暗挖電力隧道下穿既有地道對(duì)地道和土層變形影響的數(shù)值模擬分析

姬永紅 ，康金龍 ，袁 偉

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092；2.成都城建投資管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 200063）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程，電力電纜地下化成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)，在城市中建設(shè)電力隧道，通常會(huì)面臨穿越既有管線、構(gòu)筑物的情況。進(jìn)行電力隧道施工時(shí)，必然會(huì)引起土層的水平位移和豎向位移，而不均勻的土層位移會(huì)對(duì)地下管線和構(gòu)筑物的安全產(chǎn)生影響。因此，本文針對(duì)一工程案例，研究隧道施工對(duì)豎向鄰近構(gòu)筑物的影響情況，為設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)支撐。

蜀都大道下穿電力隧道位于成都市蜀都大道東段，起點(diǎn)接一環(huán)路已建電力隧道，東至雙橋子立交以東，全長(zhǎng)約2.19 km。在暗挖段土體范圍內(nèi)存在著地下車(chē)道，雨水管和污水管等地下建筑物，開(kāi)挖段環(huán)境復(fù)雜。尤其在下穿一環(huán)路車(chē)行地道處，與車(chē)行地道凈距最小處僅為1.34 m，且此處下方遠(yuǎn)期規(guī)劃地鐵6號(hào)線。在開(kāi)挖隧道前先在地下車(chē)道兩側(cè)4 m×4 m×10 m的土體用水泥和水玻璃雙液型混合液壓密注漿，采用超前小導(dǎo)管及22 m管棚注漿。對(duì)該工程采用數(shù)值模擬的方法,利用ABAQUS有限元軟件[2],通過(guò)合理的簡(jiǎn)化和假設(shè),建立“車(chē)行地道-土-電力隧道”的相互作用模型,研究電力隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近車(chē)行地道及土體變形的影響，繼而提出合理的施工建議。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 模型簡(jiǎn)化假設(shè)條件

根據(jù)實(shí)際工程及地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，模型簡(jiǎn)化假設(shè)條件如下：

（1）當(dāng)模型橫向及縱向長(zhǎng)度大于隧道直徑與隧道埋深兩倍之和時(shí)，邊界效應(yīng)已基本消除[3]。因此，為減少邊界效應(yīng)對(duì)模型的影響，模型取為一個(gè)80 m（長(zhǎng)）×50 m（寬）×22.5 m（高）的長(zhǎng)方體。

（2）邊界條件：模型底部約束住豎向及水平兩個(gè)方向的位移，4個(gè)側(cè)面約束住水平兩個(gè)方向的位移。

（3）根據(jù)面積等效原則，將開(kāi)挖的隧道取為一直徑為4 m的圓形斷面，隧道縱向水平，其上表面位于地表以下10.5 m處。已開(kāi)挖且有一期支護(hù)的管道采用實(shí)心單元且用C30混凝土進(jìn)行模擬。

（4）土層參數(shù)根據(jù)勘測(cè)報(bào)告，如表1所列。

表1 土層技術(shù)參數(shù)一覽表

（5）初始地下水位位于地表下5 m處，井點(diǎn)降水后水位位于地表下15 m處?？v向（沿電力隧道方向）不考慮降水漏斗的影響，橫向（沿車(chē)行地道方向）考慮降水漏斗的影響[4]。降水后的水力坡度為1/10～1/15，按對(duì)沉降最不利的情況，取為1/10。

（6）注漿體參數(shù)如表2所列。

表2 注漿體技術(shù)參數(shù)一覽表

模型及其網(wǎng)格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 計(jì)算模型

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

兩個(gè)注漿體在模型中的位置如圖3所示。

圖3 注漿體位置示意圖

1.2 施工步驟模擬

電力隧道的施工流程為：降水、開(kāi)挖、超前支護(hù)以及初襯和內(nèi)襯[5]。為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)已開(kāi)挖電力隧道處于完工狀態(tài)，分降水和開(kāi)挖兩個(gè)步驟進(jìn)行數(shù)值模擬。

（1）施工前原狀土體已固結(jié)完畢，因此在分析兩個(gè)施工步驟之前，需平衡初始的應(yīng)力，即讓土體的初始位移為零，而保留土體的應(yīng)力狀況。

（2）降水。降水后的地下水位位于電力隧道底部以下0.5 m處。

（3）開(kāi)挖隧道。考慮最不利情況，開(kāi)挖位置到了地下車(chē)道的其中一個(gè)車(chē)道正下方，未支護(hù)開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)為1.0 m。其相互關(guān)系如圖4所示。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 土層的沉降分析

降水所引起的土層豎向位移云圖如圖5所示。

圖4 第三工況模型中部截面示意圖

圖5 降水所引起的土層豎向位移云圖

開(kāi)挖引起的土體的豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 開(kāi)挖所引起的土體豎向位移云圖

將兩個(gè)施工步驟進(jìn)行結(jié)合，可得到整個(gè)施工過(guò)程會(huì)引起總的豎向位移云圖，如圖7所示。

圖7 土體豎向總位移云圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

各施工步驟電力隧道中心線縱向，車(chē)行地道頂板頂高度處土體和車(chē)道的沉降如圖8所示。

由圖8計(jì)算結(jié)果可知：

（1）降水引起的地面沉降值達(dá)21 mm，開(kāi)挖引起的地面沉降值不到1 mm，降水引起的地面沉降是其總沉降值的95.5%。

（2）降水引起的車(chē)行地道頂板處沉降值達(dá)11 mm，開(kāi)挖引起的車(chē)行地道頂板處沉降值為1 mm，降水引起的車(chē)行地道頂板處沉降是其總沉降值的91.7%。

圖8 行車(chē)地道頂板處沉降沿縱向距離變化曲線圖

（3）電力隧道開(kāi)挖面前方5倍開(kāi)挖直徑范圍內(nèi)的土體，由于開(kāi)挖的擾動(dòng)，會(huì)引起該土體的沉降，而在此范圍外的土體則幾乎不受影響。

（4）車(chē)行地道的最大沉降約為土體最大沉降的一半，這是由于地道空腔取代了一部分土體，降低地下水位時(shí)所引起的附加應(yīng)力較小，從而沉降較小。

各施工步驟橫向跨中，行車(chē)地道頂板處沉降如圖9所示。

圖9 車(chē)行地道頂板處沉降沿其縱向變化曲線圖

根據(jù)降水漏斗的影響，車(chē)行地道縱向變形會(huì)引起不均勻沉降，從而對(duì)地道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力。從圖9計(jì)算結(jié)果可知，車(chē)行地道縱向影響范圍為40 m，最大沉降值為12.0 mm，不均勻變形為0.3‰。

3 結(jié)論及建議

本文主要對(duì)蜀都大道下穿電力隧道工程進(jìn)行了數(shù)值模擬，從降低地下水位和隧道開(kāi)挖2個(gè)施工步驟進(jìn)行了分析，得到了地面及車(chē)行地道的沉降變化情況。主要結(jié)論及建議有：

（1）地面沉降和車(chē)行地道頂板處沉降主要由于降水引起，電力隧道開(kāi)挖的影響較小，降水引起的地面沉降占了地面總沉降的95.5%；降水引起的車(chē)行地道頂板處沉降是其總沉降值的91.7%。

（2）車(chē)行地道頂板處沉降約為地面沉降的一半，車(chē)行地道的空腔可減小沉降發(fā)生。

（3）電力隧道開(kāi)挖施工沿縱向的擾動(dòng)范圍為開(kāi)挖面前方約20 m，有效地支撐了采用22 m超前管棚的設(shè)計(jì)方案。

（4）建議在降水過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)變形的監(jiān)控，更要減少抽水的含沙量，保證地下車(chē)道在下沉過(guò)程中沒(méi)有裂縫產(chǎn)生。

（5）在開(kāi)挖施工前，應(yīng)確保超前導(dǎo)管和注漿體達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以確保電力隧道開(kāi)挖對(duì)車(chē)道影響較小，保證車(chē)行地道車(chē)道運(yùn)營(yíng)安全。

[1]仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2003.

[2]費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[3]Lee K M, Rowe R K. Finite element modeling of the three-dimensional grounded formations due to tunneling in soft cohesive soils. Part-Method of analysis[J]. Computers and Geotechnics, 1990, 10: 87-109.

[4]JGJT111-98,建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5]JTJ042-94，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].