排水隧洞盾構施工對高壓鐵塔影響的數值模擬分析

周 竝 汪貴平 李 昀

(1.同濟大學，上海 200092；2.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063； 3.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心,上海 200063)

0 引言

近年來我國城鎮化規模不斷擴大，對能源的需求進一步提升，隨著火電、核電機組的新建，盾構法成為電廠取、排水隧洞的常用施工手段。由于電廠取排水工藝復雜，取、排水隧洞不可避免地從其他建、構筑物下方或者側邊穿過，盾構法施工會引起不同程度的地面沉降和地層移動，引起地上或地下建筑物的開裂、變形甚至破壞等問題。對于淺基礎建筑物的主要影響為地表垂直和水平變形對建筑物的影響，對于深基礎建筑物的影響主要為樁周土沉降引起的負摩阻力導致樁的附加沉降以及土體側向變形引起的樁的側向變形。

本文以某電廠排水隧洞盾構施工為例，采用PLAXIS 3D軟件建立三維模型進行數值模擬，預測盾構隧洞施工引起鄰近高壓鐵塔基礎的變形值及其變形規律，為研究盾構施工對相鄰深基礎的影響及變形提供的參考。

1 工程概況

某電廠5號排水隧洞長度為905 m，采用土壓平衡盾構施工，隧洞內徑6 100 mm，盾構管片厚度350 mm，自始發工作井(閘門井)的出洞中心標高為-12.00 m，接收工作井(虹吸井)進洞中心標高為-7.20 m，向上設計縱坡0.53%，軸線平面轉彎半徑為517 m。

距離閘門井西側約20 m處為廠區500 kV電力出線高壓鐵塔，高壓線凈空高度約15 m，高壓鐵塔基礎為四樁基礎，樁基采用φ1 200灌注樁，樁長44.5 m，樁底進入基巖層，樁間距為14.6 m，通過0.7 m×1.2 m基礎梁連接，5號排水隧洞外壁與高壓鐵塔樁基礎的最小距離僅為6.8 m，見圖1。

盾構進出洞時，洞口地基土預先采取地基加固，縱向加固長度12.0 m，加固范圍為盾構隧道結構外輪廓線外各5.0 m。

根據《電力設施保護條例實施細則》中第十二條的條文規定：

任何單位或個人不得在距架空電力線路桿塔、拉線基礎外緣的下列范圍內進行取土、打樁、鉆探、開挖或傾倒酸、堿、鹽及其他有害化學物品的活動：

1)35 kV及以下電力線路桿塔、拉線周圍5 m的區域；

2)66 kV及以上電力線路桿塔、拉線周圍10 m的區域。

在桿塔，拉線基礎的上述距離范圍外進行取土、堆物、打樁、鉆探、開挖活動時，必須遵守下列要求：

1)預留出通往桿塔、拉線基礎供巡視和檢修人員、車輛通行的道路；2)不得影響基礎的穩定，如可能引起基礎周圍土壤、砂石滑坡，進行上述活動的單位或個人應當負責修筑護坡加固；3)不得損壞電力設施接地裝置或改變其埋設深度。

2 巖土工程條件

擬建場地原始地貌為海灘，原始地面標高為+3.0 m～-0.8 m，后經廠區拋填成為人工地貌，地面標高從+7.10 m～+4.70 m。

根據勘察資料，場地除上部厚層人工填土外，場地內主要分布為第四系全新統和上更新統粘性土、砂性土，其成因為海相沉積層、沖積層、沖坡積層和海陸交互相沉積層，整體上來看淺部以淤泥質土為主，下部以粉質粘土、粘土為主，砂層以夾層和透鏡體狀分布，連續性較差。下伏基巖為中一上元古界海州群云臺組第三巖性段二長淺粒巖。土層主要物理學指標詳見表1。

表1 土體物理學指標

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

三維模型尺寸為150 m×150 m×46 m，閘門井尺寸為60.2 m×17.8 m×45 m，排水隧洞內徑6 100 mm，管片厚度350 mm，頂部埋深14.6 m，隧洞長度為75 m，見圖2。

為了提高軟件計算效率，對計算模型做如下簡化：

1)高壓鐵塔樁基進入巖層，不考慮樁底變形，在樁底設置約束。

2)高壓鐵塔自重較小，模型中不考慮其自重荷載效應。

3)盾構施工引起的地層損失通過斷面收縮率c=0.5%進行模擬。

3.2 土體本構模型及結構參數

土體本構模型采用Hardening-Soil模型，Hardening-Soil模型應用于基坑開挖和隧道開挖等地下工程的分析時具有較好的精度和適用性。計算中各層土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數根據勘察報告選取，壓縮模量在勘察報告的基礎上根據類似工程經驗確定。

閘門井(兼始發井)及隧道管片采用板單元模擬，高壓鐵塔樁基采用嵌入式梁單元進行模擬，基礎連梁采用梁單元進行模擬，各構件彈性模量及截面屬性按實際情況選取。

3.3 模擬工況

初始工況：地應力平衡。

工況一：激活排水閘門井及出洞加固、已施工排水隧洞、高壓鐵塔及基礎。

工況二：5號機組排水隧洞施工。

3.4 數值模擬結果

根據數值模擬結果顯示，5號排水隧洞盾構施工造成的地表最大沉降為12.2 mm，地表影響范圍約為盾構隧道中心線兩側約20 m范圍，約為3倍盾構直徑。

高壓鐵塔基礎位置由于采用了樁基礎，基礎連梁的最大沉降為1.35 mm，位置為距離盾構隧洞最近點，基礎連梁的最小沉降為0.06 mm，位置為距離隧洞最遠點。

高壓鐵塔基礎連梁垂直于隧洞走向(Y軸)的最大水平位移為3.37 mm，最小水平位移為2.93 mm，沿隧洞走向(X軸)的最大水平位移為0.8 mm,最小水平位移為0.4 mm，見圖3～圖7。

高壓鐵塔樁頂的總水平位移值最大約為3.4 mm，位于TT1,TT4位置，樁頂總水平位移最小值為3.0 mm，位于TT2,TT3位置(TT1,TT2,TT3,TT4位置詳見圖8)。

4 監測點布置及監測結果分析

盾構施工過程中，在高壓鐵塔塔基位置處設置了位移觀測點(TT1,TT2,TT3,TT4)，盾構隧道上方按每隔10 m設置一個地表沉降觀測點(W2,W3,W4,W5,W6)，具體布置見圖9。

根據實測監測數據，盾構從出洞到推進至52環，這整個施工過程中的高壓鐵塔垂直位移在+0.4 mm～-0.6 mm的區間內波動，當推進至高壓鐵塔水平投影范圍內(20環～31環)，高壓鐵塔基礎呈現沉降趨勢。總體而言高壓鐵塔基礎的豎向位移值較小，見圖10。

高壓鐵塔基礎水平位移實測位移在X,Y方向變量均小于1 mm，總水平位移最大值為1.4 mm，變形值較小，見圖11。

根據實測的地表沉降數據，在盾構機到達前地表呈隆起狀態，在盾構到達時開始沉降，在盾構推進至第52環時，地表測點的最大沉降約為6.7 mm，地表后期沉降值逐漸收斂，最大沉降約為8.2 mm，符合盾構推進對地表變形的一般規律，如圖12，圖13所示。

5 結語

1)通過PLAXIS 3D三維有限元數值模擬，高壓鐵塔基礎的水平位移、豎向沉降最大值分別為3.4 mm和1.25 mm，地表最大沉降為12.2 mm；高壓鐵塔基礎的實測水平位移為1.4 mm，最大沉降為0.6 mm，實測地表最大沉降為8.2 mm。實測數據略小于數值模擬的結果，其主要原因為場地表層拋填塊石，厚度4 m～5 m，在經過多年的堆積后，其密實度提高，抵抗變形的能力有所增強；同時對于下層土體，在經過了多年的堆載后，其超靜水壓力逐漸消散，有效應力增加，土體強度、固結度及壓縮模量逐漸增加，因此實際變形較小。

2)盾構隧道施工對于采用嵌巖樁的高壓鐵塔基礎影響較小，實際變形值為毫米級，在施工工藝正確的情況下完全能夠滿足高壓鐵塔的安全及正常使用要求。

3)通過斷面收縮率模擬盾構施工引起的地層損失，對計算工況進行簡化，其變形趨勢與變形量與實測結果較為吻合，能夠作為盾構施工對周邊環境影響的一種簡化分析手段。