浅埋电力隧道暗挖施工支护结构变形特性分析

摘 要：本文依托简州新城电力隧道工程，采用数值模拟和现场监测的方法，对浅埋电力隧道浅埋暗挖法施工地表沉降及支护结构变形特性进行研究。研究结果表明，在设置超前支护后，地表沉降总体不大，最大值在中心拱顶截面处，支护结构拱顶沉降最大值为19.602mm，控制效果沉降值在无超前支护的52％左右，拱底隆起最大值为19.588mm，大应力值集中在隧道拱脚处，为12.470MPa，减少了16.8％，同时锚杆系统发挥作用明显，最大轴力在拱顶处，为444.811kN，减少了19.7%，对结构物进行监控量测，拱顶沉降、周边收敛和数值模拟结果规律基本一致，可为类似工程提供参考。

关键词：电力隧道；浅埋暗挖法；数值模拟；现场监测

中图分类号：U 45 " 文献标志码：A

电力隧道作为一种纯绿色环保的新型送电方式，与传统公路隧道和铁路隧道相比，其断面形式相对较小，在施工过程中有不同的特点。目前，城市电力隧道主要采用顶管法、明挖法和浅埋暗挖法进行施工。明挖法的特点是造价低，但受地形约束较大，顶管法工艺先进，但在砂性地层和富水地层施工困难，排水效果不佳。浅埋暗挖法重在发挥围岩自身的自承能力，对地层要求不高且适应性强，不仅能保障隧道施工安全还能防止后期运营灾害发生，在电力隧道建设中能起到不可替代的作用[1]。同时，保证电力隧道浅埋暗挖施工稳定性成为目前研究的关键问题。

很多学者对电力隧道建设进行了相关研究。周超[2]在郑州地铁电力隧道工程中提出采用格栅钢架加锁脚锚杆的支护方式，并用有限元进行了验证。王园栋等[3]对双庆路电力隧道浅埋暗挖法施工拱顶沉降规律和地表沉降规律进行了研究，提出了施工建议。本文针对目前电力隧道施工特点，通过模拟隧道开挖和支护过程，探究了电力隧道暗挖施工支护结构变形特性，为其他类似工程提供参考。

1 工程概况

本次电力隧道工程场址位于简州新城城区，线路全长9554m，分为A、B、C段。其中，A段电力隧道起于阳安大道与涟江大道的相交处，止于110kV牵引所，长2620m；B段电力隧道起于成简快速路与方家林大道交汇处南侧150m，经方家林大道，最终至方家林大道与蜀都大道东延线交汇处南侧130线路长3484m；C段电力隧道起于成简快速路与阳安大道交汇处南侧320m，经阳安大道、石养路，最终分别至长岭110kV变电站/A段电力隧道，线路长3450m。

本工程位于龙泉山东麓，四川盆地简阳市西南部，区内以浅丘宽谷地貌为主，B段地层岩性条件为破碎砂岩地层，有少量上覆碎石杂填土，该区段地下水水位埋深为0.5m～3.5m，水量分布不均，受大气降水及人类耕种活动影响较大。该段隧道尺寸为2.5m×3.0m，初支采用I16型钢钢架，间距为0.4m，双层钢筋网尺寸为15cm×15cm，二衬采用C40模筑混凝土。该段施工的难点为该区域为软弱地层，地下水、裂隙水丰富，开挖时应重点控制沉降和变形。

2 数值模拟

2.1 模型建立

本文研究的电力隧道断面埋深为20m，将地表简化为平面，根据圣维南原理，隧道开挖对周围土体的扰动范围是横截面积的3～5倍洞径，本模型尺寸为50m×15m×50m（长×宽×高）。隧道拱顶距地表20m，碎石杂填土厚度为5m，用摩尔库伦本构模拟，支护结构和超前小导管用弹性本构模拟，模型如图1所示。

2.2 模型单元及材料参数

本次数值分析假定围岩为各向同性材料，采用摩尔-库伦本构，管棚、小导管加固区以及衬砌结构采用弹性本构模拟，初期支护采用板单元模拟，超前小导管采用1D植入式桁架结构模拟。为了方便建模，本文将钢拱架与喷射混凝土看作一个整体，弹性模量换算公式和注浆加固范围的等效弹模值换算过程如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

E3=ρE4+（1-ρ）EW " " " （2）

式中：E为小导管注浆后的弹性模量等效值；E1、E2为注浆浆液、小导管本身的弹模值；I1、I2为注浆浆液、小导管本身的惯性矩；E3为注浆加固范围内弹性模量等效值；Ew为注浆浆液、隧道围岩弹性模量。本次电力隧道功臣围岩主要包括碎石杂填土和破碎砂岩，通过现场测试、室内试验和经验公式确定数值模拟的物理力学参数，见表1。

2.3 施工步骤模拟

本次电力隧道工程采用台阶法进行开挖，上台阶须超前2.5m～3m，每次进尺0.5m，开挖后立即喷5cm～8cm混凝土，对工作面进行封闭，安装工字钢拱架、连接筋、钢筋网片，并打设小导管超前支护。应在上台阶的初期支护基本稳定且进尺5m后开挖中台阶，并认真加固拱脚支护，使上部施工支护与围岩形成完整的体系，中台阶开挖完成后，按照上台阶工序进行支护，并在两侧拱脚打设锁脚锚杆。待中、上两个台阶的初期支护基本稳定且循环进尺5m以上，开挖底台阶完成仰拱，初支封闭成环。

3 结果分析

3.1 地表沉降分析

提取两种工况地表沉降云图（图2），从图2中可以看出，在隧道开挖支护过程中，电力隧道施工影响范围由隧道中心处逐步往周边区域扩大，由于电力隧道截面较小，整体地表沉降量不大，因此最大值在中心拱顶截面处，且随着隧道开挖逐渐变大，未施加超前支护情况下的最大地表区域沉降量为1.182mm～5.46mm，施加超前支护加固后地表区域沉降量为0.785mm～3.542mm，将地表沉降量控制在未施加超前支护工况的60％左右。可以得出超前支护对减少地表沉降有着重要作用。

3.2 支护结构变形分析

提取两种工况初支变形云图，如图3所示。由图3可以看出，电力隧道开挖完成后初支整体发生变形，沉降最大处在拱顶位置，最大值为12.638mm，施加超前支护加固后拱顶沉降最大值减至6.602mm，将效果沉降值控制在无超前支护的52％左右。同时，仰拱有较大隆起，两种工况下最大隆起量分别为19.656mm和19.588mm，在施工中应重点关注。超前支护施作后的整体上部结构变形量减少，水平变形最大值从拱腰处变为拱脚处，支护变形区域水平变形为+4.504mm～-4.396mm，超前支护施作后支护变形区域水平变形为+3.942mm～-3.172mm，控制效果整体变形为无超前支护的72％左右，整体横向变形不大。可以得出超前支护对减少拱顶沉降有着显著作用，在施工中，应重点关注支护结构的变形，尤其是拱顶沉降和拱底隆起，防止因结构变形过大导致支护结构失效。

3.3 支护结构受力分析

隧道开挖完成后，隧道所受的最大主应力分布和锚杆轴力分布如图4和图5所示。超前支护施作前后隧道最大应力分布规律不同，未施作超前支护时最大主应力主要集中上部结构拱顶附近，最大值为14.993MPa。超前支护加固后，隧道上部结构由受拉状态转变为受压状态，最大主应力位置从拱顶变为拱脚，最大值为12.470MPa，减少约16.8%。未施作超前支护情况下大多数锚杆轴力较小，最大轴力在拱顶位置，为554.146kN，超前支护加固后，大多数锚杆发挥了作用，处于受拉状态，最大轴力在拱顶位置，为444.811kN，减少了19.7%。因此，超前支护施作后电力隧道开挖锚杆作用明显，在施工中应该注意拱顶和拱脚位置处的应力变化。

4 现场监测

针对简州新城电力隧道工程特点，结合现场施工情况重点监控隧道内变形数据，根据规范在隧道两个断面掌子面布置监控量测测点，对拱顶沉降结果进行统计与分析，具体监测数据如图6所示。

当隧道开挖至监测断面时，拱顶沉降呈递增趋势，前期增长速度快后期增长速度变慢后趋于稳定，数值模拟在对应台阶开挖后的支护阶段拱顶沉降改变较小，现场测试的数据则是持续增加，标段一断面模型的最大变形量为6.602mm，监控量测最大变形量为6.65mm，标段二断面模型的最大变形量为5.63mm，监控量测最大变形量为5.93mm，在规范允许的变形范围内，说明本次处置效果非常有效。整体看现场拱顶沉降和周边收敛比数值模拟结果偏大，可能是现场施工扰动或支护不及时导致，但整体趋势较为贴合且在误差允许的范围内，说明数值模拟结果能较为准确地反映围岩和隧道变形情况，可为类似项目提供参考。

5 结论

本文采用数值模拟的方式建立简州新城电力隧道工程相关模型，对地表沉降、围岩位移、支护结构变形和受力情况进行研究，并得出以下结论。1）在隧道开挖支护过程中，电力隧道地表沉降量很少，最大值在中心拱顶截面处，随着隧道开挖逐渐变大。电力隧道支护结构变形相对较大，在有超前支护的工况下，拱顶沉降最大值为19.602mm，将效果沉降值控制在无超前支护的52％左右，拱底隆起最大值为19.588mm，在施工中需要加强对支护结构进行变形监测。2）在有无超前支护两种工况下，支护结构受力分布规律不同，超前支护加固后的最大应力值集中在隧道拱脚处，为12.470MPa，同时锚杆系统发挥作用明显，最大轴力在拱顶处为444.811kN，施工中应重点关注拱顶和拱脚处隧道结构受力。3）在现场对支护结构布设监测点位，并根据开挖进程实时监控量测，可以得到监控量测的拱顶沉降和周边收敛和数值模拟结果规律基本一致，结果在误差允许的范围内，满足规范要求，证明数值模拟具有有效性，可为类似浅埋暗挖电力隧道工程的修建提供参考。

参考文献

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.

[2]周超.电力隧道浅埋暗挖法施工与模拟计算[J].城市轨道交通研究，2015，18（4）：100-106.

[3]王园栋，张光碧，姚良学，等.双庆路电力隧道浅埋暗挖法施工地层变形三维数值模拟[J].广东水利水电，2013，213（11）：51-57.