号线兰花湖停车场出入段线暗挖区间隧道为研究对象，通过数值模拟研究了隧道开挖对不同竖向位置箱涵的影响，可作为地铁选线和市政管线保护技术的重要理论基础。

2 工程概况

重庆轨道交通10 号线兰花湖停车场出入段线暗挖区间隧道位于重庆市南岸区重庆工商大学兰花湖校区东北侧，岩性主要以砂岩、砂质泥岩为主，局部分布有深回填土，填土最大厚度约为19.2 m。回填土主要由粉质黏土夹砂岩、砂质泥岩碎石组成，并夹杂少量生活垃圾、建筑垃圾，成分复杂；堆填年限在2～15 年不等，结构松散，稳定性差。排水箱涵位于拟建隧道的上方，隧道开挖会对其造成一定的影响。

3 数值模拟及分析

3.1 模拟工况

由于隧道向上开挖，箱涵向下开挖，所以存在二者间距的变化，假设隧道与箱涵走向基本一致，为了减少模型计算量，也为了分析间距的影响，所以将其简化成下面的研究工况，具体的模拟工况如图1 所示。选取距离隧道拱顶1 m 处的位置设为箱涵的初始位置，每次变化箱涵的位置时向上移动6.5 m，分别对其进行模拟。

图1 不同竖向位置箱涵

3.2 数值模型的建立

本次模拟使用ANSYS 软件，通过建立二维模型进行计算。考虑到回填土具有明显的弹塑性，在计算中将模型简化为弹塑性平面应变问题，采用Drucker-Prager 弹塑性本构模型，来模拟回填土的非线性变化过程，箱涵则采用弹性模型[1]。隧道围岩和开挖土体均采用实体单元plane42 模拟，箱涵则采用二维梁单元beam3 模拟。隧道的初支和二衬会减小隧道的竖向位移，为了使规律更加明显，本次模拟忽略了隧道的初支和二衬，具体的计算参数如表1 所示。

表1 物理力学参数表

根据圣维南原理，隧道周围大于3～5 倍洞跨范围外的围岩受隧道开挖的扰动很小[2]。因此，本文数值模拟模型的边界尺寸为：上边界距隧道拱顶为7 倍洞高，左右边界距隧道拱腰均为7 倍隧道跨度，下边界距开挖洞底为4 倍洞高。通过杀死开挖土体部分单元来模拟隧道的开挖，并在后处理中输出箱涵各单元的弯矩和轴力。

3.3 模拟结果与分析

对箱涵进行内力分析，包括弯矩分析、轴力分析和安全系数分析。考虑到箱涵最危险的地方在4 个角点[3]，因此，选取4个角点进行内力分析。

3.3.1 箱涵弯矩分析

箱涵的弯矩变化模拟结果如图2 所示，随着箱涵与隧道拱顶距离的增加，箱涵各个角点弯矩呈现出先增大后减小的趋势，这是因为回填土松散、稳定性差，加之箱涵尺寸较小，距离隧道很近时沉降很大，箱涵处于一种整体下沉的状态，变形很小，所以产生的弯矩很小。当箱涵与隧道拱顶的距离为7.5 m时，其弯矩分布如图3 所示，各个角点的弯矩均大于其他点，这是因为在4 个角点处容易产生应力集中，从而造成4 个角点的弯矩值远远大于其他点。

图2 不同竖向位置箱涵弯矩

图3 箱涵弯矩分布（单位：N/m）

3.3.2 箱涵轴力分析

箱涵的轴力变化模拟结果如图4 所示，随着箱涵与隧道拱顶距离的不断增加，各点的轴力总体上呈现出不断减小的趋势，但当距离达到21.5 m 后，各点的轴力均出现了一个增加的过程，底板角点轴力的变化较大，顶板角点轴力的增量则较少。当箱涵与隧道拱顶的距离为1 m 时，其轴力分布如图5 所示，箱涵顶板和底板各点的轴力分布比较平均，侧板的轴力分布则是两端大中间小，左侧板的中部产生了部分拉力，但其值较小，不会造成箱涵受拉破坏。

图4 不同竖向位置箱涵轴力

图5 箱涵轴力分布（单位：N）

3.3.3 箱涵安全系数分析

参考相关规范，将排水箱涵结构强度安全系数取为1.2，箱涵安全系数的计算结果如图6 所示，当箱涵距离隧道拱顶较近时，箱涵的安全系数较大；随着距离的增加，箱涵的安全系数不断减小。当距离超过7.5 m 后，曲线开始保持稳定，此时4 个角点的安全系数值最大为1.19，其他的远小于1.2，说明结构已经产生裂缝甚至破坏。当距离超过20.5 m 后，安全系数开始逐渐增大。当箱涵离隧道拱顶的距离为14 m 时，箱涵各点的安全系数分布如图7 所示，箱涵4 个角点的安全系数远远小于其他点，各板中点的安全系数均是该板的最大值。

图6 不同竖向位置箱涵安全系数

图7 箱涵安全系数分布

4 结论

本文运用数值模拟的方法，分析了隧道开挖对不同竖向位置箱涵的结构受力影响规律，主要结论如下：

1）隧道开挖会造成箱涵的不均匀沉降，从而使箱涵产生内力，但当箱涵距离隧道拱顶较近时，由于回填土松散、稳定性差的性质，箱涵处于整体下沉的状态，产生的内力较小。

2）随着箱涵与隧道拱顶距离的增加，箱涵各个角点的弯矩呈现出先增大后减小的趋势，轴力则呈现出先减小后增大再减小的趋势。

3）随着箱涵与隧道拱顶距离的增加，安全系数的值先减小后增大，当箱涵与隧道拱顶的距离在7.5～20.5 m 时，箱涵的安全系数小于1.2，结构已经产生裂缝甚至破坏。