暗挖电缆隧道与在建行车隧道相互影响研究

暗挖电缆隧道与在建行车隧道相互影响研究

 雷蕊忆

重庆交通大学 重庆 400074

摘要：为了研究暗挖电缆随道与在建行车隧道开挖及修建过程中的相互影响，基于有限元软件MIDAS建立了三维有限元模型，首先模拟了在建行车隧道开挖修建及回填的过程，然后分析了行车隧道开挖至修建完成的过程中不同施工阶段对临近暗挖电缆随道的影响。研究结果表明：电缆隧道开挖到行车隧道开挖回填的实施整个过程地层最大横向及最大纵向变形，最大沉降、隆起变形总体呈上升趋势，但变形量都较小，可以看出整个实施过程对地层的影响很小；最大变形在电缆隧道最左侧且与竖井连接处，基坑最大变形为0.43mm，位于竖井底部；最大横向变形位于左侧竖井与电缆隧道连接处，为0.10mm；最大纵向变形位于电缆隧道稍右侧，为0.14mm，电缆隧道开挖衬砌所引起隧道周围围岩变形较小。

关键词：电缆隧道；变形控制；超限安全评估

1  引言

近年来，我国大型输电线路跨区域越来越广，电力系统的安全稳定运行面临更多挑战[1]，将架空线路转化为地下电缆送电会是城市电路发展的新趋势。随着我国城市化和建筑技术的飞速发展，城市地下空间发挥着越来越重要的作用[2]，近些年地下电缆隧道工程屡见不鲜。随着开挖深度的不断变大，加之周边环境的复杂多变，施工中对其变形的要求越来越严格[3-4]，一方面，基坑的施工要保证自身安全稳定；另一方面，要尽可能减少其对周边隧道等建筑物的影响，因此研究和控制隧道在施工中的变形具有重要意义。鉴于电缆隧道与行车隧道交叉段施工期安全性分析是设计和施工的重要环节[10]，本文结合临近行车隧道的开挖及修建，利用有限元研究了各施工步骤中其自身的变形及对临近暗挖电缆隧道的影响，计算结果可有效指导现场施工，保证隧道结构安全。

2  研究区概况

拟建工程线路全长约9.3km，根据设计方案，行车隧道下穿道将会先行施工，后进行平场工作。暗挖电缆隧道距行车隧道垂直距离约12.15m。行车隧道两侧设有桩板挡墙，间隔5m。

3  Midas-GTS模拟方法概述

MIDAS-GTS主要针对岩土隧道领域的结构分析所需要的功能直接开发的程序，是通用有限元程序与岩土及隧道专业技术的结合。本次岩土体材料采用M-C模型，是模拟岩土材料最常用的一种模型，隧道结构、建筑基础等采用弹性本构方程。

4  有限元模型的建立

根据平面位置关系，选择三维数值计算模型，计算分析电缆隧道施工安全评估和后续行车隧道开挖及建成对已建电缆隧道主体结构影响。根据建设时序，计算时选择如下计算步骤：初始地应力计算；竖井开挖衬砌、电缆隧道开挖衬砌；行车隧道开挖前板桩挡墙修建；行车隧道开挖、行车隧道修建及回填。

5  隧道结构内力变形分析

5.1  变形影响分析

5.1.1  地层变形分析

从电缆隧道开挖到行车隧道开挖回填的实施整个过程地层最大横向及最大纵向变形，最大沉降、隆起变形总体呈上升趋势，但变形量都较小，可以看出整个项目实施过程对地层的影响很小。

根据Midas-GTS计算结果，电缆隧道建设完成后，地层最大变形在电缆隧道最左侧且与竖井连接处，基坑最大变形0.43mm，在竖井底部；最大横向变形为0.10mm，位于左侧竖井与电缆隧道连接处；最大纵向变形为0.14mm，位于电缆隧道稍右侧，电缆隧道开挖衬砌所引起隧道周围围岩变形较小。行车隧道建设完成后，最大变形4.72mm，位于隧道底部连接处的中风化泥岩；最大横向变形位于行车隧道右线底部基岩处，为3.46mm；最大纵向变形位于行车隧道左线回填处，为0.45mm，行车隧道开挖所引起隧道周围围岩变形较小。

5.1.2  电缆隧道结构变形分析

从电缆隧道开挖衬砌到行车隧道的修建回填整个过程，隧道结构最大横向变形、最大纵向变形，最大沉降和隆起变形总体呈上升趋势，但变化幅度不大，在行车隧道开挖过程中，电缆隧道隆起值最大，但变形量都较小，整个项目实施过程对电缆隧道结构的影响很小。当电缆隧道建设完成后，最大竖向变形为0.42mm，位于电缆隧道左侧与竖井连接处；最大横向变形为0.06mm，最大纵向变形为0.14mm，均位于电缆隧道偏右侧，电缆隧道及其周边围岩变形均很小。行车隧道建设完成后已建电缆隧道主体结构变形，最大竖向变形为2.40mm，最大横向变形为0.63mm，均位于行车隧道左线下方的电缆隧道结构处；最大纵向变形为0.16mm，位于电缆隧道偏右侧，变形均很小。因此，电缆隧道建设及行车隧道建成对电缆隧道结构变形影响很小，不影响隧道正常运营使用。

行车隧道修建仅在其实施范围局部产生塑性变形，在电缆隧道周围无塑性变形。因此可判断行车隧道建设及建成不降低电缆隧道周围围岩强度，不影响电缆隧道稳定性。

5.2  结构应力分析

对电缆隧道结构应力分布进行提取，进一步分析行车隧道实施对电缆隧道的影响。因为行车隧道的开挖卸载，隧道结构的最大拉应力和压应力有所减少，随着行车隧道的修建回填，隧道结构的最大压应力有所增大。隧道结构采用C35混凝土，C25混凝土进行二次衬砌，根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》（JTG 3370.1-2018）

]C25混凝土的抗拉、轴心抗压设计值为1.27MPa、11.9MPa，隧道结构的最大拉应力≤1.27MPa，隧道结构的最大压应力≤11.9MPa，隧道结构安全。

根据电缆隧道修建完成的应力分布云图，电缆隧道主体结构修建完成时拉应力最大值为843.09kPa，位于电缆隧道中部偏左的拱侧，最大压应力为4547.61kPa，位于电缆隧道中部拱顶处；行车隧道开挖完成时电缆隧道主体结构初始拉应力最大值为797.12kPa，位于电缆隧道中部偏右的拱顶，最大压应力为4116.01kPa，位于电缆隧道右侧的拱顶。

行车隧道修建完成，电缆隧道主体结构初始拉应力最大值为794.62kPa，位于电缆隧道中部偏右的拱顶，最大压应力为4383.09kPa，位于电缆隧道右侧的拱顶。根据分析可知，行车隧道建设及建成使用，不改变电缆隧道受力状态，电缆隧道仍满足原设计要求；行车隧道建设及建成使用所引起已建电缆隧道结构变形很小，不影响其结构安全及运营。

6  结论

通过对暗挖电缆隧道的修建与行车隧道的相互影响计算分析，得出以下结论：

（1）修建道路基坑开挖与隧道基坑开挖，地层的位移量较小，在可控范围；行车隧道修建与回填过程隧道的变形量较小，过程应力变化主要由地层卸载和加载变化，应力都满足安全要求，不影响明挖电缆隧道结构的安全和运营；

（2）通过建立电缆隧道的三维模型计算分析，电缆隧道满足规范设计安全要求；电缆隧道建设及建成使用所引起四周围岩及地层结构变形很小，不影响其结构安全；隧道附近地层变形较小，隧道修建对周围建筑物影响不大。

参考文献：

[1] 李勋, 张宏钊, 黄荣辉等. 基于有限元法的输电线路杆塔接地网电磁特性研究[J]. 水电能源科学, 2015, 33(10)：160-163.

[2] 李光明, 李明生. 悬挂式止水帷幕基坑降水控制措施研究[J]. 地下空间与工程学报, 2020, 16(3)：921-932.

[3] 刘永超, 王清龙, 朱明亮等. 型钢旋喷桩深基坑支护技术在室内复杂环境下的设计和应用[J]. 岩土工程学报, 2014, 36（增刊1）：56-59.

[4] 刘军, 钱巍. 珠海地铁横琴站软土深基坑的变形分析[J]. 路基工程, 2020(3)：146-150.