暗挖電力隧道下穿既有地道對地道和土層變形影響的數值模擬分析

姬永紅 ，康金龍 ，袁 偉

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092；2.成都城建投資管理集團有限責任公司，成都 200063）

0 引言

隨著城市化進程，電力電纜地下化成為城市發展的必然趨勢，在城市中建設電力隧道，通常會面臨穿越既有管線、構筑物的情況。進行電力隧道施工時，必然會引起土層的水平位移和豎向位移，而不均勻的土層位移會對地下管線和構筑物的安全產生影響。因此，本文針對一工程案例，研究隧道施工對豎向鄰近構筑物的影響情況，為設計和施工提供科學支撐。

蜀都大道下穿電力隧道位于成都市蜀都大道東段，起點接一環路已建電力隧道，東至雙橋子立交以東，全長約2.19 km。在暗挖段土體范圍內存在著地下車道，雨水管和污水管等地下建筑物，開挖段環境復雜。尤其在下穿一環路車行地道處，與車行地道凈距最小處僅為1.34 m，且此處下方遠期規劃地鐵6號線。在開挖隧道前先在地下車道兩側4 m×4 m×10 m的土體用水泥和水玻璃雙液型混合液壓密注漿，采用超前小導管及22 m管棚注漿。對該工程采用數值模擬的方法,利用ABAQUS有限元軟件[2],通過合理的簡化和假設,建立“車行地道-土-電力隧道”的相互作用模型,研究電力隧道開挖對鄰近車行地道及土體變形的影響，繼而提出合理的施工建議。

1 數值模擬模型

1.1 模型簡化假設條件

根據實際工程及地質勘測報告，模型簡化假設條件如下：

（1）當模型橫向及縱向長度大于隧道直徑與隧道埋深兩倍之和時，邊界效應已基本消除[3]。因此，為減少邊界效應對模型的影響，模型取為一個80 m（長）×50 m（寬）×22.5 m（高）的長方體。

（2）邊界條件：模型底部約束住豎向及水平兩個方向的位移，4個側面約束住水平兩個方向的位移。

（3）根據面積等效原則，將開挖的隧道取為一直徑為4 m的圓形斷面，隧道縱向水平，其上表面位于地表以下10.5 m處。已開挖且有一期支護的管道采用實心單元且用C30混凝土進行模擬。

（4）土層參數根據勘測報告，如表1所列。

表1 土層技術參數一覽表

（5）初始地下水位位于地表下5 m處，井點降水后水位位于地表下15 m處。縱向（沿電力隧道方向）不考慮降水漏斗的影響，橫向（沿車行地道方向）考慮降水漏斗的影響[4]。降水后的水力坡度為1/10～1/15，按對沉降最不利的情況，取為1/10。

（6）注漿體參數如表2所列。

表2 注漿體技術參數一覽表

模型及其網格劃分如圖1、圖2所示。

圖1 計算模型

圖2 網格劃分示意圖

兩個注漿體在模型中的位置如圖3所示。

圖3 注漿體位置示意圖

1.2 施工步驟模擬

電力隧道的施工流程為：降水、開挖、超前支護以及初襯和內襯[5]。為簡化分析，假設已開挖電力隧道處于完工狀態，分降水和開挖兩個步驟進行數值模擬。

（1）施工前原狀土體已固結完畢，因此在分析兩個施工步驟之前，需平衡初始的應力，即讓土體的初始位移為零，而保留土體的應力狀況。

（2）降水。降水后的地下水位位于電力隧道底部以下0.5 m處。

（3）開挖隧道。考慮最不利情況，開挖位置到了地下車道的其中一個車道正下方，未支護開挖進尺設為1.0 m。其相互關系如圖4所示。

2 計算結果及分析

2.1 土層的沉降分析

降水所引起的土層豎向位移云圖如圖5所示。

圖4 第三工況模型中部截面示意圖

圖5 降水所引起的土層豎向位移云圖

開挖引起的土體的豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 開挖所引起的土體豎向位移云圖

將兩個施工步驟進行結合，可得到整個施工過程會引起總的豎向位移云圖，如圖7所示。

圖7 土體豎向總位移云圖

2.2 計算結果

各施工步驟電力隧道中心線縱向，車行地道頂板頂高度處土體和車道的沉降如圖8所示。

由圖8計算結果可知：

（1）降水引起的地面沉降值達21 mm，開挖引起的地面沉降值不到1 mm，降水引起的地面沉降是其總沉降值的95.5%。

（2）降水引起的車行地道頂板處沉降值達11 mm，開挖引起的車行地道頂板處沉降值為1 mm，降水引起的車行地道頂板處沉降是其總沉降值的91.7%。

圖8 行車地道頂板處沉降沿縱向距離變化曲線圖

（3）電力隧道開挖面前方5倍開挖直徑范圍內的土體，由于開挖的擾動，會引起該土體的沉降，而在此范圍外的土體則幾乎不受影響。

（4）車行地道的最大沉降約為土體最大沉降的一半，這是由于地道空腔取代了一部分土體，降低地下水位時所引起的附加應力較小，從而沉降較小。

各施工步驟橫向跨中，行車地道頂板處沉降如圖9所示。

圖9 車行地道頂板處沉降沿其縱向變化曲線圖

根據降水漏斗的影響，車行地道縱向變形會引起不均勻沉降，從而對地道結構產生附加應力。從圖9計算結果可知，車行地道縱向影響范圍為40 m，最大沉降值為12.0 mm，不均勻變形為0.3‰。

3 結論及建議

本文主要對蜀都大道下穿電力隧道工程進行了數值模擬，從降低地下水位和隧道開挖2個施工步驟進行了分析，得到了地面及車行地道的沉降變化情況。主要結論及建議有：

（1）地面沉降和車行地道頂板處沉降主要由于降水引起，電力隧道開挖的影響較小，降水引起的地面沉降占了地面總沉降的95.5%；降水引起的車行地道頂板處沉降是其總沉降值的91.7%。

（2）車行地道頂板處沉降約為地面沉降的一半，車行地道的空腔可減小沉降發生。

（3）電力隧道開挖施工沿縱向的擾動范圍為開挖面前方約20 m，有效地支撐了采用22 m超前管棚的設計方案。

（4）建議在降水過程中應加強對變形的監控，更要減少抽水的含沙量，保證地下車道在下沉過程中沒有裂縫產生。

（5）在開挖施工前，應確保超前導管和注漿體達到設計要求，以確保電力隧道開挖對車道影響較小，保證車行地道車道運營安全。

[1]仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策的研究[D].成都:西南交通大學,2003.

[2]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[3]Lee K M, Rowe R K. Finite element modeling of the three-dimensional grounded formations due to tunneling in soft cohesive soils. Part-Method of analysis[J]. Computers and Geotechnics, 1990, 10: 87-109.

[4]JGJT111-98,建筑與市政降水工程技術規范[S].

[5]JTJ042-94，公路隧道施工技術規范[S].