地鐵隧道開挖對地表高壓鐵塔影響的數值分析

2022-02-21 01:56:06楊雄

科學技術創新 2022年3期

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工程快速發展,隧道在開挖和施工下貫通既有的現象越來越多[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進行數值分析,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構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值模擬研究是十分有意義的。

本文主要結合了重慶軌道交通10 號線隧道下穿高壓鐵塔的設計與工程案例,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律,保證了高壓鐵塔穩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間大隧道,原區間長度約為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間建設；同時由于區間臨近終點的里程有一部分設置位于蘭花湖停車場,且該站的停車位部分已經進行了明挖,故該區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間線為暗挖地段的區間性隧道,起止里程為ZCK0+4002CK1+426.086、全長1026.086m。本區間隧道拱頂埋深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。隧道襯砌結構按新奧法原理設計,采用復合式襯砌結構,鉆爆法施工區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環境等因素影響,區間采用了暗挖法施工,暗挖結構采用馬蹄形復合式襯砌結構。沿線地質主要為砂巖、砂質泥巖,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條件較差,下穿深回填區對工程本身和周邊環境帶來的危害。其地質刨面圖,如圖1 所示。

圖1 地質剖面圖

3 隧道開挖模擬

3.1 數值模型的建立

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,經地質勘察和超前探測,鐵塔樁底與隧道頂最小距離約為15m,隧道內徑約為5m、高度約為8m,隧道中心埋深為27m,根據《公路隧道設計規范》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構,采用梁單元,塔基采用樁單元,計算中采用了摩爾- 庫倫準則[9]。結合實際的工程地質背景,選擇Ⅳ級圍巖,其具體參數如表1 所示。

表1 計算模型參數

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 號頂點為監測點,如圖4 所示。