暗挖电力隧道下穿既有地道对地道和土层变形影响的数值模拟分析

姬永红 ，康金龙 ，袁 伟

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092；2.成都城建投资管理集团有限责任公司，成都 200063）

0 引言

随着城市化进程，电力电缆地下化成为城市发展的必然趋势，在城市中建设电力隧道，通常会面临穿越既有管线、构筑物的情况。进行电力隧道施工时，必然会引起土层的水平位移和竖向位移，而不均匀的土层位移会对地下管线和构筑物的安全产生影响。因此，本文针对一工程案例，研究隧道施工对竖向邻近构筑物的影响情况，为设计和施工提供科学支撑。

蜀都大道下穿电力隧道位于成都市蜀都大道东段，起点接一环路已建电力隧道，东至双桥子立交以东，全长约2.19 km。在暗挖段土体范围内存在着地下车道，雨水管和污水管等地下建筑物，开挖段环境复杂。尤其在下穿一环路车行地道处，与车行地道净距最小处仅为1.34 m，且此处下方远期规划地铁6号线。在开挖隧道前先在地下车道两侧4 m×4 m×10 m的土体用水泥和水玻璃双液型混合液压密注浆，采用超前小导管及22 m管棚注浆。对该工程采用数值模拟的方法,利用ABAQUS有限元软件[2],通过合理的简化和假设,建立“车行地道-土-电力隧道”的相互作用模型,研究电力隧道开挖对邻近车行地道及土体变形的影响，继而提出合理的施工建议。

1 数值模拟模型

1.1 模型简化假设条件

根据实际工程及地质勘测报告，模型简化假设条件如下：

（1）当模型横向及纵向长度大于隧道直径与隧道埋深两倍之和时，边界效应已基本消除[3]。因此，为减少边界效应对模型的影响，模型取为一个80 m（长）×50 m（宽）×22.5 m（高）的长方体。

（2）边界条件：模型底部约束住竖向及水平两个方向的位移，4个侧面约束住水平两个方向的位移。

（3）根据面积等效原则，将开挖的隧道取为一直径为4 m的圆形断面，隧道纵向水平，其上表面位于地表以下10.5 m处。已开挖且有一期支护的管道采用实心单元且用C30混凝土进行模拟。

（4）土层参数根据勘测报告，如表1所列。

表1 土层技术参数一览表

（5）初始地下水位位于地表下5 m处，井点降水后水位位于地表下15 m处。纵向（沿电力隧道方向）不考虑降水漏斗的影响，横向（沿车行地道方向）考虑降水漏斗的影响[4]。降水后的水力坡度为1/10～1/15，按对沉降最不利的情况，取为1/10。

（6）注浆体参数如表2所列。

表2 注浆体技术参数一览表

模型及其网格划分如图1、图2所示。

图1 计算模型

图2 网格划分示意图

两个注浆体在模型中的位置如图3所示。

图3 注浆体位置示意图

1.2 施工步骤模拟

电力隧道的施工流程为：降水、开挖、超前支护以及初衬和内衬[5]。为简化分析，假设已开挖电力隧道处于完工状态，分降水和开挖两个步骤进行数值模拟。

（1）施工前原状土体已固结完毕，因此在分析两个施工步骤之前，需平衡初始的应力，即让土体的初始位移为零，而保留土体的应力状况。

（2）降水。降水后的地下水位位于电力隧道底部以下0.5 m处。

（3）开挖隧道。考虑最不利情况，开挖位置到了地下车道的其中一个车道正下方，未支护开挖进尺设为1.0 m。其相互关系如图4所示。

2 计算结果及分析

2.1 土层的沉降分析

降水所引起的土层竖向位移云图如图5所示。

图4 第三工况模型中部截面示意图

图5 降水所引起的土层竖向位移云图

开挖引起的土体的竖向位移云图如图6所示。

图6 开挖所引起的土体竖向位移云图

将两个施工步骤进行结合，可得到整个施工过程会引起总的竖向位移云图，如图7所示。

图7 土体竖向总位移云图

2.2 计算结果

各施工步骤电力隧道中心线纵向，车行地道顶板顶高度处土体和车道的沉降如图8所示。

由图8计算结果可知：

（1）降水引起的地面沉降值达21 mm，开挖引起的地面沉降值不到1 mm，降水引起的地面沉降是其总沉降值的95.5%。

（2）降水引起的车行地道顶板处沉降值达11 mm，开挖引起的车行地道顶板处沉降值为1 mm，降水引起的车行地道顶板处沉降是其总沉降值的91.7%。

图8 行车地道顶板处沉降沿纵向距离变化曲线图

（3）电力隧道开挖面前方5倍开挖直径范围内的土体，由于开挖的扰动，会引起该土体的沉降，而在此范围外的土体则几乎不受影响。

（4）车行地道的最大沉降约为土体最大沉降的一半，这是由于地道空腔取代了一部分土体，降低地下水位时所引起的附加应力较小，从而沉降较小。

各施工步骤横向跨中，行车地道顶板处沉降如图9所示。

图9 车行地道顶板处沉降沿其纵向变化曲线图

根据降水漏斗的影响，车行地道纵向变形会引起不均匀沉降，从而对地道结构产生附加应力。从图9计算结果可知，车行地道纵向影响范围为40 m，最大沉降值为12.0 mm，不均匀变形为0.3‰。

3 结论及建议

本文主要对蜀都大道下穿电力隧道工程进行了数值模拟，从降低地下水位和隧道开挖2个施工步骤进行了分析，得到了地面及车行地道的沉降变化情况。主要结论及建议有：

（1）地面沉降和车行地道顶板处沉降主要由于降水引起，电力隧道开挖的影响较小，降水引起的地面沉降占了地面总沉降的95.5%；降水引起的车行地道顶板处沉降是其总沉降值的91.7%。

（2）车行地道顶板处沉降约为地面沉降的一半，车行地道的空腔可减小沉降发生。

（3）电力隧道开挖施工沿纵向的扰动范围为开挖面前方约20 m，有效地支撑了采用22 m超前管棚的设计方案。

（4）建议在降水过程中应加强对变形的监控，更要减少抽水的含沙量，保证地下车道在下沉过程中没有裂缝产生。

（5）在开挖施工前，应确保超前导管和注浆体达到设计要求，以确保电力隧道开挖对车道影响较小，保证车行地道车道运营安全。

[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].成都:西南交通大学,2003.

[2]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[3]Lee K M, Rowe R K. Finite element modeling of the three-dimensional grounded formations due to tunneling in soft cohesive soils. Part-Method of analysis[J]. Computers and Geotechnics, 1990, 10: 87-109.

[4]JGJT111-98,建筑与市政降水工程技术规范[S].

[5]JTJ042-94，公路隧道施工技术规范[S].