暗挖隧道下穿既有輸電塔數(shù)值影響分析

董 浩，夏高翔

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.江蘇省地下空間探測技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112;3.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局第一地質(zhì)大隊(duì),江蘇 南京 210041;4.江蘇省巖土工程公司，江蘇 南京 210008)

隨著寧鎮(zhèn)揚(yáng)交通一體化建設(shè)的加快，發(fā)展隧道交通是快速化公路網(wǎng)建設(shè)升級的有效途徑。盡管隧道施工技術(shù)大幅度地提升，但在穿越施工時(shí)仍不可避免地會(huì)引起地層位移場變化，從而引發(fā)周圍構(gòu)筑物的沉降或差異沉降、傾斜等變形。由此而引發(fā)的施工事故和損失屢屢可見，因此，如何防范潛在風(fēng)險(xiǎn)，使隧道暗挖區(qū)間在下穿構(gòu)筑物施工過程中更加安全高效且較好地保護(hù)周圍構(gòu)筑物是值得研究的問題。

國內(nèi)外現(xiàn)有的相關(guān)研究多以有限元數(shù)值建模為手段，通過設(shè)置理想?yún)?shù)，分析隧道施工過程中地層條件、建筑物與基坑或隧道的相對位置關(guān)系、加固措施等的變化對構(gòu)筑物的影響。如馬偉斌等[1]對地鐵暗挖隧道下穿鐵路橋進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，評價(jià)了鐵路橋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)及安全性。張堅(jiān)[2]等基于西安地鐵3#線長通暗挖區(qū)間，采用有限元模型，研究了富水黃土地區(qū)暗挖隧道下穿既有建筑時(shí)地表和建筑的沉降特性及規(guī)律。

1 工程概況與工程地質(zhì)

1.1 工程概況與隧道開挖方法

擬建湯麒暗挖隧道為上、下行獨(dú)立雙洞六車道分離式隧道，地處鎮(zhèn)江西側(cè)，長約500 m。其橫斷面隧道主要以V級圍巖為主。隧道最大埋深約52 m。左、右幅隧道均位于直線上；隧道所在路段縱坡為1.6%、-1.6%的人字坡。V級圍巖隧道可采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法掘進(jìn)，開挖步序和支護(hù)順序如圖1所示。

圖1 隧道開挖步序、支護(hù)順序示意圖

1.2 工程地質(zhì)

擬建場地表層為人工填土，其下為一般沉積的黏土、黏土夾碎石，中下部為一般沉積的殘積土，底部為震旦系上青龍組組白云質(zhì)灰?guī)r。根據(jù)鉆探揭示，場地土層自上而下可劃分為四大工程地質(zhì)層10個(gè)亞層。

(1)第四系

①1雜填土：灰褐色，灰黃色，雜色，很濕～飽和，結(jié)構(gòu)較松散。主要由可～硬塑狀粉質(zhì)黏土夾較多的植物根須及少量碎磚瓦礫組成，山坡部位主要由雨水沖刷形成的大量基巖碎塊夾可塑狀粉質(zhì)黏土組成。硬質(zhì)物分布不均，大小不等，含量50%～60%，土質(zhì)不均勻。

①2素填土：灰褐色，灰黃色，很濕～飽和，結(jié)構(gòu)較松散。主要由可～硬塑狀、局部軟塑狀粉質(zhì)黏土夾較多的植物根須及少量碎磚瓦礫組成，山坡部位主要由雨水沖刷形成的大量基巖碎塊夾可塑狀粉質(zhì)黏土組成。硬質(zhì)物分布不均，大小不等，含量10%～40%，土質(zhì)不均勻。

③1粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰黃色，飽和，可～硬塑，中偏低壓縮性。無搖震反應(yīng)，切面有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。分布不均勻。

③2粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰黃色，飽和，可塑，中壓縮性。無搖震反應(yīng)，切面有光澤，干強(qiáng)度高，韌性中等。分布不均勻。

③3粉質(zhì)黏土：黃褐色、灰黃色，飽和，硬塑～堅(jiān)硬，中偏低壓縮性。無搖震反應(yīng)，切面有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。分布不均勻。

③4碎石土夾粉質(zhì)黏土：灰色，飽和，密實(shí)。以碎石土為主，夾有粉質(zhì)黏土，碎石土粒徑0.5～5 cm，棱角形為主，局部分布。

(2)巖層

④溶洞充填物：以粉質(zhì)黏土為主，黃褐色、灰黃色，飽和，可～硬塑，夾少量碎石屑。切面有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等偏高。

④12強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r：淺灰色，風(fēng)化強(qiáng)烈，結(jié)構(gòu)基本破壞，裂隙極發(fā)育，巖芯多呈密實(shí)的小碎塊、碎石土狀，為次棱角及不規(guī)則狀，塊徑1～2 cm，個(gè)別達(dá)3～5 cm，碎塊錘擊可碎，巖芯采取率50%～70%，局部分布。

④22中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r：淺灰色，灰色，灰白色，淺紅色，致密結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯裂隙較發(fā)育，局部微裂隙密集發(fā)育，呈緊閉～微張，以一組40°～70°裂隙為主，充填有鈣質(zhì)、鐵質(zhì)、石英。巖芯呈短-長柱狀，節(jié)長5～40 cm，錘擊聲清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎，巖芯采取率65%～98%，分布不均。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為15.06 MPa，局部強(qiáng)度高達(dá)40.30 MPa，屬較軟巖，完整性較破碎，綜合判定巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

2 暗挖隧道施工數(shù)值模擬

采用Abaqus有限元軟件建立三維仿真數(shù)值計(jì)算模型，模擬隧道施工對輸電塔的影響。主要包括建模，材料賦值，網(wǎng)格劃分、計(jì)算和數(shù)據(jù)分析等過程。首先采取地應(yīng)力平衡，在此基礎(chǔ)上，再移除所需開挖的土體單元，并增加相應(yīng)的襯砌和隧道結(jié)構(gòu)。塔構(gòu)件采用線性梁單元模擬，電塔的四腳基礎(chǔ)分立，為短樁式，有效埋深3.2～3.4 m，短樁直徑1.2 m，樁端兩級臺(tái)階形擴(kuò)大，最下一級臺(tái)階邊長5.6～5.8 m，基礎(chǔ)采用實(shí)體單元模擬，四個(gè)塔角通過獨(dú)立基礎(chǔ)將力傳遞給地基。考慮施工方案，對CRD工法模擬，土體分為左側(cè)洞、右側(cè)洞和主洞，圖2模擬了兩側(cè)洞和主洞的開挖情況以及隧道最后成型。四周水平邊界采用法向約束，底部邊界為固定邊界，上部邊界為自由邊界。相應(yīng)的主要計(jì)算參數(shù)如表1所示，其中*值為經(jīng)驗(yàn)值。

圖2 塔及基礎(chǔ)構(gòu)造示意圖

表1 主要計(jì)算參數(shù)表

3 暗挖隧道對塔基礎(chǔ)的變形影響

開挖、支護(hù)同時(shí)進(jìn)行的工況條件下，假設(shè)隧道在開挖過程中未出現(xiàn)坍塌，若隧道先開挖再進(jìn)行支護(hù)，則產(chǎn)生如圖3所示的效果，由圖中可以看出，在洞口開挖產(chǎn)生豎向位移場。隧道口底部產(chǎn)生向上的回彈，隆起量達(dá)到9.5 cm，而沉降量僅為7 mm左右。而在靠山體內(nèi)側(cè)和隧道頂部，則會(huì)產(chǎn)生沉降。最大沉降為1.5 mm，最大隆起量為9.7 mm。

圖3 塔及基礎(chǔ)構(gòu)造示意圖

在為隧道口規(guī)范開挖過程中基礎(chǔ)產(chǎn)生的總位移和應(yīng)力情況。位移在10-5數(shù)量級。最大壓應(yīng)力在6 MPa左右，因隧洞開挖幾乎沒有應(yīng)力增量。

隧道建成后總的豎向位移，可以看出，山體總的位移場不大，僅在隧洞進(jìn)口段和出口段位移稍大，回彈近10 cm，沉降約4.6 mm。塔基礎(chǔ)位置處，豎向位移，總的豎向位移均小于1.0 cm。

4 結(jié)論與建議

基于下穿構(gòu)筑物的某擬建隧道工程為背景，用有限元軟件進(jìn)行仿真建模分析，得到如下結(jié)論：按照設(shè)計(jì)圖紙和施工方案施工，暗挖隧道施工輸電塔基礎(chǔ)影響相對較小，變形大約在1.0 cm以內(nèi)，且垂直度滿足規(guī)范要求。此外還有如下建議。

(1)要重視隧道進(jìn)洞和出洞部分的施工。計(jì)算結(jié)果表明，進(jìn)洞和出洞口隧道和山體變形較大，須注意開挖步長不可過大，即時(shí)襯砌。另外，在進(jìn)洞口、暗挖與明挖交界處，應(yīng)注意山體穩(wěn)定性，以防止局部滑坡。

(2)需進(jìn)行TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。由勘察報(bào)告可知，本場地溶洞發(fā)育，溶洞中充填土體以粉質(zhì)粘土為主，強(qiáng)度較低，壓縮性大，易產(chǎn)生坍塌，若上部圍巖覆蓋厚度不夠，則會(huì)對地表產(chǎn)生一定的影響。因此，應(yīng)進(jìn)行TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)一步明確圍巖情況。

(3)加強(qiáng)隧道開挖過程中的監(jiān)測。隧道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對塔基礎(chǔ)沉降、水平位移以及傾斜的監(jiān)測。