基于midas-GTS的盾构隧道施工上部电塔稳定性研究

张 菊 李 松 蔡长发 李爱华 成华雄

(1.西南科技大学环境与资源学院 绵阳 621000； 2.建材广州工程勘测院有限公司 广州 510000)

道路建设会不可避免地造成周围土体的扰动[1]，从而引起临近输电塔塔基及塔身产生变形、输电线路应力发生变化。而高压线电塔属于高耸建筑，结构倾斜敏感度要求高，对地基不均匀沉降要求更严格。当地层变形较大时，甚至可能出现输电线路断线、电塔倒塌等危险情况，故需在施工过程中对电塔安全性进行研究。大量研究利用三维数值模拟软件建立模型并与实际工况进行结合以分析临近建筑物的稳定性[2]。谢绪焊[3]利用midas-GTS在对土质边坡在支护前后的稳定性情况进行分析，将分析结果和理论结果进行比较，验证了该方法的准确性；刘远亮[4]利用midas-GTS分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，对地层自重固结、基坑开挖施工的整个过程进行模拟分析，并指出该方法对工程实践有一定的指导意义。

本文将在已收集的地质等资料基础上，根据已有的施工计划，运用midas-GTS修正的剑桥模型和摩尔-库仑模型，计算盾构隧道施工过程引起的地层应力变化、电塔塔基及塔身的变形特征，进而研究盾构隧道施工过程中电塔的倾覆稳定性。

1 研究区概况

1.1 项目概况

琶洲支线隧道位于广州市海珠区琶洲街道。本次研究所涉及的隧道为双洞单线盾构隧道，据相关要求，施工采用单层装配式平板型混凝土管片，内径8.3 m、外径8.8 m、埋深16 m。研究区内电塔的基础均为桩基础，且每个桩基础都是独立存在，桩径1 800 mm、桩长11 m，桩端位于中风化二长花岗岩。其中电塔的桩基础与盾构隧道距离最近为5.50 m，其位置示意见图1。

图1 隧道与电塔位置关系图(左图中1，2，3，4为塔基的编号)

1.2 地层岩性

据地质踏勘和钻孔揭露情况，隧道沿线岩土层可划分为6个大层，自上而下分别为人工填土层(Q4ml)：该层位于地表，分布广泛，平均厚度2.03 m，主要为杂填土和素填土，颜色较杂，大部分稍压实～欠压实，稍湿～湿。冲积～海陆交互相沉积砂土层(Q4m+al)：本层根据砂粒大小可分为3个亚层。冲积～海陆交互相沉积黏土层(Q4m+al):本层根据土的性质可分为5个亚层。残坡积相黏土层(Q4el+dl)：褐黄色、浅灰色，硬塑，主要成份由黏粉粒组成，黏性一般，主要分布于丘陵区，平均厚4.41 m。白垩系中统三水组基岩(K2s):呈浅褐色、灰白色等，中、细粒结构，层状构造，平均层厚8.47 m。前震旦系云开群(Pty)基岩：青灰、灰白、褐黄色，中粗粒结构，块状构造，部分矿物风化明显，平均层厚13.92 m。

1.3 地质构造

研究区主要地质构造为广三断裂组五眼桥断层，其走向为近东西向，倾向南，倾角为50°～80°，属正断层，长约19 km，郭钦华等[5]对该断层进行了大量研究，认为该断层现今活动性不明显，因此，该断层对本区域影响较小。经定测外业勘探揭露，研究区为泥质砂岩和混合花岗岩的不整合接触带，接触带附近岩体交错分布，软硬相间，岩体节理裂隙发育，岩体破碎，地下水丰富。

2 midas-GTS模拟方法概述

midas-GTS 软件是一款主要针对岩土与隧道分析设计的有限元软件[6]。目前常见应用到岩土领域的软件包括midas/GTS、FLAC3D/2D、PLAXIS 等。midas/GTS应用于岩土基坑支护计算分析[7-8]，具有静力分析、渗流分析、固结分析、施工阶段分析、动力和边坡稳定性分析等功能；附带包括线弹性模型、邓肯-张模型、屈雷斯卡模型、摩尔-库仑模型、德鲁克-普拉格和修正的剑桥模型等十余种岩土体本构模型[9]。

3 电塔稳定性分析

3.1 有限元模型建立

在盾构近邻下穿的高压电塔稳定性研究中，需要将计算工况与现场实际进行对应以获得准确的三维动态模拟，从而分析高压电塔的变形过程。结合场地周边情况和地质条件，采用有限元计算软件建立的三维整体计算模型见图2、塔基有限元模型见图3。在该模型中，盾构隧道的影响范围有限，因此设定三维有限元的边界条件为：模型底部、模型左右和模型前后为位移约束。该模型共46 074个节点，82 062个单元。

图2 三维整体计算模型

图3 塔基有限元模型

3.2 计算参数

场地周边地层的力学性质对约束高压电塔塔基的受力和变形起着关键作用，为此，进行三维模拟时须充分结合工程地层分布特点，合理选取计算参数。本次三维有限元分析模型中的地层主要为淤泥、粉砂、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩等地层，各地层的计算参数取值由相关力学试验获得。塔基材料参数按C20混凝土进行设定，由于电塔修建时间比较早，故将塔基刚度折减10%。本次三维有限元分析本构模型选取修正剑桥模型和摩尔-库仑模型，盾构管片考虑纵横接头的作用，故将其刚度折减30%。具体计算参数取值见表1。

表1 材料参数

3.3 荷载条件

电塔处于天然状态下，有风荷载及输电线路的荷载作用其上。将塔身由上至下划分为6段，分别计算每段高度范围内等效风载集中力。同理，分别计算横担风载，横担编号见图4。

图4 电塔荷载设置示意图

塔线风荷载计算设定见表2。其中塔身风载加在电塔塔身上；电线风载加在导线的法向位置；电线张拉力加在导线走向位置。

表2 塔身风载设计值

3.4 施工过程模拟

高压电塔在盾构近邻下穿情况下的三维动态模拟能否准确地反映现场实际情况的前提是计算工况与现场实际工况相对应。本次施工过程模拟盾构机掘进，共掘进72 m，每步1.8 m，即右线首先施工1.8 m，后左线施工1.8 m，依次循环施工。

4 结果分析

4.1 隧道开挖引起的地层应力和位移

盾构机施工过程中，地层位移变化情况见图5～8。当隧道右线首先施工1.8 m，最大位移出现在隧道出口(见图5)，当进行第一个循坏施工时，即左线掘进1.8 m，在左线隧道口，同样出现明显的位移极值，但地表位移相对较大值出现在隧道右线(见图6)。当隧道完全施工完成(见图7、图8)，右线地表位移变化相对左线位移较大。当2条相邻的隧道在其施工过程中，先进行施工的隧道，在其附近的岩体沿隧道变形最大，而后慢慢趋于稳定。当开始施工另一条相邻的隧道时，上部岩土体已经沿最先施工的隧道发生了不可逆的岩土体变形且已稳定，此时第二条隧道施工过程中引起的岩土体变形则主要基于已经变形的岩土体而发生，但较最开始施工的隧道影响小。

图5 隧道右线掘进1.8 m，地层位移变化云图

图6 隧道左线掘进1.8 m，地层位移变化云图

图7 隧道右线掘进72 m，地层位移变化云图

图8 隧道左线掘进72 m，地层位移变化云图

4.2 隧道开挖引起的电塔及其基础应力和位移

4.2.1塔基变形

盾构施工过程中，会对地层产生扰动甚至变形，进而导致电塔基础产生变形，电塔基础主要由4个基桩构成，基桩之间通过连梁连接，形成电塔基础。图9～12为盾构施工过程中塔基桩基础的变形云图。由图9可见，距离隧道较近的4号塔基沉降(Z向)最大，依次为较近的1号塔基，最远的2号基础沉降最小。由图10、11可见，在X，Y水平向的运动也呈现同样的趋势，即越靠近隧道其变形量越大。最终将1号电塔塔基顶部位移极值汇总于表3。

图9 各电塔基础总位移(单位：mm)

图10 隧道施工电塔基础X向位移

图11 隧道施工电塔基础Y向位移

图12 隧道施工电塔基础Z向位移

表3 塔基位移表 mm

4.2.2塔身变形

盾构施工引起地层变形，地层变形又引起塔基变形和应力调整，从而导致塔身的变形以及塔身内力的变化，盾构施工结束后电塔塔身变形云图见图13，电塔塔顶总位移见图14。

图13 塔身总位移(单位：mm)

图14 电塔塔顶总位移

由图13可知，电塔4号基础对应塔身的变形相对其他3个基础变形较大，这是由于4号基础更加靠近隧道，受隧道施工导致的基础变形更大，而电塔底部到电塔顶部，塔身位移逐渐增大(见图14)。在此仅讨论塔顶变形是否满足国家相关规范。电塔塔顶位移随施工进程逐渐变大，但有着趋于稳定的趋势。电塔各施工阶段X、Y、Z方向位移见图15～17。

图15 电塔各施工阶段X向位移

图16 电塔各施工阶段Y向位移

图17 电塔各施工阶段Z向位移

由图15～17可见，塔顶变形主要由X方向变形导致；而Y方向位移在初始阶段较小(包含反向运动)，但随着施工的进程，变形加剧，并最终趋于稳定；Z向上，电塔主要发生沉降，沉降随着施工的进行逐渐加深，也具有趋于稳定的趋势。具体分析来看，X方向变形较大，主要是由于隧道右线的施工，导致岩土体变形较大，而位于岩土体之上的电塔向隧道右线发生位移，其X向的位移最大。Y向变化在经历一段较小的负值后，依然继续增大，在隧道右线施工过程中，首先导致3号基础发生运动，而1号基础依然处于扰动较小的岩土体之上，即首先发生3号基础向Y轴负方向运动的趋势，随着施工的进程，1号基础更加靠近隧道右线，1号基础相对3号基础受隧道施工的影响更大，进而向Y轴正向运动，运动位移逐渐增大，但总体位移较小。最终塔顶位移极值汇总见表4。

表4 电塔塔顶位移极值

4.2.3结果分析

根据GB 50007-2011 《建筑地基基础设计规范》和DL/T 5219-2014 《架空输电线路基础设计技术规程》，该电塔高约51 m，基础沉降允许值为400 mm。由midas-GTS结果分析得，塔身X方向倾斜度为0.127%，Y方向倾斜度为0.022%，小于规定的杆塔倾斜度(0.5%)，故电塔变形满足要求。

5 结论

本次研究运用midas-GTS有限元软件，结合琶洲支线隧道及电塔设计资料，建立了三维有限元计算模型，并对地质地层采用修正剑桥模型和摩尔-库仑模型，与现场施工相结合分析隧道掘进过程中，上部电塔的变形程度和稳定性。结果表明，上部电塔在塔身倾斜、塔基沉降及倾斜方面均满足规范要求。但在实际施工过程中，建议在数值计算结果基础上，结合既有工程经验，对电塔进行实时检测，以监控上部电塔的实时位移变化。