基于midas-GTS的盾構(gòu)隧道施工上部電塔穩(wěn)定性研究

張 菊 李 松 蔡長(zhǎng)發(fā) 李愛華 成華雄

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 綿陽(yáng) 621000； 2.建材廣州工程勘測(cè)院有限公司 廣州 510000)

道路建設(shè)會(huì)不可避免地造成周圍土體的擾動(dòng)[1]，從而引起臨近輸電塔塔基及塔身產(chǎn)生變形、輸電線路應(yīng)力發(fā)生變化。而高壓線電塔屬于高聳建筑，結(jié)構(gòu)傾斜敏感度要求高，對(duì)地基不均勻沉降要求更嚴(yán)格。當(dāng)?shù)貙幼冃屋^大時(shí)，甚至可能出現(xiàn)輸電線路斷線、電塔倒塌等危險(xiǎn)情況，故需在施工過(guò)程中對(duì)電塔安全性進(jìn)行研究。大量研究利用三維數(shù)值模擬軟件建立模型并與實(shí)際工況進(jìn)行結(jié)合以分析臨近建筑物的穩(wěn)定性[2]。謝緒焊[3]利用midas-GTS在對(duì)土質(zhì)邊坡在支護(hù)前后的穩(wěn)定性情況進(jìn)行分析，將分析結(jié)果和理論結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性；劉遠(yuǎn)亮[4]利用midas-GTS分析基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響，對(duì)地層自重固結(jié)、基坑開挖施工的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并指出該方法對(duì)工程實(shí)踐有一定的指導(dǎo)意義。

本文將在已收集的地質(zhì)等資料基礎(chǔ)上，根據(jù)已有的施工計(jì)劃，運(yùn)用midas-GTS修正的劍橋模型和摩爾-庫(kù)侖模型，計(jì)算盾構(gòu)隧道施工過(guò)程引起的地層應(yīng)力變化、電塔塔基及塔身的變形特征，進(jìn)而研究盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中電塔的傾覆穩(wěn)定性。

1 研究區(qū)概況

1.1 項(xiàng)目概況

琶洲支線隧道位于廣州市海珠區(qū)琶洲街道。本次研究所涉及的隧道為雙洞單線盾構(gòu)隧道，據(jù)相關(guān)要求，施工采用單層裝配式平板型混凝土管片，內(nèi)徑8.3 m、外徑8.8 m、埋深16 m。研究區(qū)內(nèi)電塔的基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，且每個(gè)樁基礎(chǔ)都是獨(dú)立存在，樁徑1 800 mm、樁長(zhǎng)11 m，樁端位于中風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖。其中電塔的樁基礎(chǔ)與盾構(gòu)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(guān)系圖(左圖中1，2，3，4為塔基的編號(hào))

1.2 地層巖性

據(jù)地質(zhì)踏勘和鉆孔揭露情況，隧道沿線巖土層可劃分為6個(gè)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(shí)～欠壓實(shí)，稍濕～濕。沖積～海陸交互相沉積砂土層(Q4m+al)：本層根據(jù)砂粒大小可分為3個(gè)亞層。沖積～海陸交互相沉積黏土層(Q4m+al):本層根據(jù)土的性質(zhì)可分為5個(gè)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(qū)，平均厚4.41 m。白堊系中統(tǒng)三水組基巖(K2s):呈淺褐色、灰白色等，中、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)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(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，部分礦物風(fēng)化明顯，平均層厚13.92 m。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造為廣三斷裂組五眼橋斷層，其走向?yàn)榻鼥|西向，傾向南，傾角為50°～80°，屬正斷層，長(zhǎng)約19 km，郭欽華等[5]對(duì)該斷層進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為該斷層現(xiàn)今活動(dòng)性不明顯，因此，該斷層對(duì)本區(qū)域影響較小。經(jīng)定測(cè)外業(yè)勘探揭露，研究區(qū)為泥質(zhì)砂巖和混合花崗巖的不整合接觸帶，接觸帶附近巖體交錯(cuò)分布，軟硬相間，巖體節(jié)理裂隙發(fā)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(duì)巖土與隧道分析設(shè)計(jì)的有限元軟件[6]。目前常見應(yīng)用到巖土領(lǐng)域的軟件包括midas/GTS、FLAC3D/2D、PLAXIS 等。midas/GTS應(yīng)用于巖土基坑支護(hù)計(jì)算分析[7-8]，具有靜力分析、滲流分析、固結(jié)分析、施工階段分析、動(dòng)力和邊坡穩(wěn)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(kù)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(gòu)模型[9]。

3 電塔穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型建立

在盾構(gòu)近鄰下穿的高壓電塔穩(wěn)定性研究中，需要將計(jì)算工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行對(duì)應(yīng)以獲得準(zhǔn)確的三維動(dòng)態(tài)模擬，從而分析高壓電塔的變形過(guò)程。結(jié)合場(chǎng)地周邊情況和地質(zhì)條件，采用有限元計(jì)算軟件建立的三維整體計(jì)算模型見圖2、塔基有限元模型見圖3。在該模型中，盾構(gòu)隧道的影響范圍有限，因此設(shè)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(gè)節(jié)點(diǎn)，82 062個(gè)單元。

圖2 三維整體計(jì)算模型

圖3 塔基有限元模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

場(chǎng)地周邊地層的力學(xué)性質(zhì)對(duì)約束高壓電塔塔基的受力和變形起著關(guān)鍵作用，為此，進(jìn)行三維模擬時(shí)須充分結(jié)合工程地層分布特點(diǎn)，合理選取計(jì)算參數(shù)。本次三維有限元分析模型中的地層主要為淤泥、粉砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖等地層，各地層的計(jì)算參數(shù)取值由相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)獲得。塔基材料參數(shù)按C20混凝土進(jìn)行設(shè)定，由于電塔修建時(shí)間比較早，故將塔基剛度折減10%。本次三維有限元分析本構(gòu)模型選取修正劍橋模型和摩爾-庫(kù)侖模型，盾構(gòu)管片考慮縱橫接頭的作用，故將其剛度折減30%。具體計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 材料參數(shù)

3.3 荷載條件

電塔處于天然狀態(tài)下，有風(fēng)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(jì)算每段高度范圍內(nèi)等效風(fēng)載集中力。同理，分別計(jì)算橫擔(dān)風(fēng)載，橫擔(dān)編號(hào)見圖4。

圖4 電塔荷載設(shè)置示意圖

塔線風(fēng)荷載計(jì)算設(shè)定見表2。其中塔身風(fēng)載加在電塔塔身上；電線風(fēng)載加在導(dǎo)線的法向位置；電線張拉力加在導(dǎo)線走向位置。

表2 塔身風(fēng)載設(shè)計(jì)值

3.4 施工過(guò)程模擬

高壓電塔在盾構(gòu)近鄰下穿情況下的三維動(dòng)態(tài)模擬能否準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的前提是計(jì)算工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)。本次施工過(guò)程模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，共掘進(jìn)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(huán)施工。

4 結(jié)果分析

4.1 隧道開挖引起的地層應(yīng)力和位移

盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中，地層位移變化情況見圖5～8。當(dāng)隧道右線首先施工1.8 m，最大位移出現(xiàn)在隧道出口(見圖5)，當(dāng)進(jìn)行第一個(gè)循壞施工時(shí)，即左線掘進(jìn)1.8 m，在左線隧道口，同樣出現(xiàn)明顯的位移極值，但地表位移相對(duì)較大值出現(xiàn)在隧道右線(見圖6)。當(dāng)隧道完全施工完成(見圖7、圖8)，右線地表位移變化相對(duì)左線位移較大。當(dāng)2條相鄰的隧道在其施工過(guò)程中，先進(jìn)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(wěn)定。當(dāng)開始施工另一條相鄰的隧道時(shí)，上部巖土體已經(jīng)沿最先施工的隧道發(fā)生了不可逆的巖土體變形且已穩(wěn)定，此時(shí)第二條隧道施工過(guò)程中引起的巖土體變形則主要基于已經(jīng)變形的巖土體而發(fā)生，但較最開始施工的隧道影響小。

圖5 隧道右線掘進(jìn)1.8 m，地層位移變化云圖

圖6 隧道左線掘進(jìn)1.8 m，地層位移變化云圖

圖7 隧道右線掘進(jìn)72 m，地層位移變化云圖

圖8 隧道左線掘進(jìn)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(chǔ)應(yīng)力和位移

4.2.1塔基變形

盾構(gòu)施工過(guò)程中，會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)甚至變形，進(jìn)而導(dǎo)致電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生變形，電塔基礎(chǔ)主要由4個(gè)基樁構(gòu)成，基樁之間通過(guò)連梁連接，形成電塔基礎(chǔ)。圖9～12為盾構(gòu)施工過(guò)程中塔基樁基礎(chǔ)的變形云圖。由圖9可見，距離隧道較近的4號(hào)塔基沉降(Z向)最大，依次為較近的1號(hào)塔基，最遠(yuǎn)的2號(hào)基礎(chǔ)沉降最小。由圖10、11可見，在X，Y水平向的運(yùn)動(dòng)也呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)，即越靠近隧道其變形量越大。最終將1號(hào)電塔塔基頂部位移極值匯總于表3。

圖9 各電塔基礎(chǔ)總位移(單位：mm)

圖10 隧道施工電塔基礎(chǔ)X向位移

圖11 隧道施工電塔基礎(chǔ)Y向位移

圖12 隧道施工電塔基礎(chǔ)Z向位移

表3 塔基位移表 mm

4.2.2塔身變形

盾構(gòu)施工引起地層變形，地層變形又引起塔基變形和應(yīng)力調(diào)整，從而導(dǎo)致塔身的變形以及塔身內(nèi)力的變化，盾構(gòu)施工結(jié)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(hào)基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)塔身的變形相對(duì)其他3個(gè)基礎(chǔ)變形較大，這是由于4號(hào)基礎(chǔ)更加靠近隧道，受隧道施工導(dǎo)致的基礎(chǔ)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(guó)家相關(guān)規(guī)范。電塔塔頂位移隨施工進(jìn)程逐漸變大，但有著趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。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(dǎo)致；而Y方向位移在初始階段較小(包含反向運(yùn)動(dòng))，但隨著施工的進(jìn)程，變形加劇，并最終趨于穩(wěn)定；Z向上，電塔主要發(fā)生沉降，沉降隨著施工的進(jìn)行逐漸加深，也具有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。具體分析來(lái)看，X方向變形較大，主要是由于隧道右線的施工，導(dǎo)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(fā)生位移，其X向的位移最大。Y向變化在經(jīng)歷一段較小的負(fù)值后，依然繼續(xù)增大，在隧道右線施工過(guò)程中，首先導(dǎo)致3號(hào)基礎(chǔ)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而1號(hào)基礎(chǔ)依然處于擾動(dòng)較小的巖土體之上，即首先發(fā)生3號(hào)基礎(chǔ)向Y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，隨著施工的進(jìn)程，1號(hào)基礎(chǔ)更加靠近隧道右線，1號(hào)基礎(chǔ)相對(duì)3號(hào)基礎(chǔ)受隧道施工的影響更大，進(jìn)而向Y軸正向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(jié)果分析

根據(jù)GB 50007-2011 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和DL/T 5219-2014 《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，該電塔高約51 m，基礎(chǔ)沉降允許值為400 mm。由midas-GTS結(jié)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(guī)定的桿塔傾斜度(0.5%)，故電塔變形滿足要求。

5 結(jié)論

本次研究運(yùn)用midas-GTS有限元軟件，結(jié)合琶洲支線隧道及電塔設(shè)計(jì)資料，建立了三維有限元計(jì)算模型，并對(duì)地質(zhì)地層采用修正劍橋模型和摩爾-庫(kù)侖模型，與現(xiàn)場(chǎng)施工相結(jié)合分析隧道掘進(jìn)過(guò)程中，上部電塔的變形程度和穩(wěn)定性。結(jié)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(guī)范要求。但在實(shí)際施工過(guò)程中，建議在數(shù)值計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上，結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)電塔進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以監(jiān)控上部電塔的實(shí)時(shí)位移變化。