隔離樁對(duì)軟弱地層地鐵暗挖隧道側(cè)穿電塔的影響分析

段軍朝 徐朝陽(yáng) 何凱罡

(1.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司,430064,武漢；2.中建三局集團(tuán)有限公司,430064,武漢∥第一作者，高級(jí)工程師)

隨著我國(guó)各城市地鐵線網(wǎng)的不斷發(fā)展，其建設(shè)過(guò)程中會(huì)不可避免地穿越地面既有建(構(gòu))筑物，如輸電鐵塔等[1-2]。隧道掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)會(huì)造成既有電塔結(jié)構(gòu)不均勻沉降與傾斜，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電塔結(jié)構(gòu)破壞、塔身大幅度傾斜甚至倒塌等情況[3]。為此，眾多學(xué)者對(duì)隧道穿越電塔的施工影響規(guī)律開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]采用 FLAC3D軟件研究隧道爆破開(kāi)挖對(duì)地面高壓鐵塔塔基的沉降及質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了重慶軌道交通4號(hào)線淺埋隧道開(kāi)挖對(duì)地面高壓線鐵塔穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)值方法模擬了盾構(gòu)隧道穿越高壓電塔的施工過(guò)程，分析了渣土改良、洞內(nèi)注漿和地面注漿加固措施對(duì)盾構(gòu)隧道穿越建筑物的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[7]以衢九鐵路某隧道工程為背景，通過(guò)二維彈塑性有限元模型分析了淺埋隧道CD(中隔壁)法施工對(duì)既有高壓鐵塔的影響，并對(duì)有無(wú)注漿加固兩種方案進(jìn)行了模擬分析。文獻(xiàn)[8]采用FLAC3D軟件模擬了某條鐵路李家沖隧道側(cè)穿高壓電線塔時(shí)，圍巖注漿前后隧道拱頂沉降和塔基沉降的變化規(guī)律，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了注漿加固方案的可行性。

已有研究大多針對(duì)大斷面礦山法隧道或盾構(gòu)隧道穿越電塔施工，對(duì)于中等斷面且上覆有較厚黏土地層的礦山法隧道穿越電塔的影響研究較少。鑒于此，本文以成都地鐵6號(hào)線三期工程某礦山法區(qū)間隧道側(cè)穿電塔為例，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)比分析隔離樁加固對(duì)隧道側(cè)穿電塔的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文研究可為類(lèi)似工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

成都地鐵6號(hào)線三期工程某隧道區(qū)間為雙洞單線形式，左線長(zhǎng)472.3 m，右線長(zhǎng)422.7 m，左線與右線隧道中軸線距離為15.2 m，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，上下兩臺(tái)階法開(kāi)挖。隧道斷面為馬蹄形，最大開(kāi)挖高度約為7.0 m，最大寬度為6.6 m，開(kāi)挖面積約為38.1 m2，為中等斷面隧道，隧道埋深為6.4～16.0 m。區(qū)間隧道左線側(cè)穿一座35 kV輸電線路電塔，電塔高21.6 m，根開(kāi)為4.3 m，基礎(chǔ)埋深為3.0 m，隧道左線外緣與基礎(chǔ)豎向凈距約為5.2 m，最小水平凈距約為3.1 m。側(cè)穿段隧道埋深約為8.2 m，區(qū)間隧道所處地層從上至下依次為雜填土、可塑黏土、軟塑黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖地層，其中可塑黏土與軟塑黏土厚度達(dá)到5.5 m，隧道圍巖綜合分級(jí)為V級(jí)。區(qū)間隧道與電塔的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與電塔的位置關(guān)系Fig.1 Relative location of interval tunnel and pylon

區(qū)間隧道在穿越35 kV輸電線路電塔前，沿隧道線路方向在電塔基礎(chǔ)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“塔基”)周邊施作單排鋼管隔離樁。隔離樁距塔基不小于2 m，采用長(zhǎng)為7 m的φ108 mm熱軋無(wú)縫鋼花管，管中心間距為0.8 m，打設(shè)長(zhǎng)度為10 m。鋼花管上鉆注漿孔，孔徑為10～16 mm，孔間距為113 mm，注漿孔呈梅花形布置。

2 數(shù)值計(jì)算模型及計(jì)算工況

2.1 基本假定

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分軟件，巖土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，隧道初期支護(hù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“初支”)、電塔結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)采用彈性模型。建模時(shí)，隧道初支、巖土體及塔基均采用實(shí)體單元模擬，電塔采用梁結(jié)構(gòu)單元模擬。根據(jù)剛度等效原則，隧道初支采用統(tǒng)一的計(jì)算參數(shù)。電塔模型忽略風(fēng)荷載作用，但考慮到電線的牽引力，通過(guò)在電塔特定節(jié)點(diǎn)處施加集中力的方式進(jìn)行模擬。計(jì)算過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化鋼管隔離樁注漿加固過(guò)程，不考慮漿液的凝固過(guò)程。

2.2 三維數(shù)值計(jì)算模型

選取沿隧道掘進(jìn)方向66 m，自隧道左、右線邊緣向兩側(cè)及下部各延伸20 m范圍內(nèi)的巖土體建立三維數(shù)值計(jì)算模型(滿足至少3倍洞徑要求)，模型總體邊界尺寸為60.7 m(橫向)×66.0 m(縱向)×35.3 m(豎向)。模型上表面為自由面，底面施加豎向約束，前后和左右邊界各施加與之垂直的水平約束。區(qū)間隧道電塔三維數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。地層及建構(gòu)筑物的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 區(qū)間隧道電塔三維數(shù)值計(jì)算模型

表1 地層及建(構(gòu))筑物主要物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工過(guò)程模擬及計(jì)算工況

在隧道開(kāi)挖前，首先考慮自重進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，然后將位移清零作為分析的初始狀態(tài)。該區(qū)間隧道采用上下臺(tái)階法施工，上臺(tái)階開(kāi)挖步長(zhǎng)為1 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m；下臺(tái)階左右交替開(kāi)挖，一次開(kāi)挖步長(zhǎng)為2 m，且左右兩側(cè)錯(cuò)開(kāi)4 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，在上下臺(tái)階貫通后進(jìn)行仰拱開(kāi)挖。通過(guò)FISH語(yǔ)言編寫(xiě)循環(huán)結(jié)構(gòu)模擬礦山法開(kāi)挖過(guò)程。開(kāi)挖循環(huán)內(nèi)容主要包括：① 開(kāi)挖上臺(tái)階土體，施作上臺(tái)階初支；② 開(kāi)挖左側(cè)(或右側(cè))下臺(tái)階土體，施作左側(cè)(或右側(cè))下臺(tái)階初支；③ 隧道上下臺(tái)階貫通后，逐步開(kāi)挖仰拱土體，并逐步施作仰拱初支。

本次數(shù)值計(jì)算模擬采用右線在前、左線在后，兩條隧道平行開(kāi)挖的方式，左、右線開(kāi)挖面前后錯(cuò)開(kāi)6 m。本文共計(jì)算了兩種工況：未采取加固措施；采取鋼管隔離樁注漿加固措施。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地面位移分析

左、右線隧道開(kāi)挖完成時(shí)，兩種工況下電塔中心斷面處(T1與T3連線中點(diǎn)位置)地面位移變化曲線如圖3所示。由圖3可知，未采取加固措施時(shí)，雙線隧道貫通時(shí)地面沉降槽呈W形分布，地面位移峰值出現(xiàn)在左、右線隧道拱頂位置處，分別為13.30 mm與13.20 mm，均在監(jiān)測(cè)預(yù)警值范圍內(nèi)。采取加固措施后的地面沉降槽與未加固時(shí)類(lèi)似，差異主要出現(xiàn)在加固處兩側(cè)約6.00 m范圍內(nèi)，隔離樁加固使地面沉降明顯減小，且減小量的最大值出現(xiàn)在隔離樁位置，為4.57 mm，相比于未加固時(shí)的9.75 mm，降低了約46.9%。

圖3 雙線隧道貫通后地面位移變化曲線

3.2 塔基豎向位移與傾斜分析

選取電塔4個(gè)腳點(diǎn)(其具體位置見(jiàn)圖1 a))，分析礦山法隧道掘進(jìn)時(shí)的電塔位移變化規(guī)律。兩種工況下， T1—T4腳點(diǎn)隨隧道開(kāi)挖的塔基豎向位移變化曲線如圖4所示。

圖4 兩種工況下的塔基豎向位移變化曲線

由圖4可知，隨著隧道不斷掘進(jìn)，塔基豎向位移變化大致分為3個(gè)階段：① 基本保持不變，后出現(xiàn)略微隆起；② 出現(xiàn)明顯沉降，其變化速率表現(xiàn)出先快再穩(wěn)定最后變慢的特點(diǎn)；③ 塔基沉降變化趨于穩(wěn)定，數(shù)值變化較小。通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，第1階段與第2階段的分界點(diǎn)出現(xiàn)在右線隧道距離電塔8 m左右的位置，第2階段與第3階段的分界點(diǎn)大致出現(xiàn)在左線掌子面通過(guò)電塔處。由此可以說(shuō)明，在礦山法隧道側(cè)穿電塔時(shí)，當(dāng)隧道掌子面進(jìn)入電塔一側(cè)8 m范圍后，塔基開(kāi)始出現(xiàn)明顯沉降，直至隧道掌子面穿越電塔后開(kāi)始趨于穩(wěn)定。當(dāng)隧道掌子面距離電塔超過(guò)8 m時(shí)，隧道掘進(jìn)對(duì)塔基豎向位移的影響較小，可以忽略不計(jì)。

兩種工況下的塔基最終豎向位移如圖5所示。由圖5可知，塔基沉降大小關(guān)系表現(xiàn)為T(mén)1沉降量>T4沉降量>T2沉降量>T3沉降量，與T1—T4腳點(diǎn)距左線隧道距離遠(yuǎn)近關(guān)系一致，即距離隧道越近，塔基沉降越大，但兩者之間并非呈線性關(guān)系。此外，從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，采取鋼管隔離樁加固對(duì)于塔基的沉降變化具有明顯的影響。兩種工況下，塔基的沉降變化規(guī)律基本一致，但加固后距離隧道較近一側(cè)塔基的最終沉降明顯降低，而較遠(yuǎn)一側(cè)的塔基最終沉降略微變大。例如，采取加固措施后，相比于未加固時(shí)T1處的最終豎向位移(6.50 mm)，加固后T1處的最終豎向位移為4.82 mm，降低了1.68 mm；相比于未加固時(shí)T3處的最終豎向位移(0.55 mm)，加固后T3處的最終豎向位移為0.99 mm，僅增加了0.44 mm。

圖5 兩種工況下的塔基最終豎向位移

除電塔每個(gè)腳點(diǎn)處的基礎(chǔ)沉降變化規(guī)律外，塔基的不均勻沉降也是結(jié)構(gòu)安全性分析的重要指標(biāo)之一。根據(jù)圖4中各腳點(diǎn)處基礎(chǔ)沉降的變化規(guī)律可以看出，T1與T2腳點(diǎn)處的不均勻沉降差異較大，故選取這兩個(gè)腳點(diǎn)處的基礎(chǔ)沉降數(shù)據(jù)，繪制出兩種工況下的塔基豎向位移差變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著隧道掘進(jìn)的變化，塔基豎向位移差也大致分為3個(gè)階段：① 基本保持不變；② 豎向位移差明顯變大，其變化速率表現(xiàn)出先加快然后穩(wěn)定最后變慢的特點(diǎn)；③ 豎向位移差變化趨于穩(wěn)定。采取鋼管隔離樁加固對(duì)于塔基的豎向位移差影響顯著，相比于未加固時(shí)的5.63 mm，加固后的塔基最終豎向位移差為3.62 mm，減少了約35.7%。

圖6 兩種工況下的塔基豎向位移差變化曲線

由于塔基的不均勻沉降，電塔發(fā)生了傾斜。 DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中5.3.1條規(guī)定，塔基的最大傾斜率d應(yīng)滿足地基變形允許值的要求，如表2所示。電塔傾斜率是指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值。本工程中，T1與T2腳點(diǎn)處的不均勻沉降差異最大，兩者之間的距離為4.3 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算可獲得電塔的傾斜率變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，采取鋼管隔離樁加固對(duì)于電塔傾斜率的影響顯著，相比于未加固時(shí)的0.001 31，加固后的電塔最終傾斜率為0.000 84，減少了約35.8%，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表2 地基變形允許值Tab.2 Allowable deformation value of foundation

圖7 兩種工況下的電塔傾斜率變化曲線

3.3 電塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

3.3.1 電塔應(yīng)力分布特點(diǎn)

為進(jìn)一步研究礦山法隧道側(cè)穿施工對(duì)電塔結(jié)構(gòu)受力的影響，對(duì)隧道施工前和隧道貫通后兩個(gè)時(shí)刻下的電塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析。兩種工況下，隧道開(kāi)挖前與貫通后的電塔結(jié)構(gòu)軸應(yīng)力云圖如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，兩種工況下，隧道開(kāi)挖前與貫通后電塔主材均為受壓狀態(tài)，自上而下所受的軸應(yīng)力越來(lái)越大，且左側(cè)主材的壓應(yīng)力小于右側(cè)主材的壓應(yīng)力。而斜材、隔材和輔材有的受拉，有的受壓。電塔的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在塔腿主材處，而最大拉應(yīng)力則出現(xiàn)在塔腿附近的斜材或輔材處。

圖8 未加固時(shí)的電塔結(jié)構(gòu)軸應(yīng)力云圖截圖Fig.8 Screenshot of pylon structure axial stress nephogram without reinforcement

圖9 加固后的電塔結(jié)構(gòu)軸應(yīng)力云圖截圖

隧道貫通后，兩種工況下的電塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力均有所增大。同一工況下，最大拉應(yīng)力的增幅明顯大于最大壓應(yīng)力。例如未加固時(shí)，兩者的增幅分別為332.0%和94.8%。加固后，在隧道開(kāi)挖前，電塔結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別增長(zhǎng)了35.1%和14.0%；在隧道貫通后，電塔結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力顯著降低，幅度分別為15.3%和47.7%。

3.3.2 塔腿應(yīng)力分析

經(jīng)上述分析可知，電塔的塔頭、塔身和塔腿三部分中以塔腿的應(yīng)力最大，其中又以塔腿的主材和斜材受力最大，故單獨(dú)分析塔腿主材與斜材的受力情況。每個(gè)腳點(diǎn)處共有1個(gè)主材和2個(gè)斜材，將兩種工況及隧道開(kāi)挖前與貫通后塔腿主材、斜材的軸應(yīng)力及其變化量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3和表4所示。

表3 塔腿主材的軸應(yīng)力及其增變化量

由表3可知，所有情況下，塔腿主材均為受壓狀態(tài)。未采取加固措施時(shí)，塔腿主材在隧道開(kāi)挖前后均是靠近左線隧道一側(cè)的壓應(yīng)力較大，且同一側(cè)的主材所受的壓應(yīng)力相差較小。采取加固措施后，在隧道開(kāi)挖前，塔腿主材遠(yuǎn)離隧道一側(cè)受力較大；在隧道貫通后，塔腿主材靠近隧道一側(cè)受力較大。未采取加固措施時(shí)，每個(gè)塔腿主材的應(yīng)力變化量相差不大，其數(shù)值基本為8.0～9.5 MPa；而采取加固措施后，靠近隧道一側(cè)的塔腿主材應(yīng)力變化量變化較大，為8.6～9.4 MPa，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的塔腿主材應(yīng)力變化量較小，在1.0 MPa以內(nèi)。由此說(shuō)明，采取加固措施對(duì)于遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的塔腿應(yīng)力變化有顯著影響，而對(duì)靠近隧道一側(cè)的塔腿應(yīng)力影響較小。

表4 塔腿斜材的軸應(yīng)力及其變化量

由表4可知：在隧道開(kāi)挖前，無(wú)論是否采取加固措施，塔腿斜材均為受壓狀態(tài)；在隧道貫通后，塔腿斜材部分為受壓狀態(tài)，部分為受拉狀態(tài)?？傮w而言，同一工況下，相比于隧道開(kāi)挖前，隧道貫通后不同位置處的塔腿斜材軸應(yīng)力變化差異較大，其變化幅值為0.37～9.00 MPa。采取加固措施后，每個(gè)塔腿斜材的軸應(yīng)力變化量均有所下降，且降幅大小不一，最大降幅能達(dá)到91.4%，而最小降幅僅有10.5%。

綜上所述，采取加固措施對(duì)于遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的塔腿主材軸應(yīng)力變化影響顯著，也能有效降低塔腿斜材的軸應(yīng)力變化幅值，最大降幅達(dá)到91.4%。可見(jiàn)隔離樁加固對(duì)于電塔結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化影響顯著。

4 加固實(shí)施效果評(píng)價(jià)

經(jīng)上述模擬分析，現(xiàn)場(chǎng)決定采用鋼管隔離柱加固方案，嚴(yán)格控制現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程，最終順利完成暗挖隧道側(cè)穿電塔施工。施工中對(duì)地面位移、塔基豎向位移、洞內(nèi)拱頂沉降和水平收斂等進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均在可控范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，繪制地面累計(jì)位移曲線，地面豎向位移計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖10所示。電塔塔基累計(jì)沉降計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如表5所示。

圖10 地面豎向位移計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

表5 電塔塔基累計(jì)沉降計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

由圖10及表5可以看出，監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值相差較小，考慮到計(jì)算誤差等因素，可以認(rèn)為兩者基本吻合，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算模擬的可靠性。同時(shí)，上述分析也表明了，采用鋼管隔離柱對(duì)軟弱地層進(jìn)行加固可以保障暗挖隧道側(cè)穿電塔的施工安全，獲得較好的加固效果。

5 結(jié)論

1) 隧道穿越完成后，地面沉降槽呈W型分布，采取鋼管隔離樁加固后，加固區(qū)左右兩側(cè)6.00 m范圍內(nèi)的地面沉降顯著降低，其他區(qū)域地表位移變化較小。

2) 隧道穿越完成后，靠近隧道一側(cè)的塔基沉降較大，遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的塔基沉降較小，由此會(huì)造成塔基的不均勻沉降與傾斜。采取鋼管隔離樁加固能夠顯著降低電塔傾斜及靠近隧道一側(cè)的塔基豎向位移，而遠(yuǎn)離隧道一側(cè)的塔基豎向位移略微增大。

3) 隧道穿越過(guò)程中，電塔塔腿附近受力較大，其中塔腿主材受到的壓應(yīng)力最大，塔腿附近斜材或輔材受到的拉應(yīng)力最大。整體而言，鋼管隔離樁加固后，電塔結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化顯著降低，且隧道貫通后電塔塔腿處的內(nèi)力明顯下降，對(duì)保障電塔結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性起到了積極作用。