拱涵接长段施工边坡稳定性分析研究

拱涵接长段施工边坡稳定性分析研究

杨巍

重庆交通大学土木工程学院重庆400074

摘要：地下洞室与地表构筑物的关系错综复杂，FLAC3D作为土木工程一种通用三维数值分析软件系统，可快速、准确地分析与评价背景工程施工中的安全性。本文结合现场实际情况，运用FLAC3D模拟计算某停车场拱涵段施工对既有道路影响，评估施工过程中道路的安全性，判定现有工程设计参数的合理性，为实际施工过程提供理论指导。

关键词：地下洞室；FLAC3D；数值模拟；安全性分析

前言

地下洞室与地表构筑物的关系错综复杂，为快速、准确地分析与评价背景工程施工中的安全性，应用数值模拟的方法分析洞室地基以及地基开洞的稳定安全性问题是非常有效的手段[1]。FLAC3D是面向土木工程、交通、水利、石油及采矿工程、环境工程的一种通用三维数值分析软件系统，在国际土木工程（尤其是岩土工程）学术界和工业界享有盛誉。FLAC3D可实现对岩石、土和支护结构等建立高级三维模型，进行复杂的岩土工程数值分析与设计等。

本文结合现场实际情况，运用FLAC3D模拟计算某停车场拱涵段施工对沿线道路的影响。通过提取施工过程中沿线道路、道路结构物的变形、变位情况、结构、围岩及岩土边坡的应力、变形情况，评估施工过程中沿线道路的安全性，判定在现有工程设计参数下施工是否满足地面道路的安全运营要求。

1工程概况

某拟建停车场东侧紧靠内高速公路，西南侧紧邻立交。场地呈不规则狭长形展布，原始地貌为构造剥蚀浅丘沟谷。在停车场工程施工中，需新建一个涵洞。在新建拱涵与原有内环高速公路拱涵接头施工部位，原拱涵近乎垂直穿越高速公路路基，施工采用明挖接长方式，待平场边坡锚索抗滑桩施工后进行拱涵基坑开挖，然后施作拱涵回填至平场标高，拱涵断面如图1所示。

图1拱涵断面横断面图

拱涵接头施工部位岩体为砂质泥岩，属IV类边坡[2]。按设计高程回填后，将形成岩土混合边坡，由于边坡较厚的人工填土层，桩基施工及基坑开挖施工时容易导致内环高速公路变形过大，造成公路的破坏。因此，必须通过有效的计算分析，进行拱涵施工对地面道路的安全性评估。

2数值模型

对地层和结构作相应的计算处理：地层材料、路面结构层采用摩尔－库仑模型材料进行模拟；二次衬砌结构采用弹性材料进行模拟；路面荷载通过计算以均布力的形式作用于路面顶层；钢筋混凝土桥墩采用pile单元模拟，桥墩采用弹性材料模拟，因为要模拟桩的开挖施工，所以人工挖孔桩采用实体单元模型，弹性材料[3]。

2.1主要结构设计参数

涵洞结构所在地层主要为砂质泥岩；涵洞长39m，宽4.0m，高6.2m，墙身为60cm厚钢筋混凝土，设计涵洞底高程263m。拟采用明挖法施工。平场边坡采用抗滑桩支护，桩身尺寸2m×3m，间距4m，钢筋混凝土结构，拱涵桩身净距为7.8m，拱涵上方桩间加3根腰梁，每根腰梁上加设2根锚索；抗滑桩距公路边缘最近距离为30m。

2.2主要物理力学参数选择

依据场地岩土工程勘察报告中的岩石、土体材料力学参数，并结合地铁、公路相关设计规范，选取的围岩物理、力学参数和支护结构物理、力学参数。

2.3拱涵计算几何模型建立及边界条件

根据已有的设计图纸，运用FLAC3D建立数值分析几何模型（图3），模型原点取拱涵底部中心点，涵洞掘进方向为Y正向，高程方向为Z向，向上为正；水平向为X轴向，向右为正。模型底取值Z＝－15m，模型顶取实际的工程地面，左侧取X＝-11.4m，右侧取X＝11.4m，隧道前进方向Y向值取Y＝96.2m，模型左、右侧边界约束水平位移，下边界约束竖向位移。公路顶部右侧为内环高速公路，道路路面施加应力边界载取路面均布荷载，取值10.5KN/m2，在路面顶全局施加，方向向下[4]。

图5全域地层屈服状态图

3.2拱涵接长断面施工位移分析

3.2.1拱涵接长断面全域位移分析

施工完成后全域竖向、水平位移特性，如图6～7。从整体位移来看，最大的竖向沉降位移值为-6.4mm，位于拱涵回填部分土层中，具体位置在拱涵拱腰部位处，呈薄层（50cm）状态；在开挖基坑底部出现了约5mm在回弹变形（向上的竖向位移），与实际开挖情况符合，而在回填部分未出现此位移，是因为计算时考虑了开挖后的平衡，即是在开挖基坑平衡后再进行回填。在抗滑桩片，最大的下沉位移约4mm，在高速公路路面处，最大的下沉位移2mm。水平位移最大值16mm，位于桩顶部位，高速公路路面水平位移值最大为4mm，结构及路面变形处于安全范围。

图7全域水平向位移图

3.2.2拱涵接长断面施工抗滑桩变形分析

边坡施工后支挡结构的变形直接反映边坡的稳定性状态和支挡结构使用性能，故提取了施工完成后抗滑桩的变形（竖向位移、水平向位移）如图8~9，桩体变位如图10。从图中看出，竖向位移值最大值3.7mm在桩顶部位小块区域；水平位移最大值15mm位于桩顶部位，沿桩身向下，水平变位呈曲线分布，到桩底最小，约3mm。从量值来看，桩体产生的位移值未超过容许变形值，抗滑桩稳定。

图10抗滑桩水平位移变形示意图

3.2.3拱涵接长断面施工对上方路面位移影响分析

为得出拱涵接长断面整个施工过程对原高速公路路面的影响，对路面结构的变形、变位情况进行监测，图11、12为竖向位移、水平位移变化图。整个施工过程中导致路面水平、竖向位移突然增大的施工工序为桩前基坑开挖，与实际工程相适应；路面最大沉降值为2.5mm，最大水平位移为4.1mm，位于公路右线路面右侧边缘，路面最大沉降差为0.3mm（左侧路面），相对不均匀沉降比为0.005‰。

图1路面监测点水平位移值变化图

4结论

（1）围岩、拱涵结构及边坡：从竖向应力图来看，最大的正向竖直压应力为4.46MPa，出现在原箱涵结构顶部及拱腰部位；在回填平场区域开挖基坑底处出现少量的负向竖直应力区，表明此处在卸荷作用下出现了部分回弹应力，量值约为1Mpa，竖直、水平应力均不超过结构承载限值；从塑性区图来看，在桩与高速公路间的边坡上部、下部表面出现了部分曾经剪切破坏区域，但现状是未屈服状态；仅在桩底附近、平场顶处出现了极少的剪切破坏区，所以整个区域的岩土处于安全；内环快速路路面结构安全；

（2）整体位移来看，最大的竖向沉降位移值为-6.4mm，位于拱涵回填部分土层中；在高速公路路面处，最大的下沉位移为2mm，高速公路路面水平位移值最大为4mm，结构及路面变形处于安全范围内；

（3）路面位移与变形：路面最大沉降值2.5mm，最大水平位移4.1mm，相对不均匀沉降比0.005‰，路面安全。

综上，在拱涵接长断面的边坡抗滑桩施工、桩前土体及基坑开挖、拱涵接长、回填至平场标高施工中，由于桩距路面较远（30m），且桩前基坑开挖在桩施工完成后进行，所以施工对高速公路的影响很小，高速公路处于安全状态。

参考文献：

[1]陈育民，徐鼎平.FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.