電力隧道近距離底穿輸水方涵應(yīng)力變形分析

劉光華 魏紅

摘 要：目前關(guān)于穿越大型具有防滲要求的輸水結(jié)構(gòu)的分析研究相對(duì)較少。采用三維數(shù)值模擬仿真技術(shù)，對(duì)穿越南水北調(diào)中線北京段盧溝橋輸水暗涵（方涵）電力隧道豎井、掘進(jìn)施工過程及其引發(fā)輸水方涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、變形響應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。通過應(yīng)力應(yīng)變分析及關(guān)鍵點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)追蹤得出，該電力隧道施工造成在輸水方涵頂部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力，約為0.36 MPa，引發(fā)輸水方涵最大沉降達(dá)到2.86 mm，發(fā)生在方涵靠近豎井側(cè)，接近于輸水方涵極限沉降值3.0 mm，臨近輸水方涵的豎井開挖使輸水方涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不均勻沉降值達(dá)到了1.3 mm，會(huì)對(duì)輸水方涵的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。隧道穿越地層為卵石松散層，掘進(jìn)開挖步距不宜大于0.5 m，對(duì)電力隧道周圍土體需進(jìn)行注漿加固處理，施工應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、勤量測(cè)、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的原則。

關(guān)鍵詞：隧洞;輸水方涵;數(shù)值模擬;應(yīng)力變形;防滲;南水北調(diào)工程

中圖分類號(hào)：TV68 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.022

Abstract： There are many analysis and researches on the crossing engineering of urban engineering construction and relatively few water conveyance structures with impervious requirements for crossing large-scale projects. In this paper， three-dimensional numerical simulation technology was used to dynamically simulate the construction process of electric tunnel shaft and tunneling， and its response to stress， strain and deformation of culvert structure. Through stress-strain analysis and settlement monitoring tracking of key points， the tensile stress of the top structure of the culvert is about 0.36 MPa， but the maximum settlement of the culvert is 2.86 mm， which occurs near the shaft side of the culvert， approaching the limit settlement of the culvert 3.0 mm and near the shaft of the culvert. The excavation has a great influence to the uneven settlement of the culvert itself. The uneven settlement value of the culvert structure reaches 1.3 mm， which will have a negative impact on the structure of the culvert. It is proposed that the tunnel passes through the stratum with pebble loose layer， and the excavation distance should not exceed 0.5 m. Soil around the power tunnel should be reinforced by grouting. Pipe advance， strict grouting， frequent measurement， short excavation， strong support and quick closure should be adopted in construction.

Key words： power tunnel; water conveyance culvert; numerical analysis; stress deformation; anti-seepage; South-to-North Water Diversion Project

目前在建的穿越工程較多，分析研究穿越施工影響并進(jìn)行監(jiān)測(cè)可為工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。穿越工程施工過程相互影響的分析研究主要采用數(shù)值模擬技術(shù)，目前研究成果較多，但對(duì)于穿越大型具有防滲防漏要求的輸水結(jié)構(gòu)工程的相關(guān)研究較少，對(duì)穿越大流量輸水結(jié)構(gòu)的影響分析也相對(duì)較少。吳新霞等[1]分析研究了西氣東輸對(duì)南水北調(diào)穿黃隧洞的影響。楊喜等[2]利用Midas/GTS有限元軟件對(duì)鄭州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿南水北調(diào)干渠未通水及通水兩種工況進(jìn)行模擬，分析了盾構(gòu)施工對(duì)南水北調(diào)干渠可能產(chǎn)生的影響。劉拓[3]分析了爆破對(duì)鄰近引水隧洞的振動(dòng)響應(yīng)并進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，主要針對(duì)爆破對(duì)與公路隧道并行的輸水隧洞的影響進(jìn)行了分析研究。鑒于南水北調(diào)盧溝橋輸水方涵為首都城市大型輸水干線工程之一，防止其結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏為工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)變形及不均勻沉降要求較高、較嚴(yán)格，一旦其應(yīng)力、應(yīng)變及變形超過設(shè)計(jì)極限，將出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致滲漏，發(fā)生不可估量的破壞，危及北京城市供水安全。

筆者采用三維數(shù)值有限差分技術(shù)，動(dòng)態(tài)仿真模擬電力隧道土體超前加固、開挖、襯砌支護(hù)循環(huán)施工步驟，分析輸水方涵的應(yīng)力變形特征，對(duì)電力隧洞穿越輸水方涵工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)，并為電力隧道工程設(shè)計(jì)、施工提供控制依據(jù)及建議，確保電力隧道工程施工期間及后期運(yùn)行對(duì)輸水方涵安全供水不造成影響，保障首都的供水安全。

1 工程概況及地質(zhì)概況

工程場(chǎng)地位于北京市豐臺(tái)區(qū)西南四環(huán)外，青塔西路與京石高速交叉路口處沿青塔西路西紅線以東5 m。擬建電力隧道為北京豐臺(tái)區(qū)重要的輸變電地下線路，其穿越南水北調(diào)中線北京段盧溝橋輸水暗涵（方涵）底部，需新建截面為2.6 m×2.9 m的電力隧道，長度約180 m，電力隧道軸線與輸水方涵斜交，夾角為73°，最小凈距僅為3.0 m。電力隧道施工采用暗挖噴射混凝土的方法，隧道覆土厚度為11～14 m。經(jīng)原設(shè)計(jì)部門計(jì)算分析，綜合確定輸水方涵允許裂縫寬度為0.2 mm，相應(yīng)輸水方涵豎直方向的最大變形為3 mm（輸水方涵整體結(jié)構(gòu)的極限沉降變形值）[4]。

工程場(chǎng)區(qū)地貌單元屬永定河沖、洪積扇中上部，地形較為平坦，除表層為填土及薄層粉土外，主要為第四系永定河河流沖洪積形成的卵石層，地下水埋藏類型為孔隙潛水，埋深大，不影響工程建設(shè)，場(chǎng)地工程地質(zhì)條件較好[5]。但對(duì)于該穿越工程，電力隧道圍巖為第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石，圍巖類別為Ⅴ類，卵石層顆粒間結(jié)構(gòu)性較弱，無黏聚性，圍巖自穩(wěn)能力較差，開挖后易掉塊、坍塌失穩(wěn)。電力隧道掘進(jìn)施工應(yīng)根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、埋深、地面環(huán)境、開挖面穩(wěn)定性等控制要求及地層結(jié)構(gòu)，采用科學(xué)、合理、安全的掘進(jìn)施工方案，做好隧洞圍巖支護(hù)和加固保護(hù)工作，滿足施工安全、地面沉降控制要求。

2.1 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算分析范圍沿電力隧道軸線選取160 m，注漿加固起點(diǎn)距隧道設(shè)計(jì)起始點(diǎn)10.0 m，注漿加固段總長度32.0 m，模型寬度82.6 m，即沿電力隧道軸線上下各截取41.3 m，模型深度120.0 m，建立三維模型。電力隧道軸線與南水北調(diào)管線斜交，施工豎井與輸水方涵水平距離為10.0 m。下穿隧道、方涵和施工豎井的空間位置關(guān)系如圖1所示，計(jì)算模型的三維網(wǎng)格如圖2所示，共劃分四面體單元396 947個(gè)、節(jié)點(diǎn)68 156個(gè)。

2.2 本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)

巖土工程界數(shù)值模擬計(jì)算采用的基本本構(gòu)模型主要包括理想彈性體模型和彈塑性體模型等，常見的彈塑性模型有Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prage模型等，Mohr-Coulomb模型廣泛應(yīng)用于巖土工程數(shù)值模擬分析研究中。綜合考慮該工程項(xiàng)目的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用Mohr-Coulomb模型本構(gòu)關(guān)系，其數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)見表1。

2.3 邊界條件及初始條件

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)及特征，研究模型底面邊界條件為約束豎直Z方向的自由度，側(cè)向邊界條件為約束水平X、Y方向的自由度，地表為自由面邊界。模型結(jié)構(gòu)所受荷載主要為恒荷載（土體和結(jié)構(gòu)自重）。

2.4 仿真模擬計(jì)算步驟

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，模擬施工過程中的土體超前注漿加固，開挖斷面結(jié)構(gòu)見圖3。

動(dòng)態(tài)模擬施工步驟如下：①隧道豎井施工，超前注漿，全斷面加固;②開挖電力隧道截面上層土體0～0.5 m，上部襯砌支護(hù)0～0.5 m;③開挖施工上層土體0.5～1.0 m，上部襯砌支護(hù)0.5～1.0 m，同步開挖下層土體0～0.5 m，下部襯砌支護(hù)0～0.5 m;④開挖上層土體1.0～1.5 m，上部襯砌支護(hù)1.0～1.5 m，同步開挖下層土體0.5～1.0 m，下部襯砌支護(hù)0.5～1.0 m。

2.5 沉降監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置

在電力隧道開挖過程中，地表、電力隧道洞頂和輸水方涵底板都隨著施工開挖的進(jìn)行而不斷發(fā)生沉降。為分析數(shù)值模擬施工過程中不同部位的沉降變形特征，設(shè)置了3個(gè)沉降變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)（A、B、C），A點(diǎn)為輸水方涵與電力隧道相交處的方涵底板中點(diǎn)，B點(diǎn)為輸水方涵與電力隧道相交處隧道襯砌的上頂點(diǎn)，C點(diǎn)為輸水方涵與電力隧道相交處地表的控制點(diǎn)。

3 輸水方涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析研究

采用三維數(shù)值有限差分法模擬分析電力隧道超前注漿、開挖、支護(hù)襯砌循環(huán)掘進(jìn)施工情況下輸水方涵的應(yīng)力變化特征，主要討論施工對(duì)輸水方涵產(chǎn)生的最大主拉應(yīng)力和最小主壓應(yīng)力兩個(gè)參數(shù)的影響，研究電力隧道施工對(duì)輸水方涵結(jié)構(gòu)安全性的影響。

數(shù)值仿真動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算得到的電力隧道施工時(shí)輸水方涵產(chǎn)生的最大、最小主應(yīng)力云圖見圖4和圖5。

電力隧道暗挖法施工時(shí)輸水方涵最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）出現(xiàn)在輸水方涵的中間混凝土隔板及拐角處，數(shù)值約為1.93 MPa;下方電力隧道施工時(shí)輸水方涵頂部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）約為0.36 MPa，方涵結(jié)構(gòu)受電力隧道工程施工影響產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度（0.65 MPa），施工對(duì)輸水方涵結(jié)構(gòu)影響不大。另外，可以看出，豎井開挖及輸水方涵與電力隧道斜交所引起的拉應(yīng)力并不是嚴(yán)格沿著輸水方涵中隔墻呈現(xiàn)對(duì)稱分布。

4 沉降變形分析研究

4.1 沉降變形特征

數(shù)值仿真模擬計(jì)算得到的輸水方涵沉降云圖及電力隧洞軸線沉降云圖見圖6、圖7。

電力隧道施工引發(fā)輸水方涵響應(yīng)產(chǎn)生的最大沉降達(dá)2.86 mm，發(fā)生在輸水方涵靠近豎井側(cè)（東側(cè)）;豎井開挖及隧洞施工引發(fā)輸水方涵的不均勻沉降達(dá)1.30 mm;地表回填土層的最大沉降為2.1 mm。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形特征

根據(jù)數(shù)值仿真模擬施工過程計(jì)算分析，繪制出關(guān)鍵點(diǎn)A、B、C的沉降曲線，如圖8～圖10所示。A、B、C點(diǎn)最大沉降分別為2.86、2.30、2.10 mm，輸水方涵不均勻沉降為1.30 mm。

4.3 沉降分析

根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果不難看出：

（1）電力隧道豎井的開挖施工對(duì)豎井底板下層土層將產(chǎn)生卸載效應(yīng)，底板土體回彈現(xiàn)象明顯，不對(duì)稱卸載對(duì)輸水方涵影響較大，施工中應(yīng)對(duì)底板進(jìn)行加固處理，防止底板變形過大，影響電力隧道圍巖的穩(wěn)定性。

（2）臨近輸水方涵的豎井開挖對(duì)于方涵本身的不均勻沉降影響較大，使輸水方涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不均勻沉降達(dá)到了1.3 mm，會(huì)對(duì)輸水方涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

（3）電力隧道及豎井開挖對(duì)輸水方涵的影響最大，沉降達(dá)到了2.86 mm，接近于輸水方涵極限沉降值3.0 mm，施工中應(yīng)密切關(guān)注隧道圍巖的加固范圍和加固效果。

5 結(jié) 語

通過模擬施工步驟，分析掘進(jìn)施工底部穿越的輸水方涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形特征，得到如下結(jié)論：

（1）輸水方涵允許裂縫寬度為0.2 mm，豎直方向的最大變形值為3 mm，對(duì)電力隧道施工要求嚴(yán)格。電力隧道下穿重要的輸水方涵，施工方法采用暗挖法，掌子面開挖施工造成方涵底部土體應(yīng)力釋放，使輸水方涵出現(xiàn)安全隱患，必須足夠重視豎井開挖的及時(shí)支護(hù)問題，盡量減小方涵的不均勻沉降。

（2）電力隧道暗挖法施工時(shí)輸水方涵頂部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力約為0.36 MPa，方涵壓應(yīng)力發(fā)生在中間混凝土隔板及拐角處，其數(shù)值約為1.93 MPa;方涵結(jié)構(gòu)受電力隧道工程施工影響產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度（0.65 MPa），施工對(duì)輸水方涵結(jié)構(gòu)影響不大。豎井開挖及輸水方涵與電力隧道斜交所引起的應(yīng)力明顯呈現(xiàn)不對(duì)稱分布特點(diǎn)。

（3）輸水方涵的最大沉降達(dá)到2.86 mm，發(fā)生在方涵靠近豎井側(cè)（東側(cè)），接近于輸水方涵極限沉降（3.0 mm），臨近輸水方涵的豎井開挖造成輸水方涵的不均勻沉降達(dá)到了1.3 mm。隧道掘進(jìn)施工中應(yīng)密切關(guān)注加固范圍和加固效果。

（4）電力隧道穿越地層為卵石松散層，開挖步距不宜大于0.5 m。對(duì)電力隧道周圍土體應(yīng)進(jìn)行注漿加固處理，加固范圍必須保證在拱頂以上不小于2.0 m、邊墻以外不小于1.5 m、底板以下不小于1.0 m。電力隧道掘進(jìn)施工應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、勤量測(cè)、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”的原則。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳新霞，趙根，錢勝國.西氣東輸工程對(duì)南水北調(diào)穿黃隧洞影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].爆破，2004（4）：79-82.

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[4] 北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程（北京段）盧溝橋暗涵初步設(shè)計(jì)階段報(bào)告[R].北京：北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2004：5-90.

[5] 北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程盧溝橋暗涵初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告（修訂本）[R].北京：北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2004：5-20.

【責(zé)任編輯 張華巖】