楊雄

(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司,重慶 400065)

1 概述

隨著我國高速地鐵建設(shè)工程快速發(fā)展,隧道在開挖和施工下貫通既有的現(xiàn)象越來越多[1-6]。余德強(qiáng)等[7]認(rèn)為通過對(duì)淺埋式隧道下部的穿越式壓力鐵塔在注漿后的加固效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析,認(rèn)為這種措施在加固后的作用是能夠確保隧道和鋼筋鐵塔的安全；但是針對(duì)地鐵在地下隧道工程開挖時(shí)對(duì)地下隧道下穿高壓鐵塔結(jié)構(gòu)造物影響方面的問題研究相對(duì)較少,因此,此次進(jìn)行隧道開挖對(duì)地表高壓鐵塔影響的數(shù)值模擬研究是十分有意義的。

本文主要結(jié)合了重慶軌道交通10 號(hào)線隧道下穿高壓鐵塔的設(shè)計(jì)與工程案例,研究了地鐵隧道在不同的位置下穿高壓鐵塔時(shí)高壓鐵塔的位移變化規(guī)律,保證了高壓鐵塔穩(wěn)定性具有重要的參考意義。

2 工程概況

重慶軌道交通十號(hào)線蘭花湖停車場的出入段線為區(qū)間大隧道,原區(qū)間長度約為1715. 09m,出入段線的起始里程部分上跨蘭花路站- 南湖站區(qū)間大里程段,蘭花路停車場的出入段線的起始里程部分均由蘭南區(qū)間建設(shè)；同時(shí)由于區(qū)間臨近終點(diǎn)的里程有一部分設(shè)置位于蘭花湖停車場,且該站的停車位部分已經(jīng)進(jìn)行了明挖,故該區(qū)間的明挖路段由蘭花湖停車場代為共建,蘭花湖停車場進(jìn)出口的區(qū)間線為暗挖地段的區(qū)間性隧道,起止里程為ZCK0+4002CK1+426.086、全長1026.086m。本區(qū)間隧道拱頂埋深5.7～19m,為單洞單線隧道。隧道正上方分布一座110kv 高壓鐵塔(金泥5),如圖2所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理設(shè)計(jì),采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu),鉆爆法施工區(qū)間位于城市和郊外的市政大街下方,隧道埋深約為21m。受運(yùn)輸線路情況與地質(zhì)環(huán)境等因素影響,區(qū)間采用了暗挖法施工,暗挖結(jié)構(gòu)采用馬蹄形復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。沿線地質(zhì)主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖,局部分布有深回填土,填土最大厚度約為12m。本工程主要的難點(diǎn)為:由于回填土工程地質(zhì)條件較差,下穿深回填區(qū)對(duì)工程本身和周邊環(huán)境帶來的危害。其地質(zhì)刨面圖,如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

3 隧道開挖模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

為了研究隧道開挖對(duì)地表高壓鐵塔影響,本文以重慶軌道交通十號(hào)線蘭花湖停車場出入段線區(qū)間隧道為背景,建立隧道模型,如圖1 所示。采用ABAQUS 軟件來完成計(jì)算,經(jīng)地質(zhì)勘察和超前探測,鐵塔樁底與隧道頂最小距離約為15m,隧道內(nèi)徑約為5m、高度約為8m,隧道中心埋深為27m,根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》可知,此隧道為深埋。選取有限元模型尺寸為50m×30m×30m,高壓鐵塔為自立式鋼塔,高度為15m,根開為3.5m,鐵塔基礎(chǔ)為方柱形,埋深4.0m。具體模型如圖2 所示。

圖2 隧道下穿高壓鐵塔模型示意圖

3.2 參數(shù)選擇

隧道和圍巖采用二維實(shí)體單元,將高壓鐵塔各桿件簡化為梁結(jié)構(gòu),采用梁單元,塔基采用樁單元,計(jì)算中采用了摩爾- 庫倫準(zhǔn)則[9]。結(jié)合實(shí)際的工程地質(zhì)背景,選擇Ⅳ級(jí)圍巖,其具體參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算模型參數(shù)

4 隧道開挖下穿通信鐵塔位移影響分析

4.1 模擬工況

為了更加真實(shí)有效的對(duì)地鐵隧道開挖下穿通信鐵塔位移進(jìn)行影響分析,將對(duì)隧道不同位置處下穿通信鐵塔時(shí)對(duì)鐵塔的位移進(jìn)行研究,因此將工況分為以下三種:(1)隧道處于高壓鐵塔正下方時(shí),通信鐵塔的位移變化研究；(2)隧道與中軸線夾角為45°位置通信鐵塔的位移變化研究；(3)隧道與中軸線夾角60°位置通信鐵塔的位移變化研究,如圖3 所示。以鐵塔1、2、3、4 號(hào)頂點(diǎn)為監(jiān)測點(diǎn),如圖4 所示。

圖3 隧道偏離鐵塔中軸線不同角度時(shí)的計(jì)算模型

圖4 鐵塔模型檢測點(diǎn)位置示意圖

4.2 隧道處于高壓鐵塔正下方的位移變化影響分析

通過分析高壓鐵塔的四個(gè)塔腳點(diǎn)的沉降位移,曲線結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 所示可知,隨著開挖的進(jìn)行,高壓鐵塔的每個(gè)塔腳點(diǎn)沉降量都會(huì)不斷地增大,當(dāng)隧道開挖面通過塔腳點(diǎn)3、4 平面以后,各塔腳點(diǎn)沉降位移均達(dá)到最大,分別為11.88、11.98、11.56、11.55mm,沉降差較小。

圖5 鐵塔位移及傾斜率隨分析步的變化曲線

隨著隧道開挖的進(jìn)行,鐵塔傾斜率隨隧道開挖逐漸增大,在開挖至鐵塔中心平面時(shí)達(dá)到最大值,表明此時(shí)鐵塔受隧道開挖影響最為顯著。受對(duì)稱性影響,當(dāng)隧道開挖面通過塔腳點(diǎn)3、4 平面以后,該位置處鐵塔傾斜率基本為零,表明此處受隧道開挖影響較小。

4.3 隧道與中軸線夾角為45°位置通信鐵塔的位移變化影響分析

為了分析隧道與中軸線夾角為45°位置通信鐵塔的位移變化,將對(duì)高壓鐵塔的四個(gè)塔腳點(diǎn)的沉降位移進(jìn)行分析。曲線結(jié)果如圖6 所示。

圖6 鐵塔位移隨及傾斜率隨分析步變化曲線

由圖6 所示可知, 當(dāng)隧道開挖地面通過塔腳點(diǎn)3、4 平面以后,1、3 塔腳點(diǎn)的沉降位移均可以達(dá)到最大,分別為8.65mm、8.75mm,沉降差較小。

4.4 隧道與中軸線夾角為60°位置通信鐵塔的位移變化影響分析

為了分析隧道與中軸線夾角為60°位置通信鐵塔的位移變化,將對(duì)高壓鐵塔的四個(gè)塔腳點(diǎn)的沉降位移進(jìn)行分析。曲線結(jié)果如圖7 所示。

圖7 鐵塔位移隨及傾斜率隨分析步變化曲線

由圖7 可知,當(dāng)隧道開挖面通過塔腳點(diǎn)3、4 平面以后,1、3 塔腳點(diǎn)沉降位移均達(dá)到最大,分別為5.65mm、5.75mm,沉降差較小。

通過對(duì)比三組工況的沉降量及傾斜率,再根據(jù)通信鐵塔工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9],鐵塔傾斜率允許值0.00087。當(dāng)隧道開挖位于高壓鐵塔正下方時(shí),傾斜率最大為0.0015,因此在本次地鐵隧道在該區(qū)域下穿鐵塔時(shí),施工風(fēng)險(xiǎn)較高,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)論

本文以重慶軌道交通10 號(hào)線地鐵隧道開挖下穿通信鐵塔工程為依托,對(duì)隧道開挖施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,主要得到以下結(jié)論:

5.1 當(dāng)隧道開挖位于高壓鐵塔正下方時(shí),各塔腳點(diǎn)沉降位移均隨隧道開挖不斷增大,隧道開挖至鐵塔中心平面附近時(shí),各塔基位移變化及鐵塔傾斜率變化均達(dá)到最大。

5.2 當(dāng)隧道開挖與高壓鐵塔中軸線夾角為45°與60°時(shí),開挖過程中塔腳點(diǎn)1 首先開始下沉,隧道開挖至鐵塔中心平面附近時(shí),塔腳點(diǎn)1 位移變化及鐵塔傾斜率變化均達(dá)到最大,塔腳點(diǎn)3 開始發(fā)生沉降。但距開挖面較遠(yuǎn)的塔腳點(diǎn)2、4 變化并不明顯,說明鐵塔受影響程度與開挖面距塔腳點(diǎn)的距離成反比關(guān)系。

5.3 綜合考慮鐵塔沉降及傾斜率,當(dāng)隧道開挖位于高壓鐵塔正下方時(shí),鐵塔受影響的程度最大,因此在本次地鐵隧道在該區(qū)域下穿鐵塔時(shí),施工風(fēng)險(xiǎn)較高,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。