段軍朝 徐朝陽 何凱罡

(1.中建三局基礎設施建設投資有限公司,430064,武漢；2.中建三局集團有限公司,430064,武漢∥第一作者，高級工程師)

隨著我國各城市地鐵線網(wǎng)的不斷發(fā)展，其建設過程中會不可避免地穿越地面既有建(構)筑物，如輸電鐵塔等[1-2]。隧道掘進過程中對圍巖的擾動會造成既有電塔結構不均勻沉降與傾斜，嚴重時會導致電塔結構破壞、塔身大幅度傾斜甚至倒塌等情況[3]。為此，眾多學者對隧道穿越電塔的施工影響規(guī)律開展了相關研究。文獻[4]采用 FLAC3D軟件研究隧道爆破開挖對地面高壓鐵塔塔基的沉降及質點振動速度的影響規(guī)律，并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行了對比分析。文獻[5]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的方法，研究了重慶軌道交通4號線淺埋隧道開挖對地面高壓線鐵塔穩(wěn)定性的影響。文獻[6]通過數(shù)值方法模擬了盾構隧道穿越高壓電塔的施工過程，分析了渣土改良、洞內注漿和地面注漿加固措施對盾構隧道穿越建筑物的影響規(guī)律。文獻[7]以衢九鐵路某隧道工程為背景，通過二維彈塑性有限元模型分析了淺埋隧道CD(中隔壁)法施工對既有高壓鐵塔的影響，并對有無注漿加固兩種方案進行了模擬分析。文獻[8]采用FLAC3D軟件模擬了某條鐵路李家沖隧道側穿高壓電線塔時，圍巖注漿前后隧道拱頂沉降和塔基沉降的變化規(guī)律，并通過現(xiàn)場實測驗證了注漿加固方案的可行性。

已有研究大多針對大斷面礦山法隧道或盾構隧道穿越電塔施工，對于中等斷面且上覆有較厚黏土地層的礦山法隧道穿越電塔的影響研究較少。鑒于此，本文以成都地鐵6號線三期工程某礦山法區(qū)間隧道側穿電塔為例，通過數(shù)值模擬的方法對比分析隔離樁加固對隧道側穿電塔的影響規(guī)律，并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對加固效果進行評價。本文研究可為類似工程施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

成都地鐵6號線三期工程某隧道區(qū)間為雙洞單線形式，左線長472.3 m，右線長422.7 m，左線與右線隧道中軸線距離為15.2 m，采用復合式襯砌結構，上下兩臺階法開挖。隧道斷面為馬蹄形，最大開挖高度約為7.0 m，最大寬度為6.6 m，開挖面積約為38.1 m2，為中等斷面隧道，隧道埋深為6.4～16.0 m。區(qū)間隧道左線側穿一座35 kV輸電線路電塔，電塔高21.6 m，根開為4.3 m，基礎埋深為3.0 m，隧道左線外緣與基礎豎向凈距約為5.2 m，最小水平凈距約為3.1 m。側穿段隧道埋深約為8.2 m，區(qū)間隧道所處地層從上至下依次為雜填土、可塑黏土、軟塑黏土、強風化泥巖和中風化泥巖地層，其中可塑黏土與軟塑黏土厚度達到5.5 m，隧道圍巖綜合分級為V級。區(qū)間隧道與電塔的位置關系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與電塔的位置關系Fig.1 Relative location of interval tunnel and pylon

區(qū)間隧道在穿越35 kV輸電線路電塔前，沿隧道線路方向在電塔基礎(以下簡稱“塔基”)周邊施作單排鋼管隔離樁。隔離樁距塔基不小于2 m，采用長為7 m的φ108 mm熱軋無縫鋼花管，管中心間距為0.8 m，打設長度為10 m。鋼花管上鉆注漿孔，孔徑為10～16 mm，孔間距為113 mm，注漿孔呈梅花形布置。

2 數(shù)值計算模型及計算工況

2.1 基本假定

數(shù)值模擬采用FLAC3D有限差分軟件，巖土體采用摩爾-庫侖本構模型，隧道初期支護(以下簡稱“初支”)、電塔結構及基礎采用彈性模型。建模時，隧道初支、巖土體及塔基均采用實體單元模擬，電塔采用梁結構單元模擬。根據(jù)剛度等效原則，隧道初支采用統(tǒng)一的計算參數(shù)。電塔模型忽略風荷載作用，但考慮到電線的牽引力，通過在電塔特定節(jié)點處施加集中力的方式進行模擬。計算過程中，為了簡化鋼管隔離樁注漿加固過程，不考慮漿液的凝固過程。

2.2 三維數(shù)值計算模型

選取沿隧道掘進方向66 m，自隧道左、右線邊緣向兩側及下部各延伸20 m范圍內的巖土體建立三維數(shù)值計算模型(滿足至少3倍洞徑要求)，模型總體邊界尺寸為60.7 m(橫向)×66.0 m(縱向)×35.3 m(豎向)。模型上表面為自由面，底面施加豎向約束，前后和左右邊界各施加與之垂直的水平約束。區(qū)間隧道電塔三維數(shù)值計算模型如圖2所示。地層及建構筑物的主要物理力學參數(shù)如表1所示。

圖2 區(qū)間隧道電塔三維數(shù)值計算模型

表1 地層及建(構)筑物主要物理力學參數(shù)

2.3 施工過程模擬及計算工況

在隧道開挖前，首先考慮自重進行初始地應力平衡計算，然后將位移清零作為分析的初始狀態(tài)。該區(qū)間隧道采用上下臺階法施工，上臺階開挖步長為1 m，臺階長度為4 m；下臺階左右交替開挖，一次開挖步長為2 m，且左右兩側錯開4 m。根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，在上下臺階貫通后進行仰拱開挖。通過FISH語言編寫循環(huán)結構模擬礦山法開挖過程。開挖循環(huán)內容主要包括：① 開挖上臺階土體，施作上臺階初支；② 開挖左側(或右側)下臺階土體，施作左側(或右側)下臺階初支；③ 隧道上下臺階貫通后，逐步開挖仰拱土體，并逐步施作仰拱初支。

本次數(shù)值計算模擬采用右線在前、左線在后，兩條隧道平行開挖的方式，左、右線開挖面前后錯開6 m。本文共計算了兩種工況：未采取加固措施；采取鋼管隔離樁注漿加固措施。

3 計算結果分析

3.1 地面位移分析

左、右線隧道開挖完成時，兩種工況下電塔中心斷面處(T1與T3連線中點位置)地面位移變化曲線如圖3所示。由圖3可知，未采取加固措施時，雙線隧道貫通時地面沉降槽呈W形分布，地面位移峰值出現(xiàn)在左、右線隧道拱頂位置處，分別為13.30 mm與13.20 mm，均在監(jiān)測預警值范圍內。采取加固措施后的地面沉降槽與未加固時類似，差異主要出現(xiàn)在加固處兩側約6.00 m范圍內，隔離樁加固使地面沉降明顯減小，且減小量的最大值出現(xiàn)在隔離樁位置，為4.57 mm，相比于未加固時的9.75 mm，降低了約46.9%。

圖3 雙線隧道貫通后地面位移變化曲線

3.2 塔基豎向位移與傾斜分析

選取電塔4個腳點(其具體位置見圖1 a))，分析礦山法隧道掘進時的電塔位移變化規(guī)律。兩種工況下， T1—T4腳點隨隧道開挖的塔基豎向位移變化曲線如圖4所示。

圖4 兩種工況下的塔基豎向位移變化曲線

由圖4可知，隨著隧道不斷掘進，塔基豎向位移變化大致分為3個階段：① 基本保持不變，后出現(xiàn)略微隆起；② 出現(xiàn)明顯沉降，其變化速率表現(xiàn)出先快再穩(wěn)定最后變慢的特點；③ 塔基沉降變化趨于穩(wěn)定，數(shù)值變化較小。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，第1階段與第2階段的分界點出現(xiàn)在右線隧道距離電塔8 m左右的位置，第2階段與第3階段的分界點大致出現(xiàn)在左線掌子面通過電塔處。由此可以說明，在礦山法隧道側穿電塔時，當隧道掌子面進入電塔一側8 m范圍后，塔基開始出現(xiàn)明顯沉降，直至隧道掌子面穿越電塔后開始趨于穩(wěn)定。當隧道掌子面距離電塔超過8 m時，隧道掘進對塔基豎向位移的影響較小，可以忽略不計。

兩種工況下的塔基最終豎向位移如圖5所示。由圖5可知，塔基沉降大小關系表現(xiàn)為T1沉降量>T4沉降量>T2沉降量>T3沉降量，與T1—T4腳點距左線隧道距離遠近關系一致，即距離隧道越近，塔基沉降越大，但兩者之間并非呈線性關系。此外，從圖5中還可以發(fā)現(xiàn)，采取鋼管隔離樁加固對于塔基的沉降變化具有明顯的影響。兩種工況下，塔基的沉降變化規(guī)律基本一致，但加固后距離隧道較近一側塔基的最終沉降明顯降低，而較遠一側的塔基最終沉降略微變大。例如，采取加固措施后，相比于未加固時T1處的最終豎向位移(6.50 mm)，加固后T1處的最終豎向位移為4.82 mm，降低了1.68 mm；相比于未加固時T3處的最終豎向位移(0.55 mm)，加固后T3處的最終豎向位移為0.99 mm，僅增加了0.44 mm。

圖5 兩種工況下的塔基最終豎向位移

除電塔每個腳點處的基礎沉降變化規(guī)律外，塔基的不均勻沉降也是結構安全性分析的重要指標之一。根據(jù)圖4中各腳點處基礎沉降的變化規(guī)律可以看出，T1與T2腳點處的不均勻沉降差異較大，故選取這兩個腳點處的基礎沉降數(shù)據(jù)，繪制出兩種工況下的塔基豎向位移差變化曲線，如圖6所示。由圖6可知，隨著隧道掘進的變化，塔基豎向位移差也大致分為3個階段：① 基本保持不變；② 豎向位移差明顯變大，其變化速率表現(xiàn)出先加快然后穩(wěn)定最后變慢的特點；③ 豎向位移差變化趨于穩(wěn)定。采取鋼管隔離樁加固對于塔基的豎向位移差影響顯著，相比于未加固時的5.63 mm，加固后的塔基最終豎向位移差為3.62 mm，減少了約35.7%。

圖6 兩種工況下的塔基豎向位移差變化曲線

由于塔基的不均勻沉降，電塔發(fā)生了傾斜。 DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規(guī)定》中5.3.1條規(guī)定，塔基的最大傾斜率d應滿足地基變形允許值的要求，如表2所示。電塔傾斜率是指基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值。本工程中，T1與T2腳點處的不均勻沉降差異最大，兩者之間的距離為4.3 m，經過計算可獲得電塔的傾斜率變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，采取鋼管隔離樁加固對于電塔傾斜率的影響顯著，相比于未加固時的0.001 31，加固后的電塔最終傾斜率為0.000 84，減少了約35.8%，滿足相關規(guī)范要求。

表2 地基變形允許值Tab.2 Allowable deformation value of foundation

圖7 兩種工況下的電塔傾斜率變化曲線

3.3 電塔結構內力分析

3.3.1 電塔應力分布特點

為進一步研究礦山法隧道側穿施工對電塔結構受力的影響，對隧道施工前和隧道貫通后兩個時刻下的電塔結構內力進行分析。兩種工況下，隧道開挖前與貫通后的電塔結構軸應力云圖如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，兩種工況下，隧道開挖前與貫通后電塔主材均為受壓狀態(tài)，自上而下所受的軸應力越來越大，且左側主材的壓應力小于右側主材的壓應力。而斜材、隔材和輔材有的受拉，有的受壓。電塔的最大壓應力均出現(xiàn)在塔腿主材處，而最大拉應力則出現(xiàn)在塔腿附近的斜材或輔材處。

圖8 未加固時的電塔結構軸應力云圖截圖Fig.8 Screenshot of pylon structure axial stress nephogram without reinforcement

圖9 加固后的電塔結構軸應力云圖截圖

隧道貫通后，兩種工況下的電塔結構內力均有所增大。同一工況下，最大拉應力的增幅明顯大于最大壓應力。例如未加固時，兩者的增幅分別為332.0%和94.8%。加固后，在隧道開挖前，電塔結構的最大壓應力和最大拉應力分別增長了35.1%和14.0%；在隧道貫通后，電塔結構的最大壓應力和最大拉應力顯著降低，幅度分別為15.3%和47.7%。

3.3.2 塔腿應力分析

經上述分析可知，電塔的塔頭、塔身和塔腿三部分中以塔腿的應力最大，其中又以塔腿的主材和斜材受力最大，故單獨分析塔腿主材與斜材的受力情況。每個腳點處共有1個主材和2個斜材，將兩種工況及隧道開挖前與貫通后塔腿主材、斜材的軸應力及其變化量分別進行統(tǒng)計，如表3和表4所示。

表3 塔腿主材的軸應力及其增變化量

由表3可知，所有情況下，塔腿主材均為受壓狀態(tài)。未采取加固措施時，塔腿主材在隧道開挖前后均是靠近左線隧道一側的壓應力較大，且同一側的主材所受的壓應力相差較小。采取加固措施后，在隧道開挖前，塔腿主材遠離隧道一側受力較大；在隧道貫通后，塔腿主材靠近隧道一側受力較大。未采取加固措施時，每個塔腿主材的應力變化量相差不大，其數(shù)值基本為8.0～9.5 MPa；而采取加固措施后，靠近隧道一側的塔腿主材應力變化量變化較大，為8.6～9.4 MPa，遠離隧道一側的塔腿主材應力變化量較小，在1.0 MPa以內。由此說明，采取加固措施對于遠離隧道一側的塔腿應力變化有顯著影響，而對靠近隧道一側的塔腿應力影響較小。

表4 塔腿斜材的軸應力及其變化量

由表4可知：在隧道開挖前，無論是否采取加固措施，塔腿斜材均為受壓狀態(tài)；在隧道貫通后，塔腿斜材部分為受壓狀態(tài)，部分為受拉狀態(tài)?？傮w而言，同一工況下，相比于隧道開挖前，隧道貫通后不同位置處的塔腿斜材軸應力變化差異較大，其變化幅值為0.37～9.00 MPa。采取加固措施后，每個塔腿斜材的軸應力變化量均有所下降，且降幅大小不一，最大降幅能達到91.4%，而最小降幅僅有10.5%。

綜上所述，采取加固措施對于遠離隧道一側的塔腿主材軸應力變化影響顯著，也能有效降低塔腿斜材的軸應力變化幅值，最大降幅達到91.4%。可見隔離樁加固對于電塔結構的內力變化影響顯著。

4 加固實施效果評價

經上述模擬分析，現(xiàn)場決定采用鋼管隔離柱加固方案，嚴格控制現(xiàn)場施工過程，最終順利完成暗挖隧道側穿電塔施工。施工中對地面位移、塔基豎向位移、洞內拱頂沉降和水平收斂等進行了系統(tǒng)監(jiān)測，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)均在可控范圍內。為了進一步驗證計算結果的可靠性，繪制地面累計位移曲線，地面豎向位移計算值與監(jiān)測值對比如圖10所示。電塔塔基累計沉降計算值與監(jiān)測值對比如表5所示。

圖10 地面豎向位移計算值與監(jiān)測值對比

表5 電塔塔基累計沉降計算值與監(jiān)測值對比

由圖10及表5可以看出，監(jiān)測值與計算值相差較小，考慮到計算誤差等因素，可以認為兩者基本吻合，驗證了數(shù)值計算模擬的可靠性。同時，上述分析也表明了，采用鋼管隔離柱對軟弱地層進行加固可以保障暗挖隧道側穿電塔的施工安全，獲得較好的加固效果。

5 結論

1) 隧道穿越完成后，地面沉降槽呈W型分布，采取鋼管隔離樁加固后，加固區(qū)左右兩側6.00 m范圍內的地面沉降顯著降低，其他區(qū)域地表位移變化較小。

2) 隧道穿越完成后，靠近隧道一側的塔基沉降較大，遠離隧道一側的塔基沉降較小，由此會造成塔基的不均勻沉降與傾斜。采取鋼管隔離樁加固能夠顯著降低電塔傾斜及靠近隧道一側的塔基豎向位移，而遠離隧道一側的塔基豎向位移略微增大。

3) 隧道穿越過程中，電塔塔腿附近受力較大，其中塔腿主材受到的壓應力最大，塔腿附近斜材或輔材受到的拉應力最大。整體而言，鋼管隔離樁加固后，電塔結構的內力變化顯著降低，且隧道貫通后電塔塔腿處的內力明顯下降，對保障電塔結構的安全性與穩(wěn)定性起到了積極作用。