1、安徽建筑中图分类号：TU455文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0075-03DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.026近年来，在全面建成小康社会的进程中，水利、交通等基础设施的建设速度较快，交通及水利的线性工程互相跨越的情况也越来越多1-3。新建隧道等交通设施开挖会造成围岩扰动4-5，产生较大的应力、位移，从而影响附近已建的水利设施，故对该类交叉工程需做好安全评价及施工措施。本文以新建分离式高速隧道上穿已建平阳南湖分洪工程为依托，采用有限元软件建立三维模型，研究分离式高速隧道同时开挖对已建分洪隧洞衬砌的应力及变形规律，为本区域类似工程提供
2、参考。1工程概况瑞苍高速公路起于瑞安市高楼镇，终于苍南县钱库镇，途经温州市瑞安、平阳、龙港、苍南4个县（市），是龙丽温、甬台温高速及其复线三条高速公路的联络线，建成后将成为温州市现有三条高速的横向连接通道。瑞苍高速公路在岩头隧道水头镇门前山西南侧上跨平阳县南湖分洪隧洞，交角约36.9，左线与分洪隧洞南北线交叉点净高差分别为23.33m和23.08m，右线与分洪隧洞南北线交叉点净高差为23.14m 和 22.67m，均比一倍分洪隧洞洞径大。三维位置关系见图1。分洪隧洞与岩头隧道交叉段为上游无压段，该段高速隧道埋深4778m，岩体总体呈镶嵌碎裂结构，属于级围岩地段，采用SA4b、SA4c衬砌。该段
3、分洪隧洞按类围岩进行支护，隧道断面开挖 尺 寸 为 15.50m11.15m，衬 后14.00m9.90m。隧洞初期支护采用初喷 C25混凝土（厚 5.0cm）、I20a钢拱架（间距 1.0m）、SD27N 自进中空注浆锚杆超前支护(0.4m2.0m，L=4.5m)、257 普 通 中 空 注 浆 锚 杆（L=4.5m/6.0m，间排距 1.0m，梅花形间隔布置，腰部2根改为25锁腰砂浆锚杆与钢拱架焊接）、侧墙顶拱挂 81515 钢筋网、喷C25混凝土（厚20cm），二次支护底板、顶拱及侧墙采用 C25F50 钢筋混凝土衬砌，厚度为50cm，侧墙锚杆端部深入侧墙衬砌30cm，洞壁设有排水孔，排
4、距2.5m，每排17孔，孔深3m。瑞苍高速公路在施工过程中是否对平阳南湖分洪隧洞造成影响关系着平阳县水头镇的防洪安全，必须经过严谨的结构安全分析。本文结合台阶式开挖方案，考虑真实地形及围压重分布，采用有限元法对岩头隧道与平阳县南湖分洪工程分洪隧洞交叉段进行开挖数值模拟，重点研究交叉段在开挖条件下的应力特征、变形规律和塑性区分布情况，以判断岩头分离式高速隧道开挖对平阳南湖分洪隧洞结构是否造成不利影响。2有限元法模拟2.1本构模型及计算参数采用大型有限元分析软件 MIDASGTS NX 进行有限元模型的建立及计算，岩体部分采用摩尔-库伦本构模型，混凝土衬砌及锚杆采用弹性模型。为简化计算，视隧洞混凝
5、土衬砌及上覆岩体为各向同性的均质体。模型主要计算参数如表1所示。2.2计算模型与网格划分分洪隧洞在上穿分离式隧道施工期的结构影响研究张慧君1，蒋泽锋2，金盛杰2（1.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310000；2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310000）摘要：为分析瑞苍高速公路施工期对平阳南湖分洪隧洞结构安全的不利影响，考虑真实地形及台阶式开挖，采用有限元软件模拟新建分离式高速隧道上穿已建分洪隧洞，重点研究了分洪隧洞在高速隧道施工期的应力特征、变形规律和塑性区分布情况，为本区域类似工程提供借鉴。结果表明，伴随高速隧道逐步开挖，已建分洪隧洞变形逐步增大，直至开挖越过交叉部位3倍洞径距离后
6、变形才趋于稳定；开挖完成后，已建分洪隧洞发生隆起变形，竖向隆起量为0.18mm，拱腰处发生最大向内水平位移为0.03mm，最大变形部位均发生在新建隧道与已建隧洞的空间交汇处；分洪隧洞衬砌最大压应力为1.83MPa、最大拉应力为0.17MPa，满足规范要求；隧道开挖时，洞周塑性区范围较大，但与已建分洪隧洞有效应变区未贯通，岩体仍保持完整；分洪隧洞在双线高速隧道施工期受到的总体影响较小，结构受力及变形满足设计要求。关键词：隧洞；有限元模拟；开挖；应力及变形；塑性区作者简介：张慧君（1988-），女，安徽合肥人，毕业于合肥工业大学岩土工程专业，硕士，工程师。专业方向：岩土工程。基金项目：浙江水利科技
7、计划项目(RB2031)图1南湖分洪隧洞与岩头隧道位置关系示意图表1材料力学参数及本构模型材料参数岩体（花岗岩）岩体（熔结凝灰岩）混凝土衬砌锚杆单元类型实体单元实体单元板单元植入式桁架单元本构模型M-C模型M-C模型弹性模型弹性模型容重（kN/m）26.525.725.078.5弹性模量（GPa）282428210泊松比0.3000.2500.1670.300粘聚力（MPa）4525/摩擦角（）4035/建筑结构研究与应用75安徽建筑平阳南湖分洪隧洞与岩头高速隧道交叉段三维有限元模型如图2所示。岩体剖分八节点六面体单元、六节点六面体单元和四节点四面体等参单元共1113349个，节点180514
8、个，混凝土衬砌采用板单元，锚杆采用植入式桁架单元。图2岩头隧道交叉段三维有限元模型示意图2.3施工步模拟及初始地应力场反演岩头段高速隧道类型为分离式，净距约 30m，两洞间隔较远，开挖对彼此的影响相对较小，模拟时两条隧道同时开挖。分洪隧洞洞室多位于地下水以下，但地下水活动总体较弱，模拟时暂不考虑外水压力的渗透作用。关于围岩荷载，参照实际施工经验，围岩应力随时间缓慢释放。为模拟围岩应力释放过程，在数值模拟时设置开挖阶段和支护阶段的荷载释放比例分别为 50%、50%。为提高计算效率，隧道均分为20步开挖，施工步骤模拟如表2所示。表2施工步模拟顺序施工步骤1234施工内容平衡初始地应力新建隧道开挖新
9、建隧道开挖衬砌和锚杆备注位移清零，分洪隧洞已建上层开挖土体钝化下层开挖土体钝化激活并改变属性本次计算采用直接调整边界法进行初始地应力场的反演，通过不断改变边界力的作用方式和大小来和实测结果进行比较，直到找到与实测值接近的边界条件。由于本次地勘未做有关隧道部位的地应力检测工作，故以经验公式=h来估算岩头隧道底部的初始地应力。岩头隧道埋深约70m，岩体重度取26.5kN/m，估算得到隧道底部初始地应力约为 1.86MPa。初始地应力场的反演结果与隧道底部位置的估算初始地应力基本吻合（最大主应力1.83MPa），如图3所示。3有限元模拟结果与分析3.1岩头隧道塑性区、位移及应力分析由图 4看出，隧道
10、开挖产生的岩体损失会使隧道周边岩体产生塑性区，局部深度达到 5.8m。但从断面的地层塑性区分布情况看，新建隧道有效应变区并未贯通，总体处于安全状态，岩头隧道施工对南湖分洪隧洞的结构安全影响相对较小。由计算可得，岩头段分离式高速隧道开挖后地层总位移约 0.55mm，发生在隧道底部位置；隧道底部竖向位移最大值0.54mm，方向竖直向上；顶拱竖向位移最大值为0.31mm，方向竖直向下；水平位移最大值为向北 0.19mm、向南0.17mm。从计算结果可以看出，尽管隧道埋深较浅，但地表沉降较小。另外，由图5可知，高速隧道开挖完成后隧道衬 砌 结 构 最 大、最 小 主 应 力 分 别 为2.18MPa、
11、1.27MPa，其中最大主应力在侧墙位置。根据 水工混凝土结构设计规范（SL 191-2008），混凝土衬砌结构抗压和抗拉均满足极限承载能力。图4地层位移云图（单位：m）图5岩头隧道应力云图（单位：kPa、m）3.2南湖分洪隧洞位移及应力计算分析在岩头隧道与分洪隧洞交叉区域，隧道开挖引起分洪隧洞产生的最大总位移 发 生 在 顶 拱 部 位，最 大 竖 向 位 移0.18mm，方向竖直向上，最大水平位移0.03mm。另外，隧道开挖完成后交叉区域南湖分洪隧洞的衬砌最大、最小主应力分别为 6.73MPa、1.83MPa，均在岩极限承载能力范围内。从计算结果来看，岩头隧道开挖对平阳南湖分洪隧洞结构安全
12、影响有限。平阳南湖分洪隧洞竖向位移及最大主应力云图如图6、图7所示。3.3南湖分洪隧洞衬砌变形分析已建分洪隧洞衬砌在高速隧道开挖过程中的位移变化曲线如图8所示，新建高速隧道开挖完成后，已建分洪隧洞衬砌竖向位移变形趋势见图9。图 8中横坐标表示不同开挖步距，纵坐标表示位移值，各曲线表示在开挖过程中分洪隧洞衬砌的水平位移、竖向位移和总位移变化情况。由图 8 可看出，随着高速隧道开挖的深入，衬砌水位移变化不大，曲线相对较平稳。但分洪隧洞南、北线衬砌的总位移及竖向位移随开挖逐渐增大，当开挖11步后，位移及竖向位移趋于稳定，原因是上跨的高速隧道开挖已跨过分洪隧洞一定距离，根据软件计算结果，跨过已建分洪隧
13、洞200m后高速隧道的开挖对分洪隧洞影响越来越小。且由图9可看出，隧道开挖后，根据土体损失理论，会使分洪隧洞产生一个向上的位移；高速隧道开挖完成后，分洪隧洞位移趋势变化最大处即为双向高速隧道与南湖分洪隧洞南北线交汇处，分洪隧洞顶部产生两处隆起，最大隆起量为0.18mm。图3岩头隧道初始地应力图图6平阳南湖分洪隧洞竖向位移云图（单位：m）图7平阳南湖分洪隧洞最大主应力云图（单位：kPa）图8高速隧道开挖过程中分洪隧洞位移变化图（单位：mm）图9已建隧洞竖向位移变形趋势云图（单位：m）（下转第85页）建筑结构研究与应用76安徽建筑试件位移并不明显，且部分试件存在安装时未压实现象。随着试验的进行，荷
14、载和位移不断增大，试件混凝土没有明显现象。当荷载增大至35kN左右时混凝土在拉结件安装位置开始出现细小裂纹，随着荷载增加裂缝开始延展，当荷载增大至约 4461kN 时，承载力开始下降，位移增长速度增大，混凝土内侧也出现明显裂缝，不锈钢拉结件发生较大屈曲，试验停止。由试验得到5个构件的荷载-位移曲线如图7所示，试验结果汇总见表5。图7SP-FA-1-175-200规格试件的荷载-位移曲线4工程项目应用验算SP-FA-120/160/200 板型拉结件应用于南京桥林产业人才共有产权房建设项目，项目中最大墙板构件的外叶墙尺寸为 3030mm3165mm，竖向布置两个SP-FA-1-175-160拉结
15、件，位置与外叶墙重心两侧等距。经过计算，外叶墙自重荷载标准值为 14.38kN，每个拉结件承载荷载7.19kN，由上述试验得到承载力平均值 52.78kN，安全系数为52.78/2/7.19=3.67。安全系数较大，可满足工程应用要求。5结论板型不锈钢拉结件剪切试验中，三种尺寸的 SP-FA-120/160/200 板型拉结件锚入混凝土试件破坏形式均为不锈钢拉结件屈曲破坏，混凝土内侧也有开裂，结论如下。长度120mm拉结件最大荷载平均值为 29.50kN，相应位移平均值为8.4mm；长度 160mm 拉结件最大荷载平均值为 52.78kN，相应位移平均值为7.4mm；长度 200mm 拉结件最
16、大荷载平均值为 55.24kN，相应位移平均值为5.7mm。随着拉结件尺寸增加，其承载力增加；随着拉结件尺寸增加，相应达到最大荷载的位移减少。对实际工程项目应用进行验算具有较大的安全系数，不锈钢拉结件抗剪承载力可满足工程应用要求。参考文献1谢俊.预制夹心保温外墙板连接件布置研究D.沈阳建筑大学,2019.2王勃,杨树林,周柏成,等.预制混凝土夹心保温墙板中FRP连接件研究J.吉林建筑大学学报,2016,33(03):1-3.3薛伟辰,姜伟庆,宋佳峥,等.预制混凝土夹心保温外挂墙体桁架式不锈钢连接件抗拔与抗剪性能试验研究J.施工技术,2018,47(12):95-99.4薛伟辰,张赛,苏瑞佳,等.预制混凝土夹心保温墙体棒状不锈钢连接件研发与抗拔性能试验研究J.施工技术,2018,47(12):92-94.5朱斌,施华飞.预制混凝土夹心保温外墙板桁架式不锈钢连接件施工及质量控制技术J.施工技术,2018,47(12):108-111+144.6陈长林,张宗军,丁磊,等.预制夹芯保温墙板纤维增强复材连接件的抗拉性能试验研究J.工业建筑,2019,49(11):58-63+71.7JC/T 2
