地鐵隧道開挖對地表高壓鐵塔影響的數(shù)值分析

楊雄

(中鐵二十局集團第三工程有限公司,重慶 400065)

1 概述

隨著我國高速地鐵建設(shè)工程快速發(fā)展,隧道在開挖和施工下貫通既有的現(xiàn)象越來越多[1-6]。余德強等[7]認為通過對淺埋式隧道下部的穿越式壓力鐵塔在注漿后的加固效應(yīng)進行數(shù)值分析,認為這種措施在加固后的作用是能夠確保隧道和鋼筋鐵塔的安全；但是針對地鐵在地下隧道工程開挖時對地下隧道下穿高壓鐵塔結(jié)構(gòu)造物影響方面的問題研究相對較少,因此,此次進行隧道開挖對地表高壓鐵塔影響的數(shù)值模擬研究是十分有意義的。

本文主要結(jié)合了重慶軌道交通10 號線隧道下穿高壓鐵塔的設(shè)計與工程案例,研究了地鐵隧道在不同的位置下穿高壓鐵塔時高壓鐵塔的位移變化規(guī)律,保證了高壓鐵塔穩(wěn)定性具有重要的參考意義。

2 工程概況

重慶軌道交通十號線蘭花湖停車場的出入段線為區(qū)間大隧道,原區(qū)間長度約為1715. 09m,出入段線的起始里程部分上跨蘭花路站- 南湖站區(qū)間大里程段,蘭花路停車場的出入段線的起始里程部分均由蘭南區(qū)間建設(shè)；同時由于區(qū)間臨近終點的里程有一部分設(shè)置位于蘭花湖停車場,且該站的停車位部分已經(jīng)進行了明挖,故該區(qū)間的明挖路段由蘭花湖停車場代為共建,蘭花湖停車場進出口的區(qū)間線為暗挖地段的區(qū)間性隧道,起止里程為ZCK0+4002CK1+426.086、全長1026.086m。本區(qū)間隧道拱頂埋深5.7～19m,為單洞單線隧道。隧道正上方分布一座110kv 高壓鐵塔(金泥5),如圖2所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計,采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),鉆爆法施工區(qū)間位于城市和郊外的市政大街下方,隧道埋深約為21m。受運輸線路情況與地質(zhì)環(huán)境等因素影響,區(qū)間采用了暗挖法施工,暗挖結(jié)構(gòu)采用馬蹄形復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。沿線地質(zhì)主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖,局部分布有深回填土,填土最大厚度約為12m。本工程主要的難點為:由于回填土工程地質(zhì)條件較差,下穿深回填區(qū)對工程本身和周邊環(huán)境帶來的危害。其地質(zhì)刨面圖,如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

3 隧道開挖模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為了研究隧道開挖對地表高壓鐵塔影響,本文以重慶軌道交通十號線蘭花湖停車場出入段線區(qū)間隧道為背景,建立隧道模型,如圖1 所示。采用ABAQUS 軟件來完成計算,經(jīng)地質(zhì)勘察和超前探測,鐵塔樁底與隧道頂最小距離約為15m,隧道內(nèi)徑約為5m、高度約為8m,隧道中心埋深為27m,根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》可知,此隧道為深埋。選取有限元模型尺寸為50m×30m×30m,高壓鐵塔為自立式鋼塔,高度為15m,根開為3.5m,鐵塔基礎(chǔ)為方柱形,埋深4.0m。具體模型如圖2 所示。

圖2 隧道下穿高壓鐵塔模型示意圖

3.2 參數(shù)選擇

隧道和圍巖采用二維實體單元,將高壓鐵塔各桿件簡化為梁結(jié)構(gòu),采用梁單元,塔基采用樁單元,計算中采用了摩爾- 庫倫準(zhǔn)則[9]。結(jié)合實際的工程地質(zhì)背景,選擇Ⅳ級圍巖,其具體參數(shù)如表1 所示。

表1 計算模型參數(shù)

4 隧道開挖下穿通信鐵塔位移影響分析

4.1 模擬工況

為了更加真實有效的對地鐵隧道開挖下穿通信鐵塔位移進行影響分析,將對隧道不同位置處下穿通信鐵塔時對鐵塔的位移進行研究,因此將工況分為以下三種:(1)隧道處于高壓鐵塔正下方時,通信鐵塔的位移變化研究；(2)隧道與中軸線夾角為45°位置通信鐵塔的位移變化研究；(3)隧道與中軸線夾角60°位置通信鐵塔的位移變化研究,如圖3 所示。以鐵塔1、2、3、4 號頂點為監(jiān)測點,如圖4 所示。

圖3 隧道偏離鐵塔中軸線不同角度時的計算模型

圖4 鐵塔模型檢測點位置示意圖

4.2 隧道處于高壓鐵塔正下方的位移變化影響分析

通過分析高壓鐵塔的四個塔腳點的沉降位移,曲線結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 所示可知,隨著開挖的進行,高壓鐵塔的每個塔腳點沉降量都會不斷地增大,當(dāng)隧道開挖面通過塔腳點3、4 平面以后,各塔腳點沉降位移均達到最大,分別為11.88、11.98、11.56、11.55mm,沉降差較小。

圖5 鐵塔位移及傾斜率隨分析步的變化曲線

隨著隧道開挖的進行,鐵塔傾斜率隨隧道開挖逐漸增大,在開挖至鐵塔中心平面時達到最大值,表明此時鐵塔受隧道開挖影響最為顯著。受對稱性影響,當(dāng)隧道開挖面通過塔腳點3、4 平面以后,該位置處鐵塔傾斜率基本為零,表明此處受隧道開挖影響較小。

4.3 隧道與中軸線夾角為45°位置通信鐵塔的位移變化影響分析

為了分析隧道與中軸線夾角為45°位置通信鐵塔的位移變化,將對高壓鐵塔的四個塔腳點的沉降位移進行分析。曲線結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鐵塔位移隨及傾斜率隨分析步變化曲線

由圖6 所示可知, 當(dāng)隧道開挖地面通過塔腳點3、4 平面以后,1、3 塔腳點的沉降位移均可以達到最大,分別為8.65mm、8.75mm,沉降差較小。

4.4 隧道與中軸線夾角為60°位置通信鐵塔的位移變化影響分析

為了分析隧道與中軸線夾角為60°位置通信鐵塔的位移變化,將對高壓鐵塔的四個塔腳點的沉降位移進行分析。曲線結(jié)果如圖7 所示。

圖7 鐵塔位移隨及傾斜率隨分析步變化曲線

由圖7 可知,當(dāng)隧道開挖面通過塔腳點3、4 平面以后,1、3 塔腳點沉降位移均達到最大,分別為5.65mm、5.75mm,沉降差較小。

通過對比三組工況的沉降量及傾斜率,再根據(jù)通信鐵塔工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9],鐵塔傾斜率允許值0.00087。當(dāng)隧道開挖位于高壓鐵塔正下方時,傾斜率最大為0.0015,因此在本次地鐵隧道在該區(qū)域下穿鐵塔時,施工風(fēng)險較高,應(yīng)重點關(guān)注。

5 結(jié)論

本文以重慶軌道交通10 號線地鐵隧道開挖下穿通信鐵塔工程為依托,對隧道開挖施工過程進行數(shù)值模擬分析,主要得到以下結(jié)論:

5.1 當(dāng)隧道開挖位于高壓鐵塔正下方時,各塔腳點沉降位移均隨隧道開挖不斷增大,隧道開挖至鐵塔中心平面附近時,各塔基位移變化及鐵塔傾斜率變化均達到最大。

5.2 當(dāng)隧道開挖與高壓鐵塔中軸線夾角為45°與60°時,開挖過程中塔腳點1 首先開始下沉,隧道開挖至鐵塔中心平面附近時,塔腳點1 位移變化及鐵塔傾斜率變化均達到最大,塔腳點3 開始發(fā)生沉降。但距開挖面較遠的塔腳點2、4 變化并不明顯,說明鐵塔受影響程度與開挖面距塔腳點的距離成反比關(guān)系。

5.3 綜合考慮鐵塔沉降及傾斜率,當(dāng)隧道開挖位于高壓鐵塔正下方時,鐵塔受影響的程度最大,因此在本次地鐵隧道在該區(qū)域下穿鐵塔時,施工風(fēng)險較高,應(yīng)重點關(guān)注。