摘要：探究電力隧道頂管法施工過程中地表變形規(guī)律，對保障電力隧道穩(wěn)定性和電力持續(xù)供應(yīng)至關(guān)重要。依托集美新城學府路至縱一路電力隧道工程項目，采用數(shù)值模擬方法建立電力隧道頂管法施工三維數(shù)值模型，探究電力隧道頂管法施工過程中土體豎向位移、水平位移及軸向位移的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著頂管頂進距離的增大，橫截面及縱截面的地表沉降、水平位移及軸向位移均呈現(xiàn)出增大趨勢，橫縱截面的最大地表沉降值分別出現(xiàn)在隧道中軸線位置和第一節(jié)管節(jié)位置；頂管推進范圍內(nèi)、頂管上部及底部土體水平位移和軸向位移方向存在差異。

關(guān)鍵詞：電力隧道；頂管法；地表變形；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著城市化進程的加快和電力需求的不斷增長，電力隧道作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其施工質(zhì)量對保障電力供應(yīng)具有重要意義[1]。頂管法施工是一種常用的施工方法，其施工過程產(chǎn)生的地表變形問題一直是隧道工程常見問題之一[2]。隧道施工引起的地表變形，會對周圍建筑物、管線等地下設(shè)施產(chǎn)生不利影響[3]，因此對電力隧道頂管法施工地表變形進行深入研究，具有重要的理論和實際意義。

目前，已經(jīng)有多位學者針對頂管法施工過程中的地表變形開展了相關(guān)研究。楊松松等[4]采用FLAC3D對8種頂管群施工順序進行數(shù)值模擬，研究了不同施工順序?qū)Φ乇碜冃蔚挠绊?。研究結(jié)果顯示，先施工管幕上排頂管可減小地表沉降量，并形成管間微型土拱和組合土拱效應(yīng)。王梅等[5]通過大型模型試驗發(fā)現(xiàn)，管土拱效應(yīng)的施工順序?qū)Φ乇沓两涤酗@著影響，最佳順序為先施工管幕上排頂管，再施工管幕兩側(cè)及下排頂管。李鵬等[6]通過實際工程案例研究頂管法施工地表變形規(guī)律，提出后掘隧道對先行隧道地表變形影響存在疊加區(qū)。

現(xiàn)有研究中，針對小直徑淺埋電力隧道頂管法施工地表變形的研究較為缺乏。鑒于此，本文依托集美新城學府路至縱一路電力隧道工程項目，采用數(shù)值模擬方法，對頂管推進過程中的地表變形開展研究。研究成果可為電力隧道頂管法施工的安全和可靠性提供參考，為相關(guān)工程實踐提供技術(shù)支持。

1" "工程概況

本文依托集美新城學府路至縱一路電力隧道工程項目，該項目位于廈門市集美區(qū)軟件園片區(qū)。該工程新建鋼筋混凝土隧道共700m，頂管長220m，頂管工作井4座，隧道安全出口2座，通風口3座，通風投料口2座。

電力隧道為單艙設(shè)置，納入管線為110kV及以上電力電纜。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100年，隧道內(nèi)按一級耐火等級考慮，結(jié)構(gòu)安全等級為一級，構(gòu)建重要系數(shù)取1.1。項目所在地區(qū)處于濕潤半濕潤氣候區(qū)，地下水位埋深7.89～29.04m。

2" "建立數(shù)值模型

基于實際工程概況，建立電力隧道頂管法施工三維數(shù)值分析模型。在模擬過程中做出一下基本假設(shè)：假設(shè)土體為各向同性且為線彈性材料，不考慮各向異性的影響；假設(shè)頂管頂進方向為直線；假設(shè)地面無荷載，工作面壓力值恒定；假設(shè)管節(jié)材料為各向同性且表面平整，不考慮各管節(jié)之間剛度不同的影響。

通常情況下，頂管法施工對土體的擾動范圍為管節(jié)直徑的3～5倍，因此模型計算范圍在x軸方向取20m，y軸方向取30m，z軸方向取15m，建立模型時以初始開挖面管節(jié)中軸線為坐標原點。

混凝土管節(jié)使用彈性材料模擬，各節(jié)長度為1.5m，外徑為1800mm，內(nèi)徑為1500mm，頂進深度為18m，埋深為4.5m，工具管外徑為1850mm。

采用三節(jié)點單元對模型進行網(wǎng)格劃分，對開挖區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，以提高計算精度。劃分完畢后共有節(jié)點數(shù)25777個，單元數(shù)140425個。三維數(shù)值模型圖如圖1所示，模型材料參數(shù)如表1所示。

3" "模擬結(jié)果分析

3.1" "豎向位移分析

3.1.1" "橫截面豎向位移變化

以頂進距離9m位置為監(jiān)測截面，監(jiān)測得到橫截面豎向位移變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，隨著頂進距離的增大，橫截面地表沉降值逐漸增大。在電力隧道頂管法施工完畢后，即頂進18m后，地表沉降值最大達到-10.19mm。最大地表沉降值出現(xiàn)在隧道中軸線位置，沿著中軸線向隧道兩側(cè)，地表沉降值逐漸減小。

分析認為，隧道軸線位置距離開挖面最近，土體的壓縮和沉降程度最大。而隨著開挖面向兩側(cè)擴展，距離開挖面的距離增加，土體的壓縮和沉降程度逐漸減小，導致地表沉降值逐漸減小。

隨著開挖面與監(jiān)測截面距離的減小，地表沉降值逐漸增大，開挖面通過監(jiān)測截面后，地表沉降值持續(xù)增大。這是因為當開挖面接近或穿過監(jiān)測截面時，工具管的外徑大于后續(xù)管節(jié)，導致超挖。同步注漿難以及時填充超挖空隙，土體釋放開挖應(yīng)力，導致隧道上部土體支撐力減小，使得地表沉降值逐漸增大。

開挖完畢后，地表沉降值大于-1mm的范圍為-7.5～7.5m，說明頂管法施工的橫向影響范圍為管節(jié)外徑的-4～4倍。

3.1.2" "縱截面豎向位移變化

縱截面豎向位移變化如圖3所示，由圖3可知，縱截面頂管頂進范圍內(nèi)相同位置的地表沉降值，隨著頂進距離的增大逐漸增加。隨著頂管的頂進，土層受到頂管重力和隧道周圍土體的擠壓作用，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重新排列，引起土體沉降。

由于頂管是逐步向前推進的，而非一次性完成，因此在頂進范圍內(nèi)相同位置的土體，會隨著頂進距離的增大而受到更多的擠壓和破壞，從而導致地表沉降值逐漸增加。

最大地表沉降值出現(xiàn)在第一節(jié)管節(jié)位置，即y=0處，沿著頂管頂進方向，隨著縱截面距離的增大，地表沉降值逐漸減小。第一節(jié)管節(jié)施工會導致地表土體的立即沉降。第一節(jié)管節(jié)位置下方的土體受到的管節(jié)荷載作用更為集中，從而導致地表沉降更為明顯。

此外，施工初始階段的工作面對地表的影響較大，隨著工作面的推進，影響范圍逐漸向兩側(cè)擴散，導致地表沉降逐漸減小。

3.2" "水平位移分析

3.2.1" "土體水平位移隨頂進距離變化

選取頂進距離9m為監(jiān)測截面，監(jiān)測得到頂管右側(cè)距離頂管軸線1.5m位置，土體水平位移隨頂進距離變化曲線如圖4所示。

觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，與頂管軸線平行的土體出現(xiàn)遠離頂管方向的正水平位移，而頂管上部和底部出現(xiàn)靠近頂管的負水平位移。在頂管頂進距離為18m時，管節(jié)中軸線位置土體水平位移最大值為0.52mm，頂管上部和底部水平位移最大值分別為-3.21mm和-1.22mm。

分析認為，與頂管軸線平行位置的土體，由于受到頂管頂進施工的側(cè)向擠壓作用，發(fā)生向遠離頂管方向的正水平位移。而頂管上部和底部的土體，受到頂管推進作用的影響，發(fā)生向靠近頂管方向的負水平位移。

3.2.2" "土體水平位移隨頂管距離變化

土體水平位移隨頂管距離變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著土體與頂管軸線距離的減小，軸線位置、頂管上部及底部土體水平位移沿原方向逐漸增大。隨著頂管推進，土體受到推力和頂管側(cè)壓力的作用，從而發(fā)生變形。

當土體與頂管軸線距離減小時，土體受到的側(cè)壓力逐漸增大，導致土體內(nèi)部的土顆粒重新排列從而產(chǎn)生位移，使水平位移逐漸增大。

在頂管上部，土體水平位移呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，位于頂管底部土體水平位移呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢，除軸線位置的土體外，其余位置土體均產(chǎn)生靠近頂管的負水平位移。

3.3" "軸向位移分析

選取y=20m為監(jiān)測截面，建冊得到土體軸向位移隨頂進距離變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，在頂進距離為3m和6m時，土體軸向位移變化不明顯。頂進距離達到9m后，隨著頂進距離的增大，土體軸向位移逐漸增大。

在頂管頂進范圍內(nèi)，土體有沿著頂進方向的位移趨勢，位于頂管上方的地表土體及頂管下方的深層土體有與頂進方向相反的位移趨勢。

在頂管中，隧道開挖面向前推進時，頂部和底部的土體受到隧道開挖面向前推進的擠壓作用，導致其向后產(chǎn)生軸向位移。頂管向前推進時，對頂進范圍內(nèi)的土體施加水平推力，導致土體沿著推進方向產(chǎn)生軸向位移。

頂管施工完畢后，監(jiān)測截面沿著頂進方向的正軸向位移最大值為1.73mm，與頂進方向相反的負軸向位移最大值為-0.66mm。

4" "結(jié)束語

本研究依托集美新城學府路至縱一路電力隧道工程項目，通過數(shù)值模擬方法探究電力隧道頂管法施工過程中的土體豎向、水平及軸向位移的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

橫截面地表沉降值隨著頂進距離的增大逐漸增大，最大地表沉降值出現(xiàn)在隧道中軸線位置，頂管法施工的橫向影響范圍為管節(jié)外徑的-4～4倍?？v截面頂管頂進范圍內(nèi)相同位置的地表沉降值，隨著頂進距離的增大逐漸增加，最大地表沉降值出現(xiàn)在第一節(jié)管節(jié)位置。

與頂管軸線平行的土體出現(xiàn)遠離頂管方向的正水平位移，而頂管上部和底部出現(xiàn)靠近頂管的負水平位移。隨著土體與頂管軸線距離的減小，土體水平位移逐漸增大。隨著頂管頂進距離的增大，土體軸向位移逐漸增大。在頂管頂進范圍內(nèi)，土體有沿著頂進方向的軸向位移趨勢，地表土體及深層土體則產(chǎn)生與頂進方向相反的軸向位移。在沉降較大的位置，可考慮采用注漿加固等措施，以保證施工安全。

參考文獻

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