暗挖隧道下穿既有输电塔数值影响分析

董 浩，夏高翔

(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.江苏省地下空间探测技术工程实验室，江苏 南京 211112;3.江苏省地质矿产勘查局第一地质大队,江苏 南京 210041;4.江苏省岩土工程公司，江苏 南京 210008)

随着宁镇扬交通一体化建设的加快，发展隧道交通是快速化公路网建设升级的有效途径。尽管隧道施工技术大幅度地提升，但在穿越施工时仍不可避免地会引起地层位移场变化，从而引发周围构筑物的沉降或差异沉降、倾斜等变形。由此而引发的施工事故和损失屡屡可见，因此，如何防范潜在风险，使隧道暗挖区间在下穿构筑物施工过程中更加安全高效且较好地保护周围构筑物是值得研究的问题。

国内外现有的相关研究多以有限元数值建模为手段，通过设置理想参数，分析隧道施工过程中地层条件、建筑物与基坑或隧道的相对位置关系、加固措施等的变化对构筑物的影响。如马伟斌等[1]对地铁暗挖隧道下穿铁路桥进行了数值计算，评价了铁路桥结构风险及安全性。张坚[2]等基于西安地铁3#线长通暗挖区间，采用有限元模型，研究了富水黄土地区暗挖隧道下穿既有建筑时地表和建筑的沉降特性及规律。

1 工程概况与工程地质

1.1 工程概况与隧道开挖方法

拟建汤麒暗挖隧道为上、下行独立双洞六车道分离式隧道，地处镇江西侧，长约500 m。其横断面隧道主要以V级围岩为主。隧道最大埋深约52 m。左、右幅隧道均位于直线上；隧道所在路段纵坡为1.6%、-1.6%的人字坡。V级围岩隧道可采用双侧壁导坑法掘进，开挖步序和支护顺序如图1所示。

图1 隧道开挖步序、支护顺序示意图

1.2 工程地质

拟建场地表层为人工填土，其下为一般沉积的黏土、黏土夹碎石，中下部为一般沉积的残积土，底部为震旦系上青龙组组白云质灰岩。根据钻探揭示，场地土层自上而下可划分为四大工程地质层10个亚层。

(1)第四系

①1杂填土：灰褐色，灰黄色，杂色，很湿～饱和，结构较松散。主要由可～硬塑状粉质黏土夹较多的植物根须及少量碎砖瓦砾组成，山坡部位主要由雨水冲刷形成的大量基岩碎块夹可塑状粉质黏土组成。硬质物分布不均，大小不等，含量50%～60%，土质不均匀。

①2素填土：灰褐色，灰黄色，很湿～饱和，结构较松散。主要由可～硬塑状、局部软塑状粉质黏土夹较多的植物根须及少量碎砖瓦砾组成，山坡部位主要由雨水冲刷形成的大量基岩碎块夹可塑状粉质黏土组成。硬质物分布不均，大小不等，含量10%～40%，土质不均匀。

③1粉质黏土：黄褐色、灰黄色，饱和，可～硬塑，中偏低压缩性。无摇震反应，切面有光泽，干强度高，韧性高。分布不均匀。

③2粉质黏土：黄褐色、灰黄色，饱和，可塑，中压缩性。无摇震反应，切面有光泽，干强度高，韧性中等。分布不均匀。

③3粉质黏土：黄褐色、灰黄色，饱和，硬塑～坚硬，中偏低压缩性。无摇震反应，切面有光泽，干强度高，韧性高。分布不均匀。

③4碎石土夹粉质黏土：灰色，饱和，密实。以碎石土为主，夹有粉质黏土，碎石土粒径0.5～5 cm，棱角形为主，局部分布。

(2)岩层

④溶洞充填物：以粉质黏土为主，黄褐色、灰黄色，饱和，可～硬塑，夹少量碎石屑。切面有光泽，干强度中等，韧性中等偏高。

④12强风化白云质灰岩：浅灰色，风化强烈，结构基本破坏，裂隙极发育，岩芯多呈密实的小碎块、碎石土状，为次棱角及不规则状，块径1～2 cm，个别达3～5 cm，碎块锤击可碎，岩芯采取率50%～70%，局部分布。

④22中风化白云质灰岩：浅灰色，灰色，灰白色，浅红色，致密结构，块状构造，岩芯裂隙较发育，局部微裂隙密集发育，呈紧闭～微张，以一组40°～70°裂隙为主，充填有钙质、铁质、石英。岩芯呈短-长柱状，节长5～40 cm，锤击声清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎，岩芯采取率65%～98%，分布不均。岩石饱和单轴抗压强度标准值为15.06 MPa，局部强度高达40.30 MPa，属较软岩，完整性较破碎，综合判定岩体基本质量等级为Ⅳ级。

2 暗挖隧道施工数值模拟

采用Abaqus有限元软件建立三维仿真数值计算模型，模拟隧道施工对输电塔的影响。主要包括建模，材料赋值，网格划分、计算和数据分析等过程。首先采取地应力平衡，在此基础上，再移除所需开挖的土体单元，并增加相应的衬砌和隧道结构。塔构件采用线性梁单元模拟，电塔的四脚基础分立，为短桩式，有效埋深3.2～3.4 m，短桩直径1.2 m，桩端两级台阶形扩大，最下一级台阶边长5.6～5.8 m，基础采用实体单元模拟，四个塔角通过独立基础将力传递给地基。考虑施工方案，对CRD工法模拟，土体分为左侧洞、右侧洞和主洞，图2模拟了两侧洞和主洞的开挖情况以及隧道最后成型。四周水平边界采用法向约束，底部边界为固定边界，上部边界为自由边界。相应的主要计算参数如表1所示，其中*值为经验值。

图2 塔及基础构造示意图

表1 主要计算参数表

3 暗挖隧道对塔基础的变形影响

开挖、支护同时进行的工况条件下，假设隧道在开挖过程中未出现坍塌，若隧道先开挖再进行支护，则产生如图3所示的效果，由图中可以看出，在洞口开挖产生竖向位移场。隧道口底部产生向上的回弹，隆起量达到9.5 cm，而沉降量仅为7 mm左右。而在靠山体内侧和隧道顶部，则会产生沉降。最大沉降为1.5 mm，最大隆起量为9.7 mm。

图3 塔及基础构造示意图

在为隧道口规范开挖过程中基础产生的总位移和应力情况。位移在10-5数量级。最大压应力在6 MPa左右，因隧洞开挖几乎没有应力增量。

隧道建成后总的竖向位移，可以看出，山体总的位移场不大，仅在隧洞进口段和出口段位移稍大，回弹近10 cm，沉降约4.6 mm。塔基础位置处，竖向位移，总的竖向位移均小于1.0 cm。

4 结论与建议

基于下穿构筑物的某拟建隧道工程为背景，用有限元软件进行仿真建模分析，得到如下结论：按照设计图纸和施工方案施工，暗挖隧道施工输电塔基础影响相对较小，变形大约在1.0 cm以内，且垂直度满足规范要求。此外还有如下建议。

(1)要重视隧道进洞和出洞部分的施工。计算结果表明，进洞和出洞口隧道和山体变形较大，须注意开挖步长不可过大，即时衬砌。另外，在进洞口、暗挖与明挖交界处，应注意山体稳定性，以防止局部滑坡。

(2)需进行TSP超前地质预报。由勘察报告可知，本场地溶洞发育，溶洞中充填土体以粉质粘土为主，强度较低，压缩性大，易产生坍塌，若上部围岩覆盖厚度不够，则会对地表产生一定的影响。因此，应进行TSP超前地质预报，进一步明确围岩情况。

(3)加强隧道开挖过程中的监测。隧道施工过程中，应加强对塔基础沉降、水平位移以及倾斜的监测。