暗挖電纜隧道四通豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

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(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

暗挖電纜隧道四通豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

謝陽1，趙玉成1，武淑敏2，李占嶺2，郝斌1

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

研究暗挖過程中豎井的穩(wěn)定性，以四通豎井工程為背景，采用midas GTS NX有限元軟件對(duì)真實(shí)施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)超前小導(dǎo)管注漿措施進(jìn)行論證，對(duì)比分析了土體變形規(guī)律、噴射混凝土應(yīng)力變化，并得出了注漿加固措施的影響效果，認(rèn)為超前注漿加固是必需的施工步驟。將實(shí)際施工過程的模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。結(jié)果表明：注漿與否對(duì)豎井的地表沉降范圍影響不大，但對(duì)沉降值影響較大；注漿與否對(duì)坑底隆起值影響甚微，空間效應(yīng)明顯；水平位移的最大值出現(xiàn)在豎井底部，注漿與否對(duì)水平位移有明顯影響；馬頭門附近的噴射混凝土應(yīng)力變化顯著，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)措施，為類似工程提供借鑒。

地下工程；四通豎井；穩(wěn)定性；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高，城市電網(wǎng)的建設(shè)面臨著兩個(gè)主要問題：電力負(fù)荷高速增長(zhǎng)和電力通道資源相對(duì)稀缺的矛盾；滿足城市綠色環(huán)保生存空間與高標(biāo)準(zhǔn)景觀的需求[1]。在如今電力負(fù)荷的影響下，充分利用城市地表5 m以下的資源，電力電纜隧道呈現(xiàn)隧道斷面越來越大，埋置深度越來越深的態(tài)勢(shì)。在電纜隧道的建設(shè)過程中，圓形豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力合理，空間效應(yīng)十分明顯，從受力特點(diǎn)上可以看作是閉合拱圈結(jié)構(gòu)，其拱效應(yīng)使部分坑外土壓力轉(zhuǎn)化為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的軸向壓力，它可以將側(cè)向位移控制在很小的范圍內(nèi)，顯著提高了結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性[2-7]。運(yùn)用地層結(jié)構(gòu)法，采用國(guó)際通用的有限元分析軟件midas GTS NX建立三維計(jì)算模型，對(duì)比分析豎井的穩(wěn)定性及注漿措施的影響效果，重現(xiàn)施工過程中的真實(shí)受力狀態(tài)，以此對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 工程應(yīng)用

許常Ⅱ線π入留村、韓通變220 kV線路工程位于石家莊市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，線路平均埋深30 m。擬建隧道段地層自上而下主要由黃土類土、粉土、砂土等組成；沿線地下水位埋深大于55.00 m，可不考慮地下水對(duì)本工程的影響。該線路中的F7暗挖四通結(jié)構(gòu)為本文研究對(duì)象，豎井內(nèi)徑10 m，深度32 m，在豎井底端開4個(gè)馬頭門，兩兩相對(duì)分布且相鄰?qiáng)A角為90°，4條隧道與豎井軸線垂直。其中最大斷面馬頭門的凈寬為6.1 m，最大凈高為5.1 m，初噴混凝土厚度為350 mm。

2 有限元模型建立

2.1 模型參數(shù)及網(wǎng)格劃分

根據(jù)地勘報(bào)告所提供的巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值，將覆土簡(jiǎn)化為4層，厚度分別為2.5 m，4.5 m，31 m和7 m，土層計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)表

土層采用Modified Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，該模型是對(duì)Mohr-Coulomb的改進(jìn)，由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，適用于淤泥或砂土行為特性，能夠很好地解決基坑類工程中開挖卸荷土體回彈等問題，使模擬值更趨于真實(shí)。

豎井采用復(fù)合式襯砌支護(hù)體系，初次支護(hù)采用格柵鋼架+噴射混凝土+注漿錨桿。該豎井作為整個(gè)施工工程中的重要通道，在整個(gè)隧道主體完成后才施作豎井的二次襯砌，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備，故不考慮模擬，因此在設(shè)計(jì)中加大了初期支護(hù)參數(shù)，具體有限元模型如圖1、圖2所示。

根據(jù)以往的有限元計(jì)算結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖影響寬度為開挖深度的3～4倍，影響深度為開挖深度的2～4倍[8]，在半無限體假設(shè)下，模型分析土域?yàn)殚L(zhǎng)×寬×高=250 m×250 m×130 m。模型的邊界條件如下：整個(gè)位移邊界作用于土體邊界上，在X方向上約束X位移；在Y方向上約束Y位移；模型底部約束Z方向位移。

由于豎井底部的4條隧道斷面形式不一樣，在進(jìn)行施工模擬時(shí)無法取1/2或1/4計(jì)算域進(jìn)行局部分析，為提高模型的計(jì)算速度，且不失計(jì)算結(jié)果的精確度，在劃分網(wǎng)格前，對(duì)幾何體的線段進(jìn)行“尺寸控制”的操作，按照豎井及隧道需開挖及附近的土體網(wǎng)格密集，向外逐漸稀疏的原則來合理劃分模型網(wǎng)格。

圖1 土體有限元模型

圖2 四通豎井模型

2.2 數(shù)值模擬中支護(hù)結(jié)構(gòu)的處理

采用C25等級(jí)噴射混凝土，用板單元模擬，考慮混凝土開裂工作狀態(tài)，彈性模量取標(biāo)準(zhǔn)模量值的0.8倍，即E=1.84×104MPa，泊松比μ=0.2，將格柵鋼筋與鋼筋網(wǎng)的重度折算到噴射混凝土中，取γ=24 kN/m3。

在數(shù)值模擬中，一般采用改變注漿范圍的力學(xué)參數(shù)來獲得加固效果，使彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力提高，泊松比減小，與圍巖一起承載，使圍巖塑性區(qū)出現(xiàn)的范圍減小，出現(xiàn)的時(shí)間得以延緩[9]。采用實(shí)體模擬，在豎井外圍及隧道拱頂及直墻形成厚度為0.8 m的加固圈，彈性模量E=60 MPa，泊松比μ=0.3，黏聚力c=60 kPa，內(nèi)摩擦角φ=35°，容重γ=21.5 kN/m3。

2.3 實(shí)際施工過程

本工程采用倒掛井壁法施工，施工開挖步取為0.5 m?；静襟E是每進(jìn)行一個(gè)開挖步后，在下一個(gè)施工步驟時(shí)施作該開挖步的噴混支護(hù)，當(dāng)開挖到地下7 m后，會(huì)遇到砂層，需提前一個(gè)開挖步進(jìn)行超前注漿加固，每次注漿加固距離為3個(gè)開挖步，當(dāng)開挖2個(gè)開挖步后，需繼續(xù)進(jìn)行超前加固，在開挖土體時(shí)，保證至少有一個(gè)開挖步的土體進(jìn)行了加固處理。

后來我給劉建打個(gè)電話，感謝他，并約好見個(gè)面，給他提成。后來又有十來個(gè)熟手來了景花廠，都是劉建鼓動(dòng)來的。

具體施工模擬過程如下：①地應(yīng)力平衡。即“激活”所有土體單元、模型邊界條件，施加重力及超載，并勾選“位移清零”，模擬土體在自重作用下的初始地應(yīng)力場(chǎng)；②進(jìn)行第1步開挖，即“鈍化”第一部分要開挖的土體；③進(jìn)行第1步的噴混施作，施作鎖口圈梁并第2步開挖，即“激活”第一部分的噴射混凝土及鎖口圈梁，“鈍化”第二部分要開挖的土體；④進(jìn)行第2步的噴混施作，第3步開挖；按照上述方法循環(huán)開挖支護(hù)至豎井底部，并保證超前注漿加固效果，封底后進(jìn)行馬頭門及隧道開挖，其原理與豎井開挖相同。

為論證豎井的超前小導(dǎo)管注漿加固的影響效果，建立了參數(shù)相同的數(shù)值模型，與實(shí)際施工過程的唯一區(qū)別在于豎井階段沒有考慮注漿加固措施。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 地表沉降分析

其沉降趨勢(shì)與地下連續(xù)墻等剛性支護(hù)不同，地下連續(xù)墻的沉降曲線類似于勺形，歸結(jié)于其采用了“先支后挖”的支護(hù)理念，而復(fù)合式襯砌屬于柔性支護(hù)，在噴射混凝土硬化過程中，依舊存在應(yīng)力釋放，采用的是“邊抗邊讓”的支護(hù)理念。倒掛井壁法的傳力機(jī)制是下部的初期支護(hù)依靠縱向連接筋與上部支護(hù)相互連接，最終傳遞至鎖口圈梁；受重力的影響，整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，與排樁、地下連續(xù)墻等支護(hù)方式區(qū)別明顯。

由圖3可分析：隨著開挖深度加深，地表沉降值為增大趨勢(shì)，且影響范圍不斷擴(kuò)大；隨著距豎井距離的增加，沉降值逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在豎井開挖深度小于20 m時(shí)，在距離豎井約30 m時(shí)已穩(wěn)定，當(dāng)開挖至32 m時(shí)，影響范圍擴(kuò)大至60 m。是否考慮豎井超前小導(dǎo)管注漿加固措施，對(duì)地表沉降范圍的影響不大，均在60 m左右，但沉降值相差較大，在豎井井壁邊達(dá)到最大值，且兩者相差接近78%，未進(jìn)行注漿加固時(shí)，井口沉降值已超過30 mm，威脅施工安全，僅從位移變化的角度來說，豎井注漿加固可以很好地抑制地表沉降。

圖3 開挖過程中地表沉降值曲線

3.2 豎井底部變形分析

通過圖4表明，豎井開挖導(dǎo)致底部土體卸荷回彈隆起，隆起值隨著開挖深度的增大而增大，呈對(duì)稱趨勢(shì)。開挖到底后，兩者的最大隆起值相差不大，約為20 mm，整個(gè)坑底的隆起趨勢(shì)并沒有出現(xiàn)類似于大型深基坑中的“M”形，可見整個(gè)豎井的空間效應(yīng)明顯；而四通隧道開挖之前，會(huì)對(duì)豎井底部進(jìn)行封底加固，在數(shù)值模擬中，其隆起值表現(xiàn)為0。在井壁附近，土體呈沉降趨勢(shì)，認(rèn)為是倒掛井壁的受力機(jī)制引起的，支護(hù)結(jié)構(gòu)受重力下沉所造成的應(yīng)力擾動(dòng)，采用混凝土封底后，井壁土體的沉降現(xiàn)象消失，可見及時(shí)對(duì)井底進(jìn)行封底加固非常必要。因此，需待封底混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后，再開挖馬頭門。

圖4 坑底隆起圖

3.3 豎井水平位移

由圖5中曲線可以看出，豎井發(fā)生朝向臨空面的位移，位移值隨豎井開挖過程不斷加大，整體趨勢(shì)呈現(xiàn)“弓”形，最大位移均在開挖面附近。兩者的位移趨勢(shì)保持一致，但數(shù)值明顯不同，當(dāng)豎井下挖至32 m時(shí)，有最大位移值，兩者相差高達(dá)100%。

3.4 噴射混凝土應(yīng)力狀態(tài)

由圖6可知，考慮豎井注漿加固措施時(shí)，噴射混凝土的最大應(yīng)力為1.57 MPa，均分布在噴混的接茬處；不考慮豎井注漿加固時(shí)，最大應(yīng)力為1.94 MPa，分布在噴混的中下部位置，在分析豎井類空間效應(yīng)明顯的結(jié)構(gòu)時(shí)，理應(yīng)建立三維模型。兩者的最大應(yīng)力相差23.5%，且考慮注漿加固措施的應(yīng)力分布范圍遠(yuǎn)小于不考慮注漿加固措施的應(yīng)力。

圖6 噴射混凝土最大主應(yīng)力圖

圖7 隧道開挖后噴射混凝土最大主應(yīng)力圖

由圖7可知，在豎井底部開挖馬頭門后進(jìn)行隧道開挖，豎井噴射混凝土的應(yīng)力發(fā)生了很大變化，在隧道斷面的拱肩、仰拱拱腳、直墻邊上都有不同程度的變化，最大應(yīng)力值為16.36 MPa，遠(yuǎn)超過了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，在實(shí)際施工時(shí)，破除馬頭門之前，必須做好充分的補(bǔ)強(qiáng)措施。由云圖可見，豎井底部開口處的最大拉應(yīng)力發(fā)生在仰拱拱腳，說明了在實(shí)際施工中，仰拱拱腳處需要補(bǔ)強(qiáng)以預(yù)防隆起失穩(wěn)，危及施工安全。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本工程對(duì)地表沉降與水平收斂進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。在豎井周圍布設(shè)一定數(shù)量的沉降觀測(cè)點(diǎn)，利用DSZ2精密水準(zhǔn)儀配合銦鋼尺進(jìn)行觀測(cè)，量測(cè)頻率為1次/3 d；在豎井相對(duì)方向布設(shè)兩條收斂線進(jìn)行水平收斂觀測(cè)，豎向間距為3 m，采用YD-SL-1鋼尺收斂?jī)x進(jìn)行觀測(cè)，量測(cè)頻率為1次/2 d。將收集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，列出了一些具有代表性的施工階段的曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 地表沉降監(jiān)測(cè)與計(jì)算值對(duì)比曲線

圖9 水平位移監(jiān)測(cè)與計(jì)算值對(duì)比曲線

由于實(shí)際工程中豎井地表受人為、施工機(jī)械、開挖支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)等非可控因素的影響，且計(jì)算結(jié)果無法考慮這些因素，噴錨支護(hù)法的開挖、支護(hù)時(shí)間較難以保證，存在不同程度的圍巖應(yīng)力釋放，使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果有一定偏差，但兩者在數(shù)值的變化趨勢(shì)上保持基本一致，驗(yàn)證了模型建立、參數(shù)選取及計(jì)算方法的正確性，計(jì)算結(jié)果能夠明確地體現(xiàn)基坑變形的一般規(guī)律，說明有限元模型計(jì)算的可行性。

5 結(jié)論

(1)豎井注漿與否對(duì)豎井的地表沉降范圍影響不大，水平距離大于60 m時(shí)，地表沉降基本沒有影響，但對(duì)沉降值影響較大，兩者相差接近78%。

(2)土體卸荷造成豎井底部土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，向上隆起，且隆起值隨著開挖深度的增大而增大，曲線形狀為非“M”形，證明了空間效應(yīng)明顯，土體加固與否，對(duì)隆起值幾乎沒有影響。豎井開挖到底后及時(shí)進(jìn)行封底措施，有利于保證開挖馬頭門的穩(wěn)定性。

(3)豎井發(fā)生朝向臨空面的位移，最大位移值發(fā)生在豎井底部，注漿加固具有明顯抑制土體水平變位的效果，注漿與否的水平位移相差接近250%。

(4)噴射混凝土層的應(yīng)力處于強(qiáng)度范圍內(nèi)，注漿與否的最大應(yīng)力相差23.5%，注漿加固有利于減小最大應(yīng)力分布范圍及數(shù)值。施作馬頭門時(shí)，應(yīng)力急劇變化，造成高應(yīng)力聚集區(qū)，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)采用補(bǔ)強(qiáng)措施，施工時(shí)注意拱腳失穩(wěn)。

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StudyonStructuralStabilityofFour-wayBranchVerticalShaftinMiningCableTunnel

XieYang1，ZhaoYucheng1，WuShumin2，LiZhanling2，HaoBin1

(1.School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043， China;2.Hebei Province Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031， China)

In order to study the stability of vertical shaft structure in the process of mining, based on the four-way branch vertical shaft construction, the real construction process is simulated in three dimensional numerical simulation by means of midas GTS NX finite software, and the advanced small pipe grouting measure is demonstrated, the soil deformation law and the stress of shotcrete of vertical shaft are compared, obtaining the effect of the grouting reinforcement measures, considering that the advance grouting reinforcement is necessary. The feasibility of numerical simulation is verified by comparing FEM results and in-situ monitoring. The results show that: 1. Grouting or not grouting has little influence on the ground settlement scope of the shaft, but it has a great effect on the sedimentation value; 2. Grouting or not has little influence on the uplift value of the pit bottom, which means its space effect is obvious; 3. The maximum value of horizontal displacement appears at the bottom of the shaft, and grouting or not has huge influence on it; 4. The stress of shotcrete near the ingate changes significantly, and requires reinforcing measures. The research result may serve as a reference for similar engineering.

underground；four-way branch vertical shaft；stability；numerical simulation

TU433

A

2095-0373(2017)04-0026-06

2016-08-23責(zé)任編輯車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.05

2016年研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(yc2016017)

謝陽(1991-)，男，碩士研究生，主要從事城市地下空間與環(huán)境控制方面研究。E-mail:366697393@qq.com

謝陽，趙玉成，武淑敏，等.暗挖電纜隧道四通豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(4):26-30.