隔离桩对软弱地层地铁暗挖隧道侧穿电塔的影响分析_段军朝.pdf

第 1 期研究报告*通信作者隔离桩对软弱地层地铁暗挖隧道侧穿电塔的影响分析段军朝1，2徐朝阳2*何凯罡2(1中建三局基础设施建设投资有限公司，430064，武汉;2中建三局集团有限公司，430064，武汉第一作者，高级工程师)摘要为研究钢管隔离桩加固对软弱地层中地铁暗挖隧道侧穿电塔的影响，以成都地铁 6 号线三期工程某矿山法区间隧道侧穿电塔为例，采用 FLAC3D 有限差分软件动态模拟软弱地层矿山法隧道侧穿电塔施工，从地面位移、电塔基础竖向位移与倾斜、电塔结构内力等方面分析隔离桩加固的影响，并结合现场实测数据评价其加固效果。研究结果表明，采用钢管隔离桩加固可显著降低地面位移、电塔基础竖向位移与电塔结构内力。关键词地铁;暗挖隧道;软弱地层;隔离桩;地表位移中图分类号U45549DOI:1016037/j1007869x202301013Influence of Isolation Pile on Metro Mined TunnelSide-passing Pylon in Soft StratumDUAN Junchao，XU Zhaoyang，HE KaigangAbstractTo study the influence of steel pipe isolation pile onmetro underground-excavated tunnel side-passing pylon in softstratum，Chengdu Metro Line 3 Phase engineering of minedinterval tunnelside-passingpylonistakenasexample，FLAC3D finite difference software is adopted to dynamicallysimulate the construction of mined tunnel in soft stratum Fromaspects including ground surface subsidence，pylon foundationvertical displacement and inclination，pylon structure internalforce，the influence of isolation pile reinforcement is analyzed，and the reinforcement effect is evaluated with field measureddata esearch results show that the steel pipe isolation pile cansignificantly reduce the surface subsidence，pylon foundationvertical displacement and pylon structure internal forceKey wordsmetro;mined tunnel;soft stratum;isolationpile;land subsidenceFirst-authors addressChina Construction Third EngineeringBureauInfrastructureConstructionInvestmentCo，Ltd，430064，Wuhan，China随着我国各城市地铁线网的不断发展，其建设过程中会不可避免地穿越地面既有建(构)筑物，如输电铁塔等1-2。隧道掘进过程中对围岩的扰动会造成既有电塔结构不均匀沉降与倾斜，严重时会导致电塔结构破坏、塔身大幅度倾斜甚至倒塌等情况3。为此，众多学者对隧道穿越电塔的施工影响规律开展了相关研究。文献 4 采用 FLAC3D 软件研究隧道爆破开挖对地面高压铁塔塔基的沉降及质点振动速度的影响规律，并结合现场实测数据进行了对比分析。文献 5 采用数值模拟与现场实测的方法，研究了重庆轨道交通 4 号线浅埋隧道开挖对地面高压线铁塔稳定性的影响。文献 6 通过数值方法模拟了盾构隧道穿越高压电塔的施工过程，分析了渣土改良、洞内注浆和地面注浆加固措施对盾构隧道穿越建筑物的影响规律。文献 7 以衢九铁路某隧道工程为背景，通过二维弹塑性有限元模型分析了浅埋隧道 CD(中隔壁)法施工对既有高压铁塔的影响，并对有无注浆加固两种方案进行了模拟分析。文献 8 采用 FLAC3D 软件模拟了某条铁路李家冲隧道侧穿高压电线塔时，围岩注浆前后隧道拱顶沉降和塔基沉降的变化规律，并通过现场实测验证了注浆加固方案的可行性。已有研究大多针对大断面矿山法隧道或盾构隧道穿越电塔施工，对于中等断面且上覆有较厚黏土地层的矿山法隧道穿越电塔的影响研究较少。鉴于此，本文以成都地铁 6 号线三期工程某矿山法区间隧道侧穿电塔为例，通过数值模拟的方法对比分析隔离桩加固对隧道侧穿电塔的影响规律，并结合现场实测数据对加固效果进行评价。本文研究可为类似工程施工提供参考和借鉴。1工程概况成都地铁 6 号线三期工程某隧道区间为双洞单562023 年线形式，左线长 4723 m，右线长 4227 m，左线与右线隧道中轴线距离为 152 m，采用复合式衬砌结构，上下两台阶法开挖。隧道断面为马蹄形，最大开挖高度约为 70 m，最大宽度为 66 m，开挖面积约为381 m2，为中等断面隧道，隧道埋深为 64160 m。区间隧道左线侧穿一座 35 kV 输电线路电塔，电塔高 216 m，根开为 43 m，基础埋深为 30 m，隧道左线外缘与基础竖向净距约为 52 m，最小水平净距约为 31 m。侧穿段隧道埋深约为 82 m，区间隧道所处地层从上至下依次为杂填土、可塑黏土、软塑黏土、强风化泥岩和中风化泥岩地层，其中可塑黏土与软塑黏土厚度达到 55 m，隧道围岩综合分级为 V 级。区间隧道与电塔的位置关系如图 1所示。图 1区间隧道与电塔的位置关系Fig1elative location of interval tunnel and pylon区间隧道在穿越 35 kV 输电线路电塔前，沿隧道线路方向在电塔基础(以下简称“塔基”)周边施作单排钢管隔离桩。隔离桩距塔基不小于 2 m，采用长为 7 m 的 108 mm 热轧无缝钢花管，管中心间距为 08 m，打设长度为 10 m。钢花管上钻注浆孔，孔径为 1016 mm，孔间距为 113 mm，注浆孔呈梅花形布置。2数值计算模型及计算工况21基本假定数值模拟采用 FLAC3D 有限差分软件，岩土体采用摩尔库仑本构模型，隧道初期支护(以下简称“初支”)、电塔结构及基础采用弹性模型。建模时，隧道初支、岩土体及塔基均采用实体单元模拟，电塔采用梁结构单元模拟。根据刚度等效原则，隧道初支采用统一的计算参数。电塔模型忽略风荷载作用，但考虑到电线的牵引力，通过在电塔特定节点处施加集中力的方式进行模拟。计算过程中，为了简化钢管隔离桩注浆加固过程，不考虑浆液的凝固过程。22三维数值计算模型选取沿隧道掘进方向 66 m，自隧道左、右线边缘向两侧及下部各延伸 20 m 范围内的岩土体建立三维数值计算模型(满足至少 3 倍洞径要求)，模型总体边界尺寸为 607 m(横向)660 m(纵向)353m(竖向)。模型上表面为自由面，底面施加竖向约束，前后和左右边界各施加与之垂直的水平约束。区间隧道电塔三维数值计算模型如图 2 所示。地层及建构筑物的主要物理力学参数如表 1 所示。图 2区间隧道电塔三维数值计算模型Fig2Three-dimensional numerical calculation model of inter-val tunnel and pylon表 1地层及建(构)筑物主要物理力学参数Tab 1Main physical and mechanical parameters ofstratum and building structure地层及建(构)筑物名称体积质量/(kg/m3)厚度/m泊松比弹性模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/()杂填土1 800100410010可塑黏土1 9603003243013软塑黏土1 840250313189强风化泥岩2 20030021807530中风化泥岩2 3502600240050034隧道初支2 5000228 000塔基2 5000228 000电塔结构7 80003206 000隔离桩220320023施工过程模拟及计算工况在隧道开挖前，首先考虑自重进行初始地应力平衡计算，然后将位移清零作为分析的初始状态。该区66第 1 期研究报告间隧道采用上下台阶法施工，上台阶开挖步长为 1m，台阶长度为 4 m;下台阶左右交替开挖，一次开挖步长为 2 m，且左右两侧错开 4 m。根据现场实际施工情况，在上下台阶贯通后进行仰拱开挖。通过FISH 语言编写循环结构模拟矿山法开挖过程。开挖循环内容主要包括:开挖上台阶土体，施作上台阶初支;开挖左侧(或右侧)下台阶土体，施作左侧(或右侧)下台阶初支;隧道上下台阶贯通后，逐步开挖仰拱土体，并逐步施作仰拱初支。本次数值计算模拟采用右线在前、左线在后，两条隧道平行开挖的方式，左、右线开挖面前后错开 6 m。本文共计算了两种工况:未采取加固措施;采取钢管隔离桩注浆加固措施。3计算结果分析31地面位移分析左、右线隧道开挖完成时，两种工况下电塔中心断面处(T1 与 T3 连线中点位置)地面位移变化曲线如图 3 所示。由图 3 可知，未采取加固措施时，双线隧道贯通时地面沉降槽呈 W 形分布，地面位移峰值出现在左、右线隧道拱顶位置处，分别为 1330mm 与 1320 mm，均在监测预警值范围内。采取加固措施后的地面沉降槽与未加固时类似，差异主要出现在加固处两侧约 600 m 范围内，隔离桩加固使地面沉降明显减小，且减小量的最大值出现在隔离桩位置，为457 mm，相比于未加固时的 975 mm，降低了约 469%。图 3双线隧道贯通后地面位移变化曲线Fig3Curve of land subsidence change after double track tun-nel completion32塔基竖向位移与倾斜分析选取电塔 4 个脚点(其具体位置见图 1 a)，分析矿山法隧道掘进时的电塔位移变化规律。两种工况下，T1T4 脚点随隧道开挖的塔基竖向位移变化曲线如图 4 所示。图 4两种工况下的塔基竖向位移变化曲线Fig4Curve of pylon foundation vertical displacement changeunder two working conditions由图 4 可知，随着隧道不断掘进，塔基竖向位移变化大致分为 3 个阶段:基本保持不变，后出现略微隆起;出现明显沉降，其变化速率表现出先快再稳定最后变慢的特点;塔基沉降变化趋于稳定，数值变化较小。通过计算可以发现，第 1 阶段与第 2 阶段的分界点出现在右线隧道距离电塔 8 m 左右的位置，第 2 阶段与第 3 阶段的分界点大致出现在左线掌子面通过电塔处。由此可以说明，在矿山法隧道侧穿电塔时，当隧道掌子面进入电塔一侧 8m 范围后，塔基开始出现明显沉降，直至隧道掌子面穿越电塔后开始趋于稳定。当隧道掌子面距离电塔超过 8 m 时，隧道掘进对塔基竖向位移的影响较小，可以忽略不计。两种工况下的塔基最终竖向位移如图 5 所示。由图 5 可知，塔基沉降大小关系表现为 T1 沉降量T4 沉降量T2 沉降量T3 沉降量，与 T1T4 脚点距左线隧道距离远近关系一致，即距离隧道越近，塔基沉降越大，但两者之间并非呈线性关系。此外，从图 5 中还可以发现，采取钢管隔离桩加固对于塔基的沉降变化具有明显的影响。两种工况下，塔基的沉降变化规律基本一致，但加固后距离隧道较近一侧塔基的最终沉降明显降低，而较远一侧的塔基最终沉降略微变大。例如，采取加固措施后，相比于未加固时 T1 处的最终竖向位移