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电力隧道近距离底穿输水方涵应力变形分析

2020-10-12刘光华魏红

人民黄河 2020年4期
关键词:隧洞防渗数值模拟

刘光华 魏红

摘 要:目前关于穿越大型具有防渗要求的输水结构的分析研究相对较少。采用三维数值模拟仿真技术,对穿越南水北调中线北京段卢沟桥输水暗涵(方涵)电力隧道竖井、掘进施工过程及其引发输水方涵结构应力应变、变形响应进行了动态模拟。通过应力应变分析及关键点的沉降监测追踪得出,该电力隧道施工造成在输水方涵顶部结构产生拉应力,約为0.36 MPa,引发输水方涵最大沉降达到2.86 mm,发生在方涵靠近竖井侧,接近于输水方涵极限沉降值3.0 mm,临近输水方涵的竖井开挖使输水方涵结构产生的不均匀沉降值达到了1.3 mm,会对输水方涵的结构产生不利影响。隧道穿越地层为卵石松散层,掘进开挖步距不宜大于0.5 m,对电力隧道周围土体需进行注浆加固处理,施工应遵循“管超前、严注浆、勤量测、短开挖、强支护、快封闭”的原则。

关键词:隧洞;输水方涵;数值模拟;应力变形;防渗;南水北调工程

中图分类号:TV68   文献标志码:A

doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2020.04.022

Abstract: There are many analysis and researches on the crossing engineering of urban engineering construction and relatively few water conveyance structures with impervious requirements for crossing large-scale projects. In this paper, three-dimensional numerical simulation technology was used to dynamically simulate the construction process of electric tunnel shaft and tunneling, and its response to stress, strain and deformation of culvert structure. Through stress-strain analysis and settlement monitoring tracking of key points, the tensile stress of the top structure of the culvert is about 0.36 MPa, but the maximum settlement of the culvert is 2.86 mm, which occurs near the shaft side of the culvert, approaching the limit settlement of the culvert 3.0 mm and near the shaft of the culvert. The excavation has a great influence to the uneven settlement of the culvert itself. The uneven settlement value of the culvert structure reaches 1.3 mm, which will have a negative impact on the structure of the culvert. It is proposed that the tunnel passes through the stratum with pebble loose layer, and the excavation distance should not exceed 0.5 m. Soil around the power tunnel should be reinforced by grouting. Pipe advance, strict grouting, frequent measurement, short excavation, strong support and quick closure should be adopted in construction.

Key words: power tunnel; water conveyance culvert; numerical analysis; stress deformation; anti-seepage; South-to-North Water Diversion Project

目前在建的穿越工程较多,分析研究穿越施工影响并进行监测可为工程建设提供技术支撑。穿越工程施工过程相互影响的分析研究主要采用数值模拟技术,目前研究成果较多,但对于穿越大型具有防渗防漏要求的输水结构工程的相关研究较少,对穿越大流量输水结构的影响分析也相对较少。吴新霞等[1]分析研究了西气东输对南水北调穿黄隧洞的影响。杨喜等[2]利用Midas/GTS有限元软件对郑州地铁2号线盾构隧道下穿南水北调干渠未通水及通水两种工况进行模拟,分析了盾构施工对南水北调干渠可能产生的影响。刘拓[3]分析了爆破对邻近引水隧洞的振动响应并进行了实测研究,主要针对爆破对与公路隧道并行的输水隧洞的影响进行了分析研究。鉴于南水北调卢沟桥输水方涵为首都城市大型输水干线工程之一,防止其结构出现渗漏为工程结构安全重点,对结构变形及不均匀沉降要求较高、较严格,一旦其应力、应变及变形超过设计极限,将出现裂缝导致渗漏,发生不可估量的破坏,危及北京城市供水安全。

笔者采用三维数值有限差分技术,动态仿真模拟电力隧道土体超前加固、开挖、衬砌支护循环施工步骤,分析输水方涵的应力变形特征,对电力隧洞穿越输水方涵工程进行结构安全性评价,并为电力隧道工程设计、施工提供控制依据及建议,确保电力隧道工程施工期间及后期运行对输水方涵安全供水不造成影响,保障首都的供水安全。

1 工程概况及地质概况

工程场地位于北京市丰台区西南四环外,青塔西路与京石高速交叉路口处沿青塔西路西红线以东5 m。拟建电力隧道为北京丰台区重要的输变电地下线路,其穿越南水北调中线北京段卢沟桥输水暗涵(方涵)底部,需新建截面为2.6 m×2.9 m的电力隧道,长度约180 m,电力隧道轴线与输水方涵斜交,夹角为73°,最小净距仅为3.0 m。电力隧道施工采用暗挖喷射混凝土的方法,隧道覆土厚度为11~14 m。经原设计部门计算分析,综合确定输水方涵允许裂缝宽度为0.2 mm,相应输水方涵竖直方向的最大变形为3 mm(输水方涵整体结构的极限沉降变形值)[4]。

工程场区地貌单元属永定河冲、洪积扇中上部,地形较为平坦,除表层为填土及薄层粉土外,主要为第四系永定河河流冲洪积形成的卵石层,地下水埋藏类型为孔隙潜水,埋深大,不影响工程建设,场地工程地质条件较好[5]。但对于该穿越工程,电力隧道围岩为第四系全新统冲洪积卵石,围岩类别为Ⅴ类,卵石层颗粒间结构性较弱,无黏聚性,围岩自稳能力较差,开挖后易掉块、坍塌失稳。电力隧道掘进施工应根据隧道结构、埋深、地面环境、开挖面稳定性等控制要求及地层结构,采用科学、合理、安全的掘进施工方案,做好隧洞围岩支护和加固保护工作,满足施工安全、地面沉降控制要求。

2.1 计算模型

数值计算分析范围沿电力隧道轴线选取160 m,注浆加固起点距隧道设计起始点10.0 m,注浆加固段总长度32.0 m,模型宽度82.6 m,即沿电力隧道轴线上下各截取41.3 m,模型深度120.0 m,建立三维模型。电力隧道轴线与南水北调管线斜交,施工竖井与输水方涵水平距离为10.0 m。下穿隧道、方涵和施工竖井的空间位置关系如图1所示,计算模型的三维网格如图2所示,共划分四面体单元396 947个、节点68 156个。

2.2 本构关系及参数

岩土工程界数值模拟计算采用的基本本构模型主要包括理想弹性体模型和弹塑性体模型等,常见的弹塑性模型有Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prage模型等,Mohr-Coulomb模型广泛应用于岩土工程数值模拟分析研究中。综合考虑该工程项目的地质结构条件,结合数值模拟实践经验,采用Mohr-Coulomb模型本构关系,其数值模拟计算参数见表1。

2.3 边界条件及初始条件

根据工程结构及特征,研究模型底面边界条件为约束豎直Z方向的自由度,侧向边界条件为约束水平X、Y方向的自由度,地表为自由面边界。模型结构所受荷载主要为恒荷载(土体和结构自重)。

2.4 仿真模拟计算步骤

根据施工组织设计,模拟施工过程中的土体超前注浆加固,开挖断面结构见图3。

动态模拟施工步骤如下:①隧道竖井施工,超前注浆,全断面加固;②开挖电力隧道截面上层土体0~0.5 m,上部衬砌支护0~0.5 m;③开挖施工上层土体0.5~1.0 m,上部衬砌支护0.5~1.0 m,同步开挖下层土体0~0.5 m,下部衬砌支护0~0.5 m;④开挖上层土体1.0~1.5 m,上部衬砌支护1.0~1.5 m,同步开挖下层土体0.5~1.0 m,下部衬砌支护0.5~1.0 m。

2.5 沉降监测关键点设置

在电力隧道开挖过程中,地表、电力隧道洞顶和输水方涵底板都随着施工开挖的进行而不断发生沉降。为分析数值模拟施工过程中不同部位的沉降变形特征,设置了3个沉降变形监测关键点(A、B、C),A点为输水方涵与电力隧道相交处的方涵底板中点,B点为输水方涵与电力隧道相交处隧道衬砌的上顶点,C点为输水方涵与电力隧道相交处地表的控制点。

3 输水方涵结构应力分析研究

采用三维数值有限差分法模拟分析电力隧道超前注浆、开挖、支护衬砌循环掘进施工情况下输水方涵的应力变化特征,主要讨论施工对输水方涵产生的最大主拉应力和最小主压应力两个参数的影响,研究电力隧道施工对输水方涵结构安全性的影响。

数值仿真动态模拟计算得到的电力隧道施工时输水方涵产生的最大、最小主应力云图见图4和图5。

电力隧道暗挖法施工时输水方涵最小主应力(压应力)出现在输水方涵的中间混凝土隔板及拐角处,数值约为1.93 MPa;下方电力隧道施工时输水方涵顶部结构出现的最大主应力(拉应力)约为0.36 MPa,方涵结构受电力隧道工程施工影响产生的拉应力小于结构抗拉强度(0.65 MPa),施工对输水方涵结构影响不大。另外,可以看出,竖井开挖及输水方涵与电力隧道斜交所引起的拉应力并不是严格沿着输水方涵中隔墙呈现对称分布。

4 沉降变形分析研究

4.1 沉降变形特征

数值仿真模拟计算得到的输水方涵沉降云图及电力隧洞轴线沉降云图见图6、图7。

电力隧道施工引发输水方涵响应产生的最大沉降达2.86 mm,发生在输水方涵靠近竖井侧(东侧);竖井开挖及隧洞施工引发输水方涵的不均匀沉降达1.30 mm;地表回填土层的最大沉降为2.1 mm。

4.2 监测点沉降变形特征

根据数值仿真模拟施工过程计算分析,绘制出关键点A、B、C的沉降曲线,如图8~图10所示。A、B、C点最大沉降分别为2.86、2.30、2.10 mm,输水方涵不均匀沉降为1.30 mm。

4.3 沉降分析

根据数值仿真计算结果不难看出:

(1)电力隧道竖井的开挖施工对竖井底板下层土层将产生卸载效应,底板土体回弹现象明显,不对称卸载对输水方涵影响较大,施工中应对底板进行加固处理,防止底板变形过大,影响电力隧道围岩的稳定性。

(2)临近输水方涵的竖井开挖对于方涵本身的不均匀沉降影响较大,使输水方涵结构产生的不均匀沉降达到了1.3 mm,会对输水方涵结构产生不利影响。

(3)电力隧道及竖井开挖对输水方涵的影响最大,沉降达到了2.86 mm,接近于输水方涵极限沉降值3.0 mm,施工中应密切关注隧道围岩的加固范围和加固效果。

5 结 语

通过模拟施工步骤,分析掘进施工底部穿越的输水方涵结构应力变形特征,得到如下结论:

(1)输水方涵允许裂缝宽度为0.2 mm,竖直方向的最大变形值为3 mm,对电力隧道施工要求严格。电力隧道下穿重要的输水方涵,施工方法采用暗挖法,掌子面开挖施工造成方涵底部土体应力释放,使输水方涵出现安全隐患,必须足够重视竖井开挖的及时支护问题,尽量减小方涵的不均匀沉降。

(2)电力隧道暗挖法施工时输水方涵顶部结构拉应力约为0.36 MPa,方涵压应力发生在中间混凝土隔板及拐角处,其数值约为1.93 MPa;方涵结构受电力隧道工程施工影响产生的拉应力小于结构抗拉强度(0.65 MPa),施工对输水方涵结构影响不大。竖井开挖及输水方涵与电力隧道斜交所引起的应力明显呈现不对称分布特点。

(3)输水方涵的最大沉降达到2.86 mm,发生在方涵靠近竖井侧(东侧),接近于输水方涵极限沉降(3.0 mm),临近输水方涵的竖井开挖造成输水方涵的不均匀沉降达到了1.3 mm。隧道掘进施工中应密切关注加固范围和加固效果。

(4)电力隧道穿越地层为卵石松散层,开挖步距不宜大于0.5 m。对电力隧道周围土体应进行注浆加固处理,加固范围必须保证在拱顶以上不小于2.0 m、边墙以外不小于1.5 m、底板以下不小于1.0 m。电力隧道掘进施工应遵循“管超前、严注浆、勤量测、短开挖、强支护、快封闭”的原则。

参考文献:

[1] 吴新霞,赵根,钱胜国.西气东输工程对南水北调穿黄隧洞影响风险评价[J].爆破,2004(4):79-82.

[2] 杨喜,邹琦,王庆.地铁隧道穿越南水北调干渠施工影响分析[J].隧道建设,2013,33(7):562-566.

[3] 刘拓.公路隧道爆破对邻近引水隧洞振動响应的分析与实测研究[J].隧道建设,2014,34(12):1126-1130.

[4] 北京市水利规划设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程(北京段)卢沟桥暗涵初步设计阶段报告[R].北京:北京市水利规划设计研究院,2004:5-90.

[5] 北京市水利规划设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程卢沟桥暗涵初步设计阶段工程地质勘察报告(修订本)[R].北京:北京市水利规划设计研究院,2004:5-20.

【责任编辑 张华岩】

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