淺埋電力隧道暗挖施工支護結構變形特性分析

摘 要：本文依托簡州新城電力隧道工程，采用數值模擬和現場監測的方法，對淺埋電力隧道淺埋暗挖法施工地表沉降及支護結構變形特性進行研究。研究結果表明，在設置超前支護后，地表沉降總體不大，最大值在中心拱頂截面處，支護結構拱頂沉降最大值為19.602mm，控制效果沉降值在無超前支護的52％左右，拱底隆起最大值為19.588mm，大應力值集中在隧道拱腳處，為12.470MPa，減少了16.8％，同時錨桿系統發揮作用明顯，最大軸力在拱頂處，為444.811kN，減少了19.7%，對結構物進行監控量測，拱頂沉降、周邊收斂和數值模擬結果規律基本一致，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：電力隧道；淺埋暗挖法；數值模擬；現場監測

中圖分類號：U 45 " 文獻標志碼：A

電力隧道作為一種純綠色環保的新型送電方式，與傳統公路隧道和鐵路隧道相比，其斷面形式相對較小，在施工過程中有不同的特點。目前，城市電力隧道主要采用頂管法、明挖法和淺埋暗挖法進行施工。明挖法的特點是造價低，但受地形約束較大，頂管法工藝先進，但在砂性地層和富水地層施工困難，排水效果不佳。淺埋暗挖法重在發揮圍巖自身的自承能力，對地層要求不高且適應性強，不僅能保障隧道施工安全還能防止后期運營災害發生，在電力隧道建設中能起到不可替代的作用[1]。同時，保證電力隧道淺埋暗挖施工穩定性成為目前研究的關鍵問題。

很多學者對電力隧道建設進行了相關研究。周超[2]在鄭州地鐵電力隧道工程中提出采用格柵鋼架加鎖腳錨桿的支護方式，并用有限元進行了驗證。王園棟等[3]對雙慶路電力隧道淺埋暗挖法施工拱頂沉降規律和地表沉降規律進行了研究，提出了施工建議。本文針對目前電力隧道施工特點，通過模擬隧道開挖和支護過程，探究了電力隧道暗挖施工支護結構變形特性，為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

本次電力隧道工程場址位于簡州新城城區，線路全長9554m，分為A、B、C段。其中，A段電力隧道起于陽安大道與漣江大道的相交處，止于110kV牽引所，長2620m；B段電力隧道起于成簡快速路與方家林大道交匯處南側150m，經方家林大道，最終至方家林大道與蜀都大道東延線交匯處南側130線路長3484m；C段電力隧道起于成簡快速路與陽安大道交匯處南側320m，經陽安大道、石養路，最終分別至長嶺110kV變電站/A段電力隧道，線路長3450m。

本工程位于龍泉山東麓，四川盆地簡陽市西南部，區內以淺丘寬谷地貌為主，B段地層巖性條件為破碎砂巖地層，有少量上覆碎石雜填土，該區段地下水水位埋深為0.5m～3.5m，水量分布不均，受大氣降水及人類耕種活動影響較大。該段隧道尺寸為2.5m×3.0m，初支采用I16型鋼鋼架，間距為0.4m，雙層鋼筋網尺寸為15cm×15cm，二襯采用C40模筑混凝土。該段施工的難點為該區域為軟弱地層，地下水、裂隙水豐富，開挖時應重點控制沉降和變形。

2 數值模擬

2.1 模型建立

本文研究的電力隧道斷面埋深為20m，將地表簡化為平面，根據圣維南原理，隧道開挖對周圍土體的擾動范圍是橫截面積的3～5倍洞徑，本模型尺寸為50m×15m×50m（長×寬×高）。隧道拱頂距地表20m，碎石雜填土厚度為5m，用摩爾庫倫本構模擬，支護結構和超前小導管用彈性本構模擬，模型如圖1所示。

2.2 模型單元及材料參數

本次數值分析假定圍巖為各向同性材料，采用摩爾-庫倫本構，管棚、小導管加固區以及襯砌結構采用彈性本構模擬，初期支護采用板單元模擬，超前小導管采用1D植入式桁架結構模擬。為了方便建模，本文將鋼拱架與噴射混凝土看作一個整體，彈性模量換算公式和注漿加固范圍的等效彈模值換算過程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

E3=ρE4+（1-ρ）EW " " " （2）

式中：E為小導管注漿后的彈性模量等效值；E1、E2為注漿漿液、小導管本身的彈模值；I1、I2為注漿漿液、小導管本身的慣性矩；E3為注漿加固范圍內彈性模量等效值；Ew為注漿漿液、隧道圍巖彈性模量。本次電力隧道功臣圍巖主要包括碎石雜填土和破碎砂巖，通過現場測試、室內試驗和經驗公式確定數值模擬的物理力學參數，見表1。

2.3 施工步驟模擬

本次電力隧道工程采用臺階法進行開挖，上臺階須超前2.5m～3m，每次進尺0.5m，開挖后立即噴5cm～8cm混凝土，對工作面進行封閉，安裝工字鋼拱架、連接筋、鋼筋網片，并打設小導管超前支護。應在上臺階的初期支護基本穩定且進尺5m后開挖中臺階，并認真加固拱腳支護，使上部施工支護與圍巖形成完整的體系，中臺階開挖完成后，按照上臺階工序進行支護，并在兩側拱腳打設鎖腳錨桿。待中、上兩個臺階的初期支護基本穩定且循環進尺5m以上，開挖底臺階完成仰拱，初支封閉成環。

3 結果分析

3.1 地表沉降分析

提取兩種工況地表沉降云圖（圖2），從圖2中可以看出，在隧道開挖支護過程中，電力隧道施工影響范圍由隧道中心處逐步往周邊區域擴大，由于電力隧道截面較小，整體地表沉降量不大，因此最大值在中心拱頂截面處，且隨著隧道開挖逐漸變大，未施加超前支護情況下的最大地表區域沉降量為1.182mm～5.46mm，施加超前支護加固后地表區域沉降量為0.785mm～3.542mm，將地表沉降量控制在未施加超前支護工況的60％左右。可以得出超前支護對減少地表沉降有著重要作用。

3.2 支護結構變形分析

提取兩種工況初支變形云圖，如圖3所示。由圖3可以看出，電力隧道開挖完成后初支整體發生變形，沉降最大處在拱頂位置，最大值為12.638mm，施加超前支護加固后拱頂沉降最大值減至6.602mm，將效果沉降值控制在無超前支護的52％左右。同時，仰拱有較大隆起，兩種工況下最大隆起量分別為19.656mm和19.588mm，在施工中應重點關注。超前支護施作后的整體上部結構變形量減少，水平變形最大值從拱腰處變為拱腳處，支護變形區域水平變形為+4.504mm～-4.396mm，超前支護施作后支護變形區域水平變形為+3.942mm～-3.172mm，控制效果整體變形為無超前支護的72％左右，整體橫向變形不大。可以得出超前支護對減少拱頂沉降有著顯著作用，在施工中，應重點關注支護結構的變形，尤其是拱頂沉降和拱底隆起，防止因結構變形過大導致支護結構失效。

3.3 支護結構受力分析

隧道開挖完成后，隧道所受的最大主應力分布和錨桿軸力分布如圖4和圖5所示。超前支護施作前后隧道最大應力分布規律不同，未施作超前支護時最大主應力主要集中上部結構拱頂附近，最大值為14.993MPa。超前支護加固后，隧道上部結構由受拉狀態轉變為受壓狀態，最大主應力位置從拱頂變為拱腳，最大值為12.470MPa，減少約16.8%。未施作超前支護情況下大多數錨桿軸力較小，最大軸力在拱頂位置，為554.146kN，超前支護加固后，大多數錨桿發揮了作用，處于受拉狀態，最大軸力在拱頂位置，為444.811kN，減少了19.7%。因此，超前支護施作后電力隧道開挖錨桿作用明顯，在施工中應該注意拱頂和拱腳位置處的應力變化。

4 現場監測

針對簡州新城電力隧道工程特點，結合現場施工情況重點監控隧道內變形數據，根據規范在隧道兩個斷面掌子面布置監控量測測點，對拱頂沉降結果進行統計與分析，具體監測數據如圖6所示。

當隧道開挖至監測斷面時，拱頂沉降呈遞增趨勢，前期增長速度快后期增長速度變慢后趨于穩定，數值模擬在對應臺階開挖后的支護階段拱頂沉降改變較小，現場測試的數據則是持續增加，標段一斷面模型的最大變形量為6.602mm，監控量測最大變形量為6.65mm，標段二斷面模型的最大變形量為5.63mm，監控量測最大變形量為5.93mm，在規范允許的變形范圍內，說明本次處置效果非常有效。整體看現場拱頂沉降和周邊收斂比數值模擬結果偏大，可能是現場施工擾動或支護不及時導致，但整體趨勢較為貼合且在誤差允許的范圍內，說明數值模擬結果能較為準確地反映圍巖和隧道變形情況，可為類似項目提供參考。

5 結論

本文采用數值模擬的方式建立簡州新城電力隧道工程相關模型，對地表沉降、圍巖位移、支護結構變形和受力情況進行研究，并得出以下結論。1）在隧道開挖支護過程中，電力隧道地表沉降量很少，最大值在中心拱頂截面處，隨著隧道開挖逐漸變大。電力隧道支護結構變形相對較大，在有超前支護的工況下，拱頂沉降最大值為19.602mm，將效果沉降值控制在無超前支護的52％左右，拱底隆起最大值為19.588mm，在施工中需要加強對支護結構進行變形監測。2）在有無超前支護兩種工況下，支護結構受力分布規律不同，超前支護加固后的最大應力值集中在隧道拱腳處，為12.470MPa，同時錨桿系統發揮作用明顯，最大軸力在拱頂處為444.811kN，施工中應重點關注拱頂和拱腳處隧道結構受力。3）在現場對支護結構布設監測點位，并根據開挖進程實時監控量測，可以得到監控量測的拱頂沉降和周邊收斂和數值模擬結果規律基本一致，結果在誤差允許的范圍內，滿足規范要求，證明數值模擬具有有效性，可為類似淺埋暗挖電力隧道工程的修建提供參考。

參考文獻

[1]王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

[2]周超.電力隧道淺埋暗挖法施工與模擬計算[J].城市軌道交通研究，2015，18（4）：100-106.

[3]王園棟，張光碧，姚良學，等.雙慶路電力隧道淺埋暗挖法施工地層變形三維數值模擬[J].廣東水利水電，2013，213（11）：51-57.