谷任國(guó)，朱奕曜，房營(yíng)光

華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市交通擁堵問題日漸突出，將交通線路建在地表以下，以充分利用城市空間，進(jìn)而解決交通擁堵這一城市病無(wú)疑是有效且可行的方法。但在建筑物密集的城市中開挖地下隧道將不可避免地造成隧道周圍土體擾動(dòng)[1-2]，進(jìn)而影響地表既有的建筑物。當(dāng)土體擾動(dòng)過大時(shí)，將極大影響既有建筑物的的安全[3]。因此，通過數(shù)值模擬的方法，研究隧道開挖對(duì)既有建筑物的影響，并根據(jù)影響的程度采取必要的防護(hù)措施變得尤為重要。

數(shù)值模擬在工程建設(shè)中早已被廣泛應(yīng)用[4-10]，也有眾多學(xué)者將其應(yīng)用在隧道施工對(duì)地表既有建筑物影響研究上。陳仁朋等[11]通過數(shù)值模擬和系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)研究了建筑物與地層變形相互作用規(guī)律；陶永虎[12]運(yùn)用有限差分的方法，模擬了暗挖隧道下穿既有火車站站場(chǎng)施工過程，并對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)估；曹伍富等[13]研究了地鐵下穿既有建筑物對(duì)其基礎(chǔ)的影響和地表的沉降規(guī)律，并認(rèn)為隔離樁在控制基礎(chǔ)變形中起到關(guān)鍵作用；除地表建筑之外，眾多學(xué)者[14-18]也研究了隧道施工對(duì)既有地鐵站、隧道、地下管廊等地下建筑的影響。雖然目前關(guān)于隧道開挖對(duì)既有建筑物的影響已開展大量研究，但關(guān)于下穿既有高壓電塔等高聳建筑物的研究卻十分匱乏。

基于此，本文結(jié)合廣州某隧道施工對(duì)既有高壓電塔影響的工程實(shí)例，探討隧道施工對(duì)既有高聳建筑物的影響，為類似工程建設(shè)提供參考。同時(shí)鑒于壓力艙內(nèi)土壓的設(shè)定對(duì)盾構(gòu)機(jī)的工作及土體的擾動(dòng)影響都很大，故本次研究考慮了極限狀態(tài)下開挖面無(wú)平衡壓力的危險(xiǎn)情況，對(duì)在相同條件下開挖面有無(wú)平衡壓力時(shí)對(duì)既有電塔的影響情況進(jìn)行對(duì)比，以此為相關(guān)防護(hù)措施提供參考依據(jù)，同時(shí)也為相關(guān)隧道下穿既有筑物的工程提供借鑒。

1 工程概況

根據(jù)已有設(shè)計(jì)資料，隧道是外徑為8.8 m 的雙洞單線盾構(gòu)隧道，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。電塔塔腳與隧道最近水平距離為2.52 m，垂直距離為43.4 m，如圖1 所示。由于塔腳與隧道距離較小，盾構(gòu)施工過程可能會(huì)影響塔獨(dú)基穩(wěn)定，從而影響電塔安全，因此需要評(píng)估隧道施工對(duì)電塔的影響。電塔塔高45 m，為220J2-27 型轉(zhuǎn)角桿塔，該塔與后方相鄰電塔代表檔距為234 m，與前方相鄰電塔代表檔距為379 m，塔基為淺基礎(chǔ)。塔身設(shè)計(jì)圖見圖2。塔地基土主要為素填土、全風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖、中風(fēng)化二長(zhǎng)花崗巖。

圖1 電塔與盾構(gòu)隧道位置關(guān)系

圖2 塔身結(jié)構(gòu)

2 建模方法

2.1 三維有限元分析模型

本次采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行建模分析。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及周邊場(chǎng)地情況，所建模型如圖3 所示，其中頂面為自由面，即塔所在的面為自由面，其余面施加法向約束。

圖3 三維有限元模型

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)取值

各地層的計(jì)算參數(shù)取值主要依據(jù)工程地質(zhì)勘察資料確定，電塔基礎(chǔ)材料參數(shù)按C15 混凝土進(jìn)行設(shè)定，由于電塔較早建造，因此將塔基剛度折減10%。由于縱橫接頭作用，盾構(gòu)管片剛度折減30%。巖土本構(gòu)模型為修正劍橋模型和摩爾庫(kù)倫模型，盾構(gòu)管片、塔基等本構(gòu)模型取線彈性模型，見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

三維有限元計(jì)算分析工況見表2。圖4 為模擬施工工況示意圖。

表2 計(jì)算工況表

圖4 施工工況示意

2.4 計(jì)算荷載

為方便研究，如圖5 將塔身分為7 段，并分別計(jì)算每段塔身等效風(fēng)載集中力和橫擔(dān)風(fēng)載。表3 為塔身風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果。塔與塔間導(dǎo)線為2×LGJ630/45 型鋼芯鋁絞線，地線為L(zhǎng)GJ-95/55 型鋼芯鋁絞線。各級(jí)導(dǎo)線、地線風(fēng)荷載見表4。各級(jí)導(dǎo)線、地線張拉力見表5。當(dāng)電塔間檔距發(fā)生變化時(shí)，檔內(nèi)線路應(yīng)力可根據(jù)《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》[19]計(jì)算，表6 為盾構(gòu)開挖面無(wú)平衡壓力的計(jì)算結(jié)果，表7 為盾構(gòu)開挖面有平衡壓力的計(jì)算結(jié)果。

圖5 塔身結(jié)構(gòu)示意

表3 塔身風(fēng)載值

表4 導(dǎo)線、地線風(fēng)載值

表5 導(dǎo)線、地線張拉力N

表6 盾構(gòu)開挖面無(wú)平衡壓力檔距變化時(shí)檔內(nèi)張拉力計(jì)算

表7 盾構(gòu)開挖面有平衡壓力檔距變化時(shí)檔內(nèi)張拉力計(jì)算

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 盾構(gòu)施工開挖面有平衡壓力情況下計(jì)算結(jié)果

3.1.1 塔基變形及其安全性驗(yàn)算

圖6 為塔基總位移云圖。在考慮塔身自重及輸電線重力后，塔基頂總作用力計(jì)算結(jié)果見表8。

圖6 塔基總位移云圖

表8 塔基頂總作用力計(jì)算

根據(jù)《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5 219-2014)[20]4.3 節(jié)，驗(yàn)算塔基的上拔穩(wěn)定性，均滿足要求。根據(jù)《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5 219-2014)[20]5.1 節(jié)，驗(yàn)算電塔持力層承載力。各獨(dú)立基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算結(jié)果見表9。其中G為基礎(chǔ)及回填土重，e為偏心荷載的偏心距，γrf為地基承載力調(diào)整系數(shù)，P為基底平壓力設(shè)計(jì)值，由于計(jì)算結(jié)果均滿足γrfP≤fa、γrfPmax≤1.2fa，故地基承載力滿足驗(yàn)算要求。均圧力設(shè)計(jì)值，Pmax、Pmin分別為基底最大及最小

表9 地基承載力驗(yàn)算

3.1.2 地基變形及其安全性驗(yàn)算

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，最終塔基位移極值見表10。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)[21]5.3.4 條和《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5 219-2014)[20]5.3.1 條，所研究電塔塔高約45 m，故基礎(chǔ)傾斜允許值為0.006，基礎(chǔ)沉降允許值為400 mm。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，電塔塔基最大沉降量為1.79 mm，電塔塔基最大傾斜為1×10-4，故電塔塔基變形在容許范圍內(nèi)。

表10 塔基位移極值

3.1.3 塔身傾斜度及其安全性驗(yàn)算

圖7 為電塔總位移云圖。

圖7 高壓電塔總位移云圖

其中總位移增量為5.97 mm，x方向位移增量為0.90 mm，y方向位移增量為-5.87 mm，z方向位移增量為-1.22 mm，x方向傾斜0.002%，y方向傾斜0.013%(豎向位移為負(fù)表示產(chǎn)生沉降)。根據(jù)《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》(DL/T-741-2010)[22]5.1.2 條，桿塔的傾斜、桿(塔)頂撓度、橫擔(dān)的歪斜程度不應(yīng)超過規(guī)定值。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，電塔塔身x方向傾斜度為0.002%(＜0.5%)，y方向傾斜度為0.013%(＜0.5%)，故塔身變形能滿足要求。

3.2 盾構(gòu)施工開挖面無(wú)平衡壓力情況下計(jì)算結(jié)果

盾構(gòu)施工過程中開挖面的穩(wěn)定極其重要，給開挖面設(shè)置一定的平衡壓力是控制開挖面穩(wěn)定進(jìn)而控制地表沉降的有效方法[23]。當(dāng)給盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)設(shè)置的土壓越小，越能降低盾構(gòu)掘進(jìn)扭矩和推力，越能提高掘進(jìn)速度，從而降低土體對(duì)刀具的磨損，以最大限度地降低掘進(jìn)成本[24]。故在盾構(gòu)施工中，有可能因?yàn)樵O(shè)置的土壓過小而造成開挖面不穩(wěn)定和地表沉降過大，因此需分析開挖面無(wú)平衡壓力時(shí)極限狀態(tài)危險(xiǎn)情況下盾構(gòu)隧道施工對(duì)電塔的影響。

3.2.1 塔基變形及其安全性驗(yàn)算

圖8 為盾構(gòu)施工開挖面無(wú)平衡壓力危險(xiǎn)情況模擬塔基總位移云圖。在考慮塔身自重及輸電線重力后，塔基頂總作用力計(jì)算結(jié)果見表11。根據(jù)《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5 219-2014)[20]4.3 節(jié)，驗(yàn)算塔基的上拔穩(wěn)定性。各獨(dú)立基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算結(jié)果見表12。由于計(jì)算結(jié)果均滿足γrfP≤fa、γrf Pmax≤1.2fa，故地基承載力滿足驗(yàn)算要求。

表11 塔基頂總作用力計(jì)算

表12 地基承載力驗(yàn)算

圖8 無(wú)平衡壓力下模擬塔基總位移云圖

3.2.2 地基變形及其安全性驗(yàn)算

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，最終塔基位移極值見表13。由模擬計(jì)算結(jié)果可得，電塔塔基最大沉降量為2.27 mm，電塔塔基最大傾斜為2×10-4，故在盾構(gòu)施工開挖面無(wú)平衡壓力情況下，塔基變形能滿足要求。

表13 塔基位移極值

3.2.3 塔身傾斜度及其安全性驗(yàn)算

圖9 為無(wú)平衡壓力危險(xiǎn)情況模擬電塔總位移云圖。其中總位移增量為6.86 mm，x方向位移增量為1.41 mm，y方向位移增量為-6.71 mm，z方向位移增量為-1.60 mm，x方向傾斜0.003%，y方向傾斜0.015%(豎向位移為負(fù)表示產(chǎn)生沉降)。

圖9 無(wú)平衡壓力下模擬高壓電塔總位移云圖

由計(jì)算結(jié)果可知，電塔塔身x方向傾斜度為0.003%(＜0.5%)，y方向傾斜度為0.015%(＜0.5%)，故塔身變形能滿足要求。

3.3 開挖面有無(wú)平衡壓力情況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

前述開挖面有無(wú)平衡壓力2 種情況下計(jì)算得到的關(guān)鍵驗(yàn)算指標(biāo)對(duì)比如表14。

表14 挖面有無(wú)平衡壓力情況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過模擬計(jì)算的對(duì)比，在無(wú)平衡壓力情況下計(jì)算得到的電塔塔身傾斜、塔基傾斜、塔基沉降及地基變形比開挖面有平衡壓力情況均有不同程度的增長(zhǎng)。當(dāng)盾構(gòu)隧道向前掘進(jìn)時(shí)，由于開挖面原有的應(yīng)力得到釋放，土體因應(yīng)力松弛將不可避免地造成地層損失，地表也因土體的擾動(dòng)而發(fā)生沉降。隧道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力釋放越大，則周圍土體擾動(dòng)程度越大，地表建筑物受影響的程度越明顯[25]。故當(dāng)開挖面無(wú)壓力平衡時(shí)，地基、塔基及塔體受影響情況相較于開挖面有平衡壓力時(shí)均有不同程度的增長(zhǎng)。

當(dāng)盾構(gòu)隧道施工時(shí)，在盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)設(shè)定一定的土壓可平衡開挖面的應(yīng)力釋放，進(jìn)而控制隧道周圍土體的擾動(dòng)程度，以減小對(duì)地表建筑物的影響。壓力艙內(nèi)土壓的設(shè)定對(duì)盾構(gòu)機(jī)的工作及土體的擾動(dòng)影響都很大，當(dāng)壓力艙內(nèi)設(shè)定的土壓過小時(shí)，地表易發(fā)生過大沉降；而當(dāng)設(shè)定的土壓過大時(shí)，則開挖面易因應(yīng)力過于集中使地表隆起，同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)扭矩和推力會(huì)增大，掘進(jìn)速度變小，土體對(duì)刀具的磨損程度加大，也增加了掘進(jìn)成本。故建議在建議施工過程中要保證開挖面正常平衡壓力，以控制開挖面變形和地表沉降，進(jìn)而保障地表既有電塔的安全。

4 結(jié)論

根據(jù)工程實(shí)際和具體設(shè)計(jì)資料，結(jié)合廣州市某地下軌道施工的實(shí)例，建立有限元模型，分析隧道開挖對(duì)既有電塔的影響，并對(duì)相關(guān)安全指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，得到以下結(jié)論：

1)在開挖面有無(wú)平衡壓力情況下，模擬計(jì)算得到的電塔塔身傾斜、塔基沉降、塔基上拔穩(wěn)定、地基承載力及地基變形參數(shù)，經(jīng)驗(yàn)算后均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

2)開挖面無(wú)平衡壓力情況下計(jì)算得到的電塔塔身傾斜、塔基傾斜、塔基沉降及地基變形比開挖面有平衡壓力情況均有不同程度的增長(zhǎng)，其中塔身傾斜漲幅15.38%、塔基最大傾斜漲幅100%、塔基最大沉降值漲幅26.82%，建議施工過程中要保證開挖面正常平衡壓力，以控制開挖面變形和地表沉降。

3)開挖面無(wú)平衡壓力時(shí)為隧道開挖對(duì)電塔影響的極限狀態(tài)，通過對(duì)比開挖面有無(wú)平衡壓力情況對(duì)施工過程的影響幅度，可針對(duì)性地選取適合的土倉(cāng)內(nèi)平衡壓力，以最大限度地降低掘進(jìn)成本。有無(wú)平衡壓力情況下數(shù)值模擬對(duì)比分析的方法可為相關(guān)工程提供參考。

本文雖然研究了開挖面有無(wú)平衡壓力下盾構(gòu)施工對(duì)既有電塔的影響，但沒有具體分析開挖面平衡壓力取值不同時(shí)電塔所受影響的情況，期望在以后的工作中具體探討該問題，從而為相關(guān)實(shí)踐提供參考。