电力隧道顶管法施工地表变形研究

摘要：探究电力隧道顶管法施工过程中地表变形规律，对保障电力隧道稳定性和电力持续供应至关重要。依托集美新城学府路至纵一路电力隧道工程项目，采用数值模拟方法建立电力隧道顶管法施工三维数值模型，探究电力隧道顶管法施工过程中土体竖向位移、水平位移及轴向位移的变化规律。研究结果表明：随着顶管顶进距离的增大，横截面及纵截面的地表沉降、水平位移及轴向位移均呈现出增大趋势，横纵截面的最大地表沉降值分别出现在隧道中轴线位置和第一节管节位置；顶管推进范围内、顶管上部及底部土体水平位移和轴向位移方向存在差异。

关键词：电力隧道；顶管法；地表变形；数值模拟

0" "引言

随着城市化进程的加快和电力需求的不断增长，电力隧道作为重要的基础设施，其施工质量对保障电力供应具有重要意义[1]。顶管法施工是一种常用的施工方法，其施工过程产生的地表变形问题一直是隧道工程常见问题之一[2]。隧道施工引起的地表变形，会对周围建筑物、管线等地下设施产生不利影响[3]，因此对电力隧道顶管法施工地表变形进行深入研究，具有重要的理论和实际意义。

目前，已经有多位学者针对顶管法施工过程中的地表变形开展了相关研究。杨松松等[4]采用FLAC3D对8种顶管群施工顺序进行数值模拟，研究了不同施工顺序对地表变形的影响。研究结果显示，先施工管幕上排顶管可减小地表沉降量，并形成管间微型土拱和组合土拱效应。王梅等[5]通过大型模型试验发现，管土拱效应的施工顺序对地表沉降有显著影响，最佳顺序为先施工管幕上排顶管，再施工管幕两侧及下排顶管。李鹏等[6]通过实际工程案例研究顶管法施工地表变形规律，提出后掘隧道对先行隧道地表变形影响存在叠加区。

现有研究中，针对小直径浅埋电力隧道顶管法施工地表变形的研究较为缺乏。鉴于此，本文依托集美新城学府路至纵一路电力隧道工程项目，采用数值模拟方法，对顶管推进过程中的地表变形开展研究。研究成果可为电力隧道顶管法施工的安全和可靠性提供参考，为相关工程实践提供技术支持。

1" "工程概况

本文依托集美新城学府路至纵一路电力隧道工程项目，该项目位于厦门市集美区软件园片区。该工程新建钢筋混凝土隧道共700m，顶管长220m，顶管工作井4座，隧道安全出口2座，通风口3座，通风投料口2座。

电力隧道为单舱设置，纳入管线为110kV及以上电力电缆。结构设计使用年限100年，隧道内按一级耐火等级考虑，结构安全等级为一级，构建重要系数取1.1。项目所在地区处于湿润半湿润气候区，地下水位埋深7.89～29.04m。

2" "建立数值模型

基于实际工程概况，建立电力隧道顶管法施工三维数值分析模型。在模拟过程中做出一下基本假设：假设土体为各向同性且为线弹性材料，不考虑各向异性的影响；假设顶管顶进方向为直线；假设地面无荷载，工作面压力值恒定；假设管节材料为各向同性且表面平整，不考虑各管节之间刚度不同的影响。

通常情况下，顶管法施工对土体的扰动范围为管节直径的3～5倍，因此模型计算范围在x轴方向取20m，y轴方向取30m，z轴方向取15m，建立模型时以初始开挖面管节中轴线为坐标原点。

混凝土管节使用弹性材料模拟，各节长度为1.5m，外径为1800mm，内径为1500mm，顶进深度为18m，埋深为4.5m，工具管外径为1850mm。

采用三节点单元对模型进行网格划分，对开挖区域进行局部网格加密，以提高计算精度。划分完毕后共有节点数25777个，单元数140425个。三维数值模型图如图1所示，模型材料参数如表1所示。

3" "模拟结果分析

3.1" "竖向位移分析

3.1.1" "横截面竖向位移变化

以顶进距离9m位置为监测截面，监测得到横截面竖向位移变化曲线如图2所示。从图2可以看出，随着顶进距离的增大，横截面地表沉降值逐渐增大。在电力隧道顶管法施工完毕后，即顶进18m后，地表沉降值最大达到-10.19mm。最大地表沉降值出现在隧道中轴线位置，沿着中轴线向隧道两侧，地表沉降值逐渐减小。

分析认为，隧道轴线位置距离开挖面最近，土体的压缩和沉降程度最大。而随着开挖面向两侧扩展，距离开挖面的距离增加，土体的压缩和沉降程度逐渐减小，导致地表沉降值逐渐减小。

随着开挖面与监测截面距离的减小，地表沉降值逐渐增大，开挖面通过监测截面后，地表沉降值持续增大。这是因为当开挖面接近或穿过监测截面时，工具管的外径大于后续管节，导致超挖。同步注浆难以及时填充超挖空隙，土体释放开挖应力，导致隧道上部土体支撑力减小，使得地表沉降值逐渐增大。

开挖完毕后，地表沉降值大于-1mm的范围为-7.5～7.5m，说明顶管法施工的横向影响范围为管节外径的-4～4倍。

3.1.2" "纵截面竖向位移变化

纵截面竖向位移变化如图3所示，由图3可知，纵截面顶管顶进范围内相同位置的地表沉降值，随着顶进距离的增大逐渐增加。随着顶管的顶进，土层受到顶管重力和隧道周围土体的挤压作用，土体内部结构重新排列，引起土体沉降。

由于顶管是逐步向前推进的，而非一次性完成，因此在顶进范围内相同位置的土体，会随着顶进距离的增大而受到更多的挤压和破坏，从而导致地表沉降值逐渐增加。

最大地表沉降值出现在第一节管节位置，即y=0处，沿着顶管顶进方向，随着纵截面距离的增大，地表沉降值逐渐减小。第一节管节施工会导致地表土体的立即沉降。第一节管节位置下方的土体受到的管节荷载作用更为集中，从而导致地表沉降更为明显。

此外，施工初始阶段的工作面对地表的影响较大，随着工作面的推进，影响范围逐渐向两侧扩散，导致地表沉降逐渐减小。

3.2" "水平位移分析

3.2.1" "土体水平位移随顶进距离变化

选取顶进距离9m为监测截面，监测得到顶管右侧距离顶管轴线1.5m位置，土体水平位移随顶进距离变化曲线如图4所示。

观察图4可以发现，与顶管轴线平行的土体出现远离顶管方向的正水平位移，而顶管上部和底部出现靠近顶管的负水平位移。在顶管顶进距离为18m时，管节中轴线位置土体水平位移最大值为0.52mm，顶管上部和底部水平位移最大值分别为-3.21mm和-1.22mm。

分析认为，与顶管轴线平行位置的土体，由于受到顶管顶进施工的侧向挤压作用，发生向远离顶管方向的正水平位移。而顶管上部和底部的土体，受到顶管推进作用的影响，发生向靠近顶管方向的负水平位移。

3.2.2" "土体水平位移随顶管距离变化

土体水平位移随顶管距离变化曲线如图5所示。由图5可知，随着土体与顶管轴线距离的减小，轴线位置、顶管上部及底部土体水平位移沿原方向逐渐增大。随着顶管推进，土体受到推力和顶管侧压力的作用，从而发生变形。

当土体与顶管轴线距离减小时，土体受到的侧压力逐渐增大，导致土体内部的土颗粒重新排列从而产生位移，使水平位移逐渐增大。

在顶管上部，土体水平位移呈现出逐渐减小的趋势，位于顶管底部土体水平位移呈现出先增大再减小的趋势，除轴线位置的土体外，其余位置土体均产生靠近顶管的负水平位移。

3.3" "轴向位移分析

选取y=20m为监测截面，建册得到土体轴向位移随顶进距离变化曲线如图6所示。从图6可以看出，在顶进距离为3m和6m时，土体轴向位移变化不明显。顶进距离达到9m后，随着顶进距离的增大，土体轴向位移逐渐增大。

在顶管顶进范围内，土体有沿着顶进方向的位移趋势，位于顶管上方的地表土体及顶管下方的深层土体有与顶进方向相反的位移趋势。

在顶管中，隧道开挖面向前推进时，顶部和底部的土体受到隧道开挖面向前推进的挤压作用，导致其向后产生轴向位移。顶管向前推进时，对顶进范围内的土体施加水平推力，导致土体沿着推进方向产生轴向位移。

顶管施工完毕后，监测截面沿着顶进方向的正轴向位移最大值为1.73mm，与顶进方向相反的负轴向位移最大值为-0.66mm。

4" "结束语

本研究依托集美新城学府路至纵一路电力隧道工程项目，通过数值模拟方法探究电力隧道顶管法施工过程中的土体竖向、水平及轴向位移的变化规律，得出以下结论：

横截面地表沉降值随着顶进距离的增大逐渐增大，最大地表沉降值出现在隧道中轴线位置，顶管法施工的横向影响范围为管节外径的-4～4倍。纵截面顶管顶进范围内相同位置的地表沉降值，随着顶进距离的增大逐渐增加，最大地表沉降值出现在第一节管节位置。

与顶管轴线平行的土体出现远离顶管方向的正水平位移，而顶管上部和底部出现靠近顶管的负水平位移。随着土体与顶管轴线距离的减小，土体水平位移逐渐增大。随着顶管顶进距离的增大，土体轴向位移逐渐增大。在顶管顶进范围内，土体有沿着顶进方向的轴向位移趋势，地表土体及深层土体则产生与顶进方向相反的轴向位移。在沉降较大的位置，可考虑采用注浆加固等措施，以保证施工安全。

参考文献

[1] 张波，刘晶晶.顶管法下穿既有轨道交通隧道安全性研究[J].中国安全生产科学技术，2023，19（S1）：162-167.

[2] 徐浩东，余童真，樊伟，等.顶管施工过程中浆液扩散对减阻效果影响[J/OL].上海交通大学学报，1-15.

[3] 俞淼，刘维，史培新，等.浅埋大断面矩形顶管掘进面稳定性及支护压力分析[J].江苏大学学报（自然科学版），2022，43（5）：612-620.

[4] 杨松松，王梅，杜建安，等.管幕预筑法顶管施工顺序对地表沉降的影响[J].浙江大学学报（工学版），2020，54（09）：1706-1714.

[5] 王梅，杨松松，杜建安，等.管幕预筑法中大直径顶管施工地表沉降研究[J].工程科学与技术，2020，52（4）：141-148.

[6] 李鹏，李洋，高毅，等.基于“CC工法”的顶管隧道施工地表变形规律分析与研究[J].隧道建设（中英文），2019，39"（11）：1838-1847.