排水隧洞盾構(gòu)施工對高壓鐵塔影響的數(shù)值模擬分析

周 竝 汪貴平 李 昀

(1.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063； 3.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心,上海 200063)

0 引言

近年來我國城鎮(zhèn)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，對能源的需求進(jìn)一步提升，隨著火電、核電機(jī)組的新建，盾構(gòu)法成為電廠取、排水隧洞的常用施工手段。由于電廠取排水工藝復(fù)雜，取、排水隧洞不可避免地從其他建、構(gòu)筑物下方或者側(cè)邊穿過，盾構(gòu)法施工會(huì)引起不同程度的地面沉降和地層移動(dòng)，引起地上或地下建筑物的開裂、變形甚至破壞等問題。對于淺基礎(chǔ)建筑物的主要影響為地表垂直和水平變形對建筑物的影響，對于深基礎(chǔ)建筑物的影響主要為樁周土沉降引起的負(fù)摩阻力導(dǎo)致樁的附加沉降以及土體側(cè)向變形引起的樁的側(cè)向變形。

本文以某電廠排水隧洞盾構(gòu)施工為例，采用PLAXIS 3D軟件建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測盾構(gòu)隧洞施工引起鄰近高壓鐵塔基礎(chǔ)的變形值及其變形規(guī)律，為研究盾構(gòu)施工對相鄰深基礎(chǔ)的影響及變形提供的參考。

1 工程概況

某電廠5號(hào)排水隧洞長度為905 m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工，隧洞內(nèi)徑6 100 mm，盾構(gòu)管片厚度350 mm，自始發(fā)工作井(閘門井)的出洞中心標(biāo)高為-12.00 m，接收工作井(虹吸井)進(jìn)洞中心標(biāo)高為-7.20 m，向上設(shè)計(jì)縱坡0.53%，軸線平面轉(zhuǎn)彎半徑為517 m。

距離閘門井西側(cè)約20 m處為廠區(qū)500 kV電力出線高壓鐵塔，高壓線凈空高度約15 m，高壓鐵塔基礎(chǔ)為四樁基礎(chǔ)，樁基采用φ1 200灌注樁，樁長44.5 m，樁底進(jìn)入基巖層，樁間距為14.6 m，通過0.7 m×1.2 m基礎(chǔ)梁連接，5號(hào)排水隧洞外壁與高壓鐵塔樁基礎(chǔ)的最小距離僅為6.8 m，見圖1。

盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，洞口地基土預(yù)先采取地基加固，縱向加固長度12.0 m，加固范圍為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外輪廓線外各5.0 m。

根據(jù)《電力設(shè)施保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》中第十二條的條文規(guī)定：

任何單位或個(gè)人不得在距架空電力線路桿塔、拉線基礎(chǔ)外緣的下列范圍內(nèi)進(jìn)行取土、打樁、鉆探、開挖或傾倒酸、堿、鹽及其他有害化學(xué)物品的活動(dòng)：

1)35 kV及以下電力線路桿塔、拉線周圍5 m的區(qū)域；

2)66 kV及以上電力線路桿塔、拉線周圍10 m的區(qū)域。

在桿塔，拉線基礎(chǔ)的上述距離范圍外進(jìn)行取土、堆物、打樁、鉆探、開挖活動(dòng)時(shí)，必須遵守下列要求：

1)預(yù)留出通往桿塔、拉線基礎(chǔ)供巡視和檢修人員、車輛通行的道路；2)不得影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定，如可能引起基礎(chǔ)周圍土壤、砂石滑坡，進(jìn)行上述活動(dòng)的單位或個(gè)人應(yīng)當(dāng)負(fù)責(zé)修筑護(hù)坡加固；3)不得損壞電力設(shè)施接地裝置或改變其埋設(shè)深度。

2 巖土工程條件

擬建場地原始地貌為海灘，原始地面標(biāo)高為+3.0 m～-0.8 m，后經(jīng)廠區(qū)拋填成為人工地貌，地面標(biāo)高從+7.10 m～+4.70 m。

根據(jù)勘察資料，場地除上部厚層人工填土外，場地內(nèi)主要分布為第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)粘性土、砂性土，其成因?yàn)楹Ｏ喑练e層、沖積層、沖坡積層和海陸交互相沉積層，整體上來看淺部以淤泥質(zhì)土為主，下部以粉質(zhì)粘土、粘土為主，砂層以夾層和透鏡體狀分布，連續(xù)性較差。下伏基巖為中一上元古界海州群云臺(tái)組第三巖性段二長淺粒巖。土層主要物理學(xué)指標(biāo)詳見表1。

表1 土體物理學(xué)指標(biāo)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

三維模型尺寸為150 m×150 m×46 m，閘門井尺寸為60.2 m×17.8 m×45 m，排水隧洞內(nèi)徑6 100 mm，管片厚度350 mm，頂部埋深14.6 m，隧洞長度為75 m，見圖2。

為了提高軟件計(jì)算效率，對計(jì)算模型做如下簡化：

1)高壓鐵塔樁基進(jìn)入巖層，不考慮樁底變形，在樁底設(shè)置約束。

2)高壓鐵塔自重較小，模型中不考慮其自重荷載效應(yīng)。

3)盾構(gòu)施工引起的地層損失通過斷面收縮率c=0.5%進(jìn)行模擬。

3.2 土體本構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用Hardening-Soil模型，Hardening-Soil模型應(yīng)用于基坑開挖和隧道開挖等地下工程的分析時(shí)具有較好的精度和適用性。計(jì)算中各層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告選取，壓縮模量在勘察報(bào)告的基礎(chǔ)上根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定。

閘門井(兼始發(fā)井)及隧道管片采用板單元模擬，高壓鐵塔樁基采用嵌入式梁單元進(jìn)行模擬，基礎(chǔ)連梁采用梁單元進(jìn)行模擬，各構(gòu)件彈性模量及截面屬性按實(shí)際情況選取。

3.3 模擬工況

初始工況：地應(yīng)力平衡。

工況一：激活排水閘門井及出洞加固、已施工排水隧洞、高壓鐵塔及基礎(chǔ)。

工況二：5號(hào)機(jī)組排水隧洞施工。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，5號(hào)排水隧洞盾構(gòu)施工造成的地表最大沉降為12.2 mm，地表影響范圍約為盾構(gòu)隧道中心線兩側(cè)約20 m范圍，約為3倍盾構(gòu)直徑。

高壓鐵塔基礎(chǔ)位置由于采用了樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)連梁的最大沉降為1.35 mm，位置為距離盾構(gòu)隧洞最近點(diǎn)，基礎(chǔ)連梁的最小沉降為0.06 mm，位置為距離隧洞最遠(yuǎn)點(diǎn)。

高壓鐵塔基礎(chǔ)連梁垂直于隧洞走向(Y軸)的最大水平位移為3.37 mm，最小水平位移為2.93 mm，沿隧洞走向(X軸)的最大水平位移為0.8 mm,最小水平位移為0.4 mm，見圖3～圖7。

高壓鐵塔樁頂?shù)目偹轿灰浦底畲蠹s為3.4 mm，位于TT1,TT4位置，樁頂總水平位移最小值為3.0 mm，位于TT2,TT3位置(TT1,TT2,TT3,TT4位置詳見圖8)。

4 監(jiān)測點(diǎn)布置及監(jiān)測結(jié)果分析

盾構(gòu)施工過程中，在高壓鐵塔塔基位置處設(shè)置了位移觀測點(diǎn)(TT1,TT2,TT3,TT4)，盾構(gòu)隧道上方按每隔10 m設(shè)置一個(gè)地表沉降觀測點(diǎn)(W2,W3,W4,W5,W6)，具體布置見圖9。

根據(jù)實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)，盾構(gòu)從出洞到推進(jìn)至52環(huán)，這整個(gè)施工過程中的高壓鐵塔垂直位移在+0.4 mm～-0.6 mm的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)推進(jìn)至高壓鐵塔水平投影范圍內(nèi)(20環(huán)～31環(huán))，高壓鐵塔基礎(chǔ)呈現(xiàn)沉降趨勢?？傮w而言高壓鐵塔基礎(chǔ)的豎向位移值較小，見圖10。

高壓鐵塔基礎(chǔ)水平位移實(shí)測位移在X,Y方向變量均小于1 mm，總水平位移最大值為1.4 mm，變形值較小，見圖11。

根據(jù)實(shí)測的地表沉降數(shù)據(jù)，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前地表呈隆起狀態(tài)，在盾構(gòu)到達(dá)時(shí)開始沉降，在盾構(gòu)推進(jìn)至第52環(huán)時(shí)，地表測點(diǎn)的最大沉降約為6.7 mm，地表后期沉降值逐漸收斂，最大沉降約為8.2 mm，符合盾構(gòu)推進(jìn)對地表變形的一般規(guī)律，如圖12，圖13所示。

5 結(jié)語

1)通過PLAXIS 3D三維有限元數(shù)值模擬，高壓鐵塔基礎(chǔ)的水平位移、豎向沉降最大值分別為3.4 mm和1.25 mm，地表最大沉降為12.2 mm；高壓鐵塔基礎(chǔ)的實(shí)測水平位移為1.4 mm，最大沉降為0.6 mm，實(shí)測地表最大沉降為8.2 mm。實(shí)測數(shù)據(jù)略小于數(shù)值模擬的結(jié)果，其主要原因?yàn)閳龅乇韺訏佁顗K石，厚度4 m～5 m，在經(jīng)過多年的堆積后，其密實(shí)度提高，抵抗變形的能力有所增強(qiáng)；同時(shí)對于下層土體，在經(jīng)過了多年的堆載后，其超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力增加，土體強(qiáng)度、固結(jié)度及壓縮模量逐漸增加，因此實(shí)際變形較小。

2)盾構(gòu)隧道施工對于采用嵌巖樁的高壓鐵塔基礎(chǔ)影響較小，實(shí)際變形值為毫米級，在施工工藝正確的情況下完全能夠滿足高壓鐵塔的安全及正常使用要求。

3)通過斷面收縮率模擬盾構(gòu)施工引起的地層損失，對計(jì)算工況進(jìn)行簡化，其變形趨勢與變形量與實(shí)測結(jié)果較為吻合，能夠作為盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境影響的一種簡化分析手段。