基于midas-GTS的盾構隧道施工上部電塔穩定性研究

張 菊 李 松 蔡長發 李愛華 成華雄

(1.西南科技大學環境與資源學院 綿陽 621000； 2.建材廣州工程勘測院有限公司 廣州 510000)

道路建設會不可避免地造成周圍土體的擾動[1]，從而引起臨近輸電塔塔基及塔身產生變形、輸電線路應力發生變化。而高壓線電塔屬于高聳建筑，結構傾斜敏感度要求高，對地基不均勻沉降要求更嚴格。當地層變形較大時，甚至可能出現輸電線路斷線、電塔倒塌等危險情況，故需在施工過程中對電塔安全性進行研究。大量研究利用三維數值模擬軟件建立模型并與實際工況進行結合以分析臨近建筑物的穩定性[2]。謝緒焊[3]利用midas-GTS在對土質邊坡在支護前后的穩定性情況進行分析，將分析結果和理論結果進行比較，驗證了該方法的準確性；劉遠亮[4]利用midas-GTS分析基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，對地層自重固結、基坑開挖施工的整個過程進行模擬分析，并指出該方法對工程實踐有一定的指導意義。

本文將在已收集的地質等資料基礎上，根據已有的施工計劃，運用midas-GTS修正的劍橋模型和摩爾-庫侖模型，計算盾構隧道施工過程引起的地層應力變化、電塔塔基及塔身的變形特征，進而研究盾構隧道施工過程中電塔的傾覆穩定性。

1 研究區概況

1.1 項目概況

琶洲支線隧道位于廣州市海珠區琶洲街道。本次研究所涉及的隧道為雙洞單線盾構隧道，據相關要求，施工采用單層裝配式平板型混凝土管片，內徑8.3 m、外徑8.8 m、埋深16 m。研究區內電塔的基礎均為樁基礎，且每個樁基礎都是獨立存在，樁徑1 800 mm、樁長11 m，樁端位于中風化二長花崗巖。其中電塔的樁基礎與盾構隧道距離最近為5.50 m，其位置示意見圖1。

圖1 隧道與電塔位置關系圖(左圖中1，2，3，4為塔基的編號)

1.2 地層巖性

據地質踏勘和鉆孔揭露情況，隧道沿線巖土層可劃分為6個大層，自上而下分別為人工填土層(Q4ml)：該層位于地表，分布廣泛，平均厚度2.03 m，主要為雜填土和素填土，顏色較雜，大部分稍壓實～欠壓實，稍濕～濕。沖積～海陸交互相沉積砂土層(Q4m+al)：本層根據砂粒大小可分為3個亞層。沖積～海陸交互相沉積黏土層(Q4m+al):本層根據土的性質可分為5個亞層。殘坡積相黏土層(Q4el+dl)：褐黃色、淺灰色，硬塑，主要成份由黏粉粒組成，黏性一般，主要分布于丘陵區，平均厚4.41 m。白堊系中統三水組基巖(K2s):呈淺褐色、灰白色等，中、細粒結構，層狀構造，平均層厚8.47 m。前震旦系云開群(Pty)基巖：青灰、灰白、褐黃色，中粗粒結構，塊狀構造，部分礦物風化明顯，平均層厚13.92 m。

1.3 地質構造

研究區主要地質構造為廣三斷裂組五眼橋斷層，其走向為近東西向，傾向南，傾角為50°～80°，屬正斷層，長約19 km，郭欽華等[5]對該斷層進行了大量研究，認為該斷層現今活動性不明顯，因此，該斷層對本區域影響較小。經定測外業勘探揭露，研究區為泥質砂巖和混合花崗巖的不整合接觸帶，接觸帶附近巖體交錯分布，軟硬相間，巖體節理裂隙發育，巖體破碎，地下水豐富。

2 midas-GTS模擬方法概述

midas-GTS 軟件是一款主要針對巖土與隧道分析設計的有限元軟件[6]。目前常見應用到巖土領域的軟件包括midas/GTS、FLAC3D/2D、PLAXIS 等。midas/GTS應用于巖土基坑支護計算分析[7-8]，具有靜力分析、滲流分析、固結分析、施工階段分析、動力和邊坡穩定性分析等功能；附帶包括線彈性模型、鄧肯-張模型、屈雷斯卡模型、摩爾-庫侖模型、德魯克-普拉格和修正的劍橋模型等十余種巖土體本構模型[9]。

3 電塔穩定性分析

3.1 有限元模型建立

在盾構近鄰下穿的高壓電塔穩定性研究中，需要將計算工況與現場實際進行對應以獲得準確的三維動態模擬，從而分析高壓電塔的變形過程。結合場地周邊情況和地質條件，采用有限元計算軟件建立的三維整體計算模型見圖2、塔基有限元模型見圖3。在該模型中，盾構隧道的影響范圍有限，因此設定三維有限元的邊界條件為：模型底部、模型左右和模型前后為位移約束。該模型共46 074個節點，82 062個單元。

圖2 三維整體計算模型

圖3 塔基有限元模型

3.2 計算參數

場地周邊地層的力學性質對約束高壓電塔塔基的受力和變形起著關鍵作用，為此，進行三維模擬時須充分結合工程地層分布特點，合理選取計算參數。本次三維有限元分析模型中的地層主要為淤泥、粉砂、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖等地層，各地層的計算參數取值由相關力學試驗獲得。塔基材料參數按C20混凝土進行設定，由于電塔修建時間比較早，故將塔基剛度折減10%。本次三維有限元分析本構模型選取修正劍橋模型和摩爾-庫侖模型，盾構管片考慮縱橫接頭的作用，故將其剛度折減30%。具體計算參數取值見表1。

表1 材料參數

3.3 荷載條件

電塔處于天然狀態下，有風荷載及輸電線路的荷載作用其上。將塔身由上至下劃分為6段，分別計算每段高度范圍內等效風載集中力。同理，分別計算橫擔風載，橫擔編號見圖4。

圖4 電塔荷載設置示意圖

塔線風荷載計算設定見表2。其中塔身風載加在電塔塔身上；電線風載加在導線的法向位置；電線張拉力加在導線走向位置。

表2 塔身風載設計值

3.4 施工過程模擬

高壓電塔在盾構近鄰下穿情況下的三維動態模擬能否準確地反映現場實際情況的前提是計算工況與現場實際工況相對應。本次施工過程模擬盾構機掘進，共掘進72 m，每步1.8 m，即右線首先施工1.8 m，后左線施工1.8 m，依次循環施工。

4 結果分析

4.1 隧道開挖引起的地層應力和位移

盾構機施工過程中，地層位移變化情況見圖5～8。當隧道右線首先施工1.8 m，最大位移出現在隧道出口(見圖5)，當進行第一個循壞施工時，即左線掘進1.8 m，在左線隧道口，同樣出現明顯的位移極值，但地表位移相對較大值出現在隧道右線(見圖6)。當隧道完全施工完成(見圖7、圖8)，右線地表位移變化相對左線位移較大。當2條相鄰的隧道在其施工過程中，先進行施工的隧道，在其附近的巖體沿隧道變形最大，而后慢慢趨于穩定。當開始施工另一條相鄰的隧道時，上部巖土體已經沿最先施工的隧道發生了不可逆的巖土體變形且已穩定，此時第二條隧道施工過程中引起的巖土體變形則主要基于已經變形的巖土體而發生，但較最開始施工的隧道影響小。

圖5 隧道右線掘進1.8 m，地層位移變化云圖

圖6 隧道左線掘進1.8 m，地層位移變化云圖

圖7 隧道右線掘進72 m，地層位移變化云圖

圖8 隧道左線掘進72 m，地層位移變化云圖

4.2 隧道開挖引起的電塔及其基礎應力和位移

4.2.1塔基變形

盾構施工過程中，會對地層產生擾動甚至變形，進而導致電塔基礎產生變形，電塔基礎主要由4個基樁構成，基樁之間通過連梁連接，形成電塔基礎。圖9～12為盾構施工過程中塔基樁基礎的變形云圖。由圖9可見，距離隧道較近的4號塔基沉降(Z向)最大，依次為較近的1號塔基，最遠的2號基礎沉降最小。由圖10、11可見，在X，Y水平向的運動也呈現同樣的趨勢，即越靠近隧道其變形量越大。最終將1號電塔塔基頂部位移極值匯總于表3。

圖9 各電塔基礎總位移(單位：mm)

圖10 隧道施工電塔基礎X向位移

圖11 隧道施工電塔基礎Y向位移

圖12 隧道施工電塔基礎Z向位移

表3 塔基位移表 mm

4.2.2塔身變形

盾構施工引起地層變形，地層變形又引起塔基變形和應力調整，從而導致塔身的變形以及塔身內力的變化，盾構施工結束后電塔塔身變形云圖見圖13，電塔塔頂總位移見圖14。

圖13 塔身總位移(單位：mm)

圖14 電塔塔頂總位移

由圖13可知，電塔4號基礎對應塔身的變形相對其他3個基礎變形較大，這是由于4號基礎更加靠近隧道，受隧道施工導致的基礎變形更大，而電塔底部到電塔頂部，塔身位移逐漸增大(見圖14)。在此僅討論塔頂變形是否滿足國家相關規范。電塔塔頂位移隨施工進程逐漸變大，但有著趨于穩定的趨勢。電塔各施工階段X、Y、Z方向位移見圖15～17。

圖15 電塔各施工階段X向位移

圖16 電塔各施工階段Y向位移

圖17 電塔各施工階段Z向位移

由圖15～17可見，塔頂變形主要由X方向變形導致；而Y方向位移在初始階段較小(包含反向運動)，但隨著施工的進程，變形加劇，并最終趨于穩定；Z向上，電塔主要發生沉降，沉降隨著施工的進行逐漸加深，也具有趨于穩定的趨勢。具體分析來看，X方向變形較大，主要是由于隧道右線的施工，導致巖土體變形較大，而位于巖土體之上的電塔向隧道右線發生位移，其X向的位移最大。Y向變化在經歷一段較小的負值后，依然繼續增大，在隧道右線施工過程中，首先導致3號基礎發生運動，而1號基礎依然處于擾動較小的巖土體之上，即首先發生3號基礎向Y軸負方向運動的趨勢，隨著施工的進程，1號基礎更加靠近隧道右線，1號基礎相對3號基礎受隧道施工的影響更大，進而向Y軸正向運動，運動位移逐漸增大，但總體位移較小。最終塔頂位移極值匯總見表4。

表4 電塔塔頂位移極值

4.2.3結果分析

根據GB 50007-2011 《建筑地基基礎設計規范》和DL/T 5219-2014 《架空輸電線路基礎設計技術規程》，該電塔高約51 m，基礎沉降允許值為400 mm。由midas-GTS結果分析得，塔身X方向傾斜度為0.127%，Y方向傾斜度為0.022%，小于規定的桿塔傾斜度(0.5%)，故電塔變形滿足要求。

5 結論

本次研究運用midas-GTS有限元軟件，結合琶洲支線隧道及電塔設計資料，建立了三維有限元計算模型，并對地質地層采用修正劍橋模型和摩爾-庫侖模型，與現場施工相結合分析隧道掘進過程中，上部電塔的變形程度和穩定性。結果表明，上部電塔在塔身傾斜、塔基沉降及傾斜方面均滿足規范要求。但在實際施工過程中，建議在數值計算結果基礎上，結合既有工程經驗，對電塔進行實時檢測，以監控上部電塔的實時位移變化。