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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。施工步涉及復雜的開挖、填方過程，地層環境也很復雜，公路與隧道為空間斜交狀態，這些都決定了必須用更為復雜的處理方法進行研究，方能得到可信度高的分析結果［8－9］。結合ANSYS軟件的“生死單元”技術及網格自適應功能可有效、準確計算具有復雜幾何邊界及多種介質條件下的巖土、結構等二維、三維力學問題，對非均質地層的復雜三維應力場、位移場進行計算是可靠的。本次分析采用ANSYS軟件中提供的“生死單元”技術及網格自適應功能來進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格“殺死”，然后施加相應邊界條件，進行原狀計算;再將開挖的單元殺死，進行開挖計算;最后把填筑單元“激活”，進行填方計算。通過不斷運用網格自適應功能使系統作出調整，即根據施工步局部調整單元網格的“生死”，相應修正邊界條件后重新計算，直到滿足計算精度要求。本研究采用了參數化設計分析手段進行處理，將變化的參量定義成參數，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”技術的基本對象是單元，為求得足夠光滑的應力等值線，采用ANSYS的網格自適應功能在挖、填交界附近以及地層變化較大區域進行局部網格加密以適應精度要求。計算模擬施工步驟如圖3所示。明確原狀情況下隧道狀態是進一步評估施工影響和進行判斷的基礎，施加重力進行計算，得到隧道受力情況，同時也得到初始位移，在后續施工步中刨除已經圖3主要施工步完成的這部分位移;而內力結果則在模型中與附加作用進行疊加，分析隧道的綜合受力狀態。工況1計算結果，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、內力圖等，取典型位置提取結果如(1)從有限元的計算結果來看，公路修筑至隧頂附近時，隧道拱頂與原狀態相比，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，隧道的最大附加應力為1810kN•m/m，小于強度控制標準。(2)填筑其他段路基后，拱頂又產生新的下沉，且不對稱，這是因為單側填土的加載作用。正上方公路施工對隧道的影響要大于較遠處的其他段的影響。公路的橫向影響區域主要在以隧道正上方位置點為中心的40m范圍內，靠山體較高一側隧道的變形最大。(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，可能超過了邊坡穩定要求，對鐵路隧道洞口有潛在影響，涉及的邊坡穩定問題需進行專項分析。(4)公路施工對隧道產生的附加應力是有限的，且在極限強度允許值范圍內。但是仍需注意加強臨近隧道部分地基的監測，尤其是洞口邊坡的監測;隧道內部有條件時應布設應力計和收斂觀測儀。

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，筆者認為，施工對隧道影響總體上不大，在做好有效施工組織和監控量測的前提下，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。同時建議施工中應盡量分段、分區、分層、對稱地進行路塹開挖，減小一次性大面積卸載引起的既有隧道結構的上抬，同時根據監測數據進行施工步的適當調整，以進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，又能檢驗設計的方案，應加強對隧道的監測，及時反饋結果。

本文作者：姚捷工作單位：中鐵第四勘察設計院集團有限公司