中铁十一局集团第二工程有限公司 湖北十堰 442000
摘要：以某既有隧道上方边坡施工为工程背景，建立三维数值模型对隧道上方土体卸载过程中衬砌结构的变形进行分析，并对选定四个断面实施监控量测。通过数值模拟及监控量测结合分析上方各开挖施工阶段地层与围岩结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态，判断围岩稳定性及衬砌可靠性，用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计、指导施工。对可能产生的环境影响进行预警从而确保施工安全和施工质量，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。
关键词：隧道；现场监测；数值模拟；变形；衬砌应力
Numerical Simulation of Influence of Construction of Over-highway Bridges on Existing TunnelsJiang Jiang Zhong-quan
（NO.2 Engineering CO.，LTD of China Railway 11th Bureau Group，Shiyan，442000，China）
Abstract Taking the construction of the slope above an existing tunnel as the engineering background，the construction process of the three-dimensional numerical model was established to analyze the deformation of the lining structure during the unloading of the soil above the tunnel，and the selected four sections were monitored and monitored. Through the combination of numerical simulation and monitoring measurement，the dynamic changes of the strata and surrounding rock structure during the excavation construction phase above are analyzed，the safety status of the structure in the construction process is grasped，the stability of the surrounding rock and the reliability of the lining are determined，and the results of field measurement are used. Make up for the deficiencies in the theoretical analysis process，and feedback design and guide the construction of monitoring results. It will provide early warning of possible environmental impacts to ensure construction safety and construction quality，providing reference，guidance，and guidance for similar projects or the development of the construction method itself.
Keywords Tunnel；Site monitoring；Numerical Simulation；Deformation；Lining stress
1 工程概况
某拟建高速公路纵向桥上跨交汇某既有铁路隧道，线路在既有隧道洞口上方穿过。由于桥梁施工需要对下方土体进行清方，根据线路设计要求，隧道上方最大清方深度12m[3]。由于土方开挖量较大，卸荷效应有可能对既有线隧道产生回弹等不利影响，因此施工期间进行隧道受力、变形的监测是十分必要的。
另一方面，根据标段的工程地质特点与施工方法，采用数值模拟手段，通过大型有限元计算软件，建立反应实际工况的三维模型，进行桥梁施工中，各阶段隧道的受力、变形状态的模拟计算。对监测方案的制定、监测数据的分析以及隧道安全性的判断具有重要的指导意义。
2 数值模拟及结果分析
2.1 数值模型的建立
根据隧道设计理论[4]，依据相关规范，并利用大型有限元商业软件Ansys15.0进行既有线隧道的上方开挖卸载的仿真模拟，确定隧道的变形区域并布置断面，在确定断面的基础上布置变形监测点和应力监测点。
该有限元模型长80m×94m×95m（x，y，z方向），节点数为38645个，单元数为33426个；其中隧道节点3588个，单元数1748个。有限元模型中全部采用8节点solid45实体单元进行模拟。隧道衬砌结构穿越粉土层，下部为泥岩结构。在建模过程中，其中粉土，泥岩结构采用DP模型进行模拟[5]；衬砌结构选用弹性模型进行模拟。由于该隧道已运营多年，初期支护已年久失效，该模型只考虑二衬的作用；计算重点不是隧道开挖对土层的影响，所以不考虑既有线隧道的具体施工过程，按一次开挖成型考虑。其中有限元模型使用的参数如下表。
表1 物理力学参数表
图1 有限元整体模型（蓝色部分为开挖区域）
图2 隧道衬砌模型
图3 隧道竖直方向的位移云图
图4 隧道水平方向的位移云图
通过仿真模拟的结果可以看出，变形区域在拟建公路与既有线隧道交叉点沿隧道方向70m的范围属于该隧道洞门段。从变形云图中得到，最大变形位置处距离所建模型洞门处约20m，最大竖直位移为6mm，最大水平位移为3mm，且在同一断面。
因此，根据数值计算分析，该隧道洞口段设四个监测断面，分别名为K0～k 3每个监测断面间距20m。每个断面测试项目包括以下4项：衬砌混凝土应力；拱顶位移；底板位移；水平收敛。待上方土体挖方结束，形成三级台阶边坡，每级边坡测试项目分别为：水平位移；竖直位移。
2.2 隧道受力状态监测
以隧道衬砌应力为例。隧道断面的应力测点分别布设于拱顶及左右拱脚处。每个测点布置混凝土表面应变计，应变计引线沿隧道衬砌紧密布置且不对列车行进造成影响，数据读取应方便稳定。隧道应力测点布置如图5所示：
图5 衬砌应力测点布置示意图
隧道结构位移及变形测点分别位于拱顶、左右拱脚、底板中心（如图6所示），通过使用全站仪及水准仪进行量测，并记录数据，计算收敛及位移值大小。
图6 拱顶下沉和收敛测点布置示意图
3 监测数据分析
此次隧道监测共安装混凝土表面应变计13个（第二断面4个，其余断面各3个）。所有安装设备均正常发挥作用，于3月7日采集初次数据。
3.1 衬砌应力随时间变化图
本文截取第一断面各测点应力变化值，如图所示：
图7 断面1各测点应力变化图
4.2洞内位移监测
洞内位移监测数据如表所示：
表2 洞内位移监测最终累计位移
4 结论
（1）通过对数值模拟以及该工程施工期间监测数据进行对比，数值模拟最大竖直位移6mm，最大水平位移3mm。根据监测数据得知，最大拱顶位移为5mm，最大左右收敛为4mm，最大仰拱位移为4mm，变化均在合理范围内。
（2）该隧道所有应力变化曲线大致分三个阶段：第一阶段应力迅速减小，原因是土方开挖对隧道来说是卸载行为，不会使隧道衬砌恶化；第二阶段应力从波动状态趋于平稳，原因是在开挖卸载扰动后土体再次受力平衡的过程；第三阶段应力迅速增大，经过一段波动期，逐渐减小到一定值，原因是此阶段寒区隧道所受冻胀力随时间变化过程，最终趋于稳定。由近到远距洞口依次为第一、二、三、四断面，从应力变化图中发现，离洞口越远，应力变化越小，越容易趋于稳定。
综上所述，对该隧道衬砌应力，洞内位移进行监控测量及数值模拟表明隧道结构基本稳定，没有恶化趋势，可以正常工作运营，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴、依据和指导作用。
参考文献：
[1]《铁路隧道监控量测技术规程》（TB 10121-2007）
[2]《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）.
[3]《青海省扎麻隆倒淌河公改扩建工程尕庄纵向桥上跨青藏铁路湟水河隧道技术可行性评估报告》.
[4]刘新荣，郭子红，裴丽. 交错既有隧道次生力学效应三维模型试验[J].岩土力学，2011，32（9）：2609－ 2616．
[5]万飞，谭忠盛，陈岩.新建隧道近距离上跨既有线施工方案研究[J].北京交通大学学报，2013，37（1）：40－45.
论文作者:姜忠泉
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/21
标签：隧道论文; 位移论文; 应力论文; 断面论文; 数值论文; 模型论文; 拱顶论文; 《建筑模拟》2018年第2期论文;