摘 要：本文依托簡(jiǎn)州新城電力隧道工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)淺埋電力隧道淺埋暗挖法施工地表沉降及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，在設(shè)置超前支護(hù)后，地表沉降總體不大，最大值在中心拱頂截面處，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降最大值為19.602mm，控制效果沉降值在無(wú)超前支護(hù)的52％左右，拱底隆起最大值為19.588mm，大應(yīng)力值集中在隧道拱腳處，為12.470MPa，減少了16.8％，同時(shí)錨桿系統(tǒng)發(fā)揮作用明顯，最大軸力在拱頂處，為444.811kN，減少了19.7%，對(duì)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，拱頂沉降、周邊收斂和數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律基本一致，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：電力隧道；淺埋暗挖法；數(shù)值模擬；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U 45 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電力隧道作為一種純綠色環(huán)保的新型送電方式，與傳統(tǒng)公路隧道和鐵路隧道相比，其斷面形式相對(duì)較小，在施工過程中有不同的特點(diǎn)。目前，城市電力隧道主要采用頂管法、明挖法和淺埋暗挖法進(jìn)行施工。明挖法的特點(diǎn)是造價(jià)低，但受地形約束較大，頂管法工藝先進(jìn)，但在砂性地層和富水地層施工困難，排水效果不佳。淺埋暗挖法重在發(fā)揮圍巖自身的自承能力，對(duì)地層要求不高且適應(yīng)性強(qiáng)，不僅能保障隧道施工安全還能防止后期運(yùn)營(yíng)災(zāi)害發(fā)生，在電力隧道建設(shè)中能起到不可替代的作用[1]。同時(shí)，保證電力隧道淺埋暗挖施工穩(wěn)定性成為目前研究的關(guān)鍵問題。

很多學(xué)者對(duì)電力隧道建設(shè)進(jìn)行了相關(guān)研究。周超[2]在鄭州地鐵電力隧道工程中提出采用格柵鋼架加鎖腳錨桿的支護(hù)方式，并用有限元進(jìn)行了驗(yàn)證。王園棟等[3]對(duì)雙慶路電力隧道淺埋暗挖法施工拱頂沉降規(guī)律和地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，提出了施工建議。本文針對(duì)目前電力隧道施工特點(diǎn)，通過模擬隧道開挖和支護(hù)過程，探究了電力隧道暗挖施工支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性，為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

本次電力隧道工程場(chǎng)址位于簡(jiǎn)州新城城區(qū)，線路全長(zhǎng)9554m，分為A、B、C段。其中，A段電力隧道起于陽(yáng)安大道與漣江大道的相交處，止于110kV牽引所，長(zhǎng)2620m；B段電力隧道起于成簡(jiǎn)快速路與方家林大道交匯處南側(cè)150m，經(jīng)方家林大道，最終至方家林大道與蜀都大道東延線交匯處南側(cè)130線路長(zhǎng)3484m；C段電力隧道起于成簡(jiǎn)快速路與陽(yáng)安大道交匯處南側(cè)320m，經(jīng)陽(yáng)安大道、石養(yǎng)路，最終分別至長(zhǎng)嶺110kV變電站/A段電力隧道，線路長(zhǎng)3450m。

本工程位于龍泉山東麓，四川盆地簡(jiǎn)陽(yáng)市西南部，區(qū)內(nèi)以淺丘寬谷地貌為主，B段地層巖性條件為破碎砂巖地層，有少量上覆碎石雜填土，該區(qū)段地下水水位埋深為0.5m～3.5m，水量分布不均，受大氣降水及人類耕種活動(dòng)影響較大。該段隧道尺寸為2.5m×3.0m，初支采用I16型鋼鋼架，間距為0.4m，雙層鋼筋網(wǎng)尺寸為15cm×15cm，二襯采用C40模筑混凝土。該段施工的難點(diǎn)為該區(qū)域?yàn)檐浫醯貙?，地下水、裂隙水豐富，開挖時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制沉降和變形。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

本文研究的電力隧道斷面埋深為20m，將地表簡(jiǎn)化為平面，根據(jù)圣維南原理，隧道開挖對(duì)周圍土體的擾動(dòng)范圍是橫截面積的3～5倍洞徑，本模型尺寸為50m×15m×50m（長(zhǎng)×寬×高）。隧道拱頂距地表20m，碎石雜填土厚度為5m，用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)和超前小導(dǎo)管用彈性本構(gòu)模擬，模型如圖1所示。

2.2 模型單元及材料參數(shù)

本次數(shù)值分析假定圍巖為各向同性材料，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)，管棚、小導(dǎo)管加固區(qū)以及襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模擬，初期支護(hù)采用板單元模擬，超前小導(dǎo)管采用1D植入式桁架結(jié)構(gòu)模擬。為了方便建模，本文將鋼拱架與噴射混凝土看作一個(gè)整體，彈性模量換算公式和注漿加固范圍的等效彈模值換算過程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

E3=ρE4+（1-ρ）EW " " " （2）

式中：E為小導(dǎo)管注漿后的彈性模量等效值；E1、E2為注漿漿液、小導(dǎo)管本身的彈模值；I1、I2為注漿漿液、小導(dǎo)管本身的慣性矩；E3為注漿加固范圍內(nèi)彈性模量等效值；Ew為注漿漿液、隧道圍巖彈性模量。本次電力隧道功臣圍巖主要包括碎石雜填土和破碎砂巖，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式確定數(shù)值模擬的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

2.3 施工步驟模擬

本次電力隧道工程采用臺(tái)階法進(jìn)行開挖，上臺(tái)階須超前2.5m～3m，每次進(jìn)尺0.5m，開挖后立即噴5cm～8cm混凝土，對(duì)工作面進(jìn)行封閉，安裝工字鋼拱架、連接筋、鋼筋網(wǎng)片，并打設(shè)小導(dǎo)管超前支護(hù)。應(yīng)在上臺(tái)階的初期支護(hù)基本穩(wěn)定且進(jìn)尺5m后開挖中臺(tái)階，并認(rèn)真加固拱腳支護(hù)，使上部施工支護(hù)與圍巖形成完整的體系，中臺(tái)階開挖完成后，按照上臺(tái)階工序進(jìn)行支護(hù)，并在兩側(cè)拱腳打設(shè)鎖腳錨桿。待中、上兩個(gè)臺(tái)階的初期支護(hù)基本穩(wěn)定且循環(huán)進(jìn)尺5m以上，開挖底臺(tái)階完成仰拱，初支封閉成環(huán)。

3 結(jié)果分析

3.1 地表沉降分析

提取兩種工況地表沉降云圖（圖2），從圖2中可以看出，在隧道開挖支護(hù)過程中，電力隧道施工影響范圍由隧道中心處逐步往周邊區(qū)域擴(kuò)大，由于電力隧道截面較小，整體地表沉降量不大，因此最大值在中心拱頂截面處，且隨著隧道開挖逐漸變大，未施加超前支護(hù)情況下的最大地表區(qū)域沉降量為1.182mm～5.46mm，施加超前支護(hù)加固后地表區(qū)域沉降量為0.785mm～3.542mm，將地表沉降量控制在未施加超前支護(hù)工況的60％左右?？梢缘贸龀爸ёo(hù)對(duì)減少地表沉降有著重要作用。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

提取兩種工況初支變形云圖，如圖3所示。由圖3可以看出，電力隧道開挖完成后初支整體發(fā)生變形，沉降最大處在拱頂位置，最大值為12.638mm，施加超前支護(hù)加固后拱頂沉降最大值減至6.602mm，將效果沉降值控制在無(wú)超前支護(hù)的52％左右。同時(shí)，仰拱有較大隆起，兩種工況下最大隆起量分別為19.656mm和19.588mm，在施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。超前支護(hù)施作后的整體上部結(jié)構(gòu)變形量減少，水平變形最大值從拱腰處變?yōu)楣澳_處，支護(hù)變形區(qū)域水平變形為+4.504mm～-4.396mm，超前支護(hù)施作后支護(hù)變形區(qū)域水平變形為+3.942mm～-3.172mm，控制效果整體變形為無(wú)超前支護(hù)的72％左右，整體橫向變形不大?？梢缘贸龀爸ёo(hù)對(duì)減少拱頂沉降有著顯著作用，在施工中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，尤其是拱頂沉降和拱底隆起，防止因結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

隧道開挖完成后，隧道所受的最大主應(yīng)力分布和錨桿軸力分布如圖4和圖5所示。超前支護(hù)施作前后隧道最大應(yīng)力分布規(guī)律不同，未施作超前支護(hù)時(shí)最大主應(yīng)力主要集中上部結(jié)構(gòu)拱頂附近，最大值為14.993MPa。超前支護(hù)加固后，隧道上部結(jié)構(gòu)由受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，最大主應(yīng)力位置從拱頂變?yōu)楣澳_，最大值為12.470MPa，減少約16.8%。未施作超前支護(hù)情況下大多數(shù)錨桿軸力較小，最大軸力在拱頂位置，為554.146kN，超前支護(hù)加固后，大多數(shù)錨桿發(fā)揮了作用，處于受拉狀態(tài)，最大軸力在拱頂位置，為444.811kN，減少了19.7%。因此，超前支護(hù)施作后電力隧道開挖錨桿作用明顯，在施工中應(yīng)該注意拱頂和拱腳位置處的應(yīng)力變化。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

針對(duì)簡(jiǎn)州新城電力隧道工程特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況重點(diǎn)監(jiān)控隧道內(nèi)變形數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)范在隧道兩個(gè)斷面掌子面布置監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)拱頂沉降結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示。

當(dāng)隧道開挖至監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，拱頂沉降呈遞增趨勢(shì)，前期增長(zhǎng)速度快后期增長(zhǎng)速度變慢后趨于穩(wěn)定，數(shù)值模擬在對(duì)應(yīng)臺(tái)階開挖后的支護(hù)階段拱頂沉降改變較小，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)則是持續(xù)增加，標(biāo)段一斷面模型的最大變形量為6.602mm，監(jiān)控量測(cè)最大變形量為6.65mm，標(biāo)段二斷面模型的最大變形量為5.63mm，監(jiān)控量測(cè)最大變形量為5.93mm，在規(guī)范允許的變形范圍內(nèi)，說明本次處置效果非常有效。整體看現(xiàn)場(chǎng)拱頂沉降和周邊收斂比數(shù)值模擬結(jié)果偏大，可能是現(xiàn)場(chǎng)施工擾動(dòng)或支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致，但整體趨勢(shì)較為貼合且在誤差允許的范圍內(nèi)，說明數(shù)值模擬結(jié)果能較為準(zhǔn)確地反映圍巖和隧道變形情況，可為類似項(xiàng)目提供參考。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方式建立簡(jiǎn)州新城電力隧道工程相關(guān)模型，對(duì)地表沉降、圍巖位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力情況進(jìn)行研究，并得出以下結(jié)論。1）在隧道開挖支護(hù)過程中，電力隧道地表沉降量很少，最大值在中心拱頂截面處，隨著隧道開挖逐漸變大。電力隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形相對(duì)較大，在有超前支護(hù)的工況下，拱頂沉降最大值為19.602mm，將效果沉降值控制在無(wú)超前支護(hù)的52％左右，拱底隆起最大值為19.588mm，在施工中需要加強(qiáng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。2）在有無(wú)超前支護(hù)兩種工況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分布規(guī)律不同，超前支護(hù)加固后的最大應(yīng)力值集中在隧道拱腳處，為12.470MPa，同時(shí)錨桿系統(tǒng)發(fā)揮作用明顯，最大軸力在拱頂處為444.811kN，施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注拱頂和拱腳處隧道結(jié)構(gòu)受力。3）在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，并根據(jù)開挖進(jìn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)，可以得到監(jiān)控量測(cè)的拱頂沉降和周邊收斂和數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律基本一致，結(jié)果在誤差允許的范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求，證明數(shù)值模擬具有有效性，可為類似淺埋暗挖電力隧道工程的修建提供參考。

參考文獻(xiàn)

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