1. 前言
近年来中国城市化发展正在快步进行，而随着城市的快速发展，已有的电网系统容量将无法满足发展的需要，需要结合城市规划对原电网系统进行扩容改造或者新建。根据目前的城市发展要求，越来越多的电网线路工程需要结合综合管廊进行入地敷设，以节省地面宝贵的城市土地资源。在城区建设暗挖电缆隧道多采用盾构法或者顶管法 [1] [2]，而盾构法隧道施工速度快，能适应各类复杂环境，并且对周围建构筑物影响小，加之施工方便快捷，因此在城市电缆隧道中得到了越来越多的应用 [3] [4]。
而在城区建设电缆隧道，势必需要穿越各类已有建构筑物，如若设计方案不合理或施工参数控制不当，将会造成较大的土层位移从而引起已有建构筑物的开裂甚至坍塌 [5] [6] [7]，近年来由于地下工程施工造成的工程事故不在少数。因此如何在电缆隧道施工时尽量减小对周边建构筑物的影响一直是工程界普遍关心的问题 [8] [9] [10] [11]。
目前在电缆入地方案中运用盾构隧道技术的工程实例并不多见，本文基于某城区电缆盾构隧道工程，对其中关键节点进行了沉降变形分析，并针对变形位移趋势给出了相应的加固措施 [12]，对未来工程有一定参考价值。
2. 工程概况
本工程位于中心城区，沿线路路径电缆敷设在城市地下电缆隧道内。隧道沿线需穿越已有地铁线路、高架桥、河道、沿线房屋等各类已有建构筑物。结构形式采用盾构法隧道，隧道断面内径5.5 m，外径6.2 m，壁厚350 mm，错缝拼装，管片宽度1.2 m，电缆隧道断面如图1所示。
Figure 1. Cross section of cable tunnel
图1. 电缆隧道横断面图
3. 工程地质
本工程场地内盾构穿越的主要地层及主要力学指标见表1：
Table 1. Physical and mechanical properties of soil layers
表1. 各土层物理力学性质指标
4. 电缆隧道施工沉降变形分析
根据以往工程经验，电缆隧道施工过程中侧穿建构筑物比正下方穿越更为危险，容易造成建构筑的倾斜和不均匀沉降，本工程电缆隧道线路有一处同时侧穿已有桥梁及地面房屋，需要重点关注。
已有桥梁采用钻孔灌注桩，桩长23.5 m，桩底在隧道底以约15 m。已有房屋为浅基础，基础埋深约2 m。新建电缆隧道侧穿本节点时距离桥涵桩基最近处水平距离不足2 m，距离浅基础水平距离约2 m。
4.1. 计算模型
采用有限元建模对电缆隧道施工过程进行开挖模拟，以计算分析施工对桥涵及房屋造成的沉降变形影响。
盾构电缆隧道外径为6.2 m，管片厚度为0.35 m，环宽1.2 m，与桥涵桩基最小平面净距2 m，与电信办公房最小平面净距2.03 m。盾构电缆隧道埋深约12 m，掌子面水土静压力经计算约为160 kpa，正面顶推力设置为140 kpa。管片侧摩阻力取10 kpa/m计算。盾构机长度为8.32 m，盾构机自重荷载为340 t，随盾构施工前进。施工过程中土层损失率一般按2%控制。
有限元模型宽度方向取200 m，长度取100 m，厚度取至基岩面。网格划分后整体有限元模型如图2所示。模型中桥涵、电缆隧道、浅基础房屋之间的相互位置关系如图3、图4所示。
Figure 3. Axonometric model of shield cable tunnel, bridge and building
图3. 盾构电缆隧道与桥涵及电信办公房模型轴测图
Figure 4. Spatial location relationship between cable tunnel, bridge and building
图4. 盾构电缆隧道与桥涵及电信办公房空间位置关系
4.2. 计算工况
模型中共分86个施工步进行计算。
具体步骤为：位移清零1→位移清零2→盾构施工1 (S1)→盾构施工2 (S2)→盾构施工3 (S3)→……→盾构施工83 (S83)→盾构施工84 (S84)。
其中位移清零1为全土层的地应力平衡步，位移清零2为激活桥涵和房屋后的地应力平衡步。从盾构施工1 (S1)开始，每一个施工步都是开挖一环土体，同时激活当前步的管片结构，直至模型内管片全部激活完毕。对每一个施工步的位移变形及结构受力进行计算。
4.3. 结果分析
本节只列出变形较大方向的位移云图。
桥涵基础在电缆隧道盾构施工结束后的Z方向位移云图如图5所示。
电缆隧道盾构施工结束后，桥涵的最大纵向水平位移为0.571 mm，最大横向水平位移为0.193 mm，最大竖向位移为1.74 mm。可见，在下方进行电缆隧道开挖施工时，由于土层存在开挖变形并且存在一定程度的土层损失，上部土层逐渐向隧道方向发生位移，从而带动桥涵产生了向下的沉降变形和靠近电缆隧道的水平变形。
(max: 0.143 mm, min: −1.74 mm)
Figure 5. Vertical (Z) displacement cloud diagram of cable tunnel side crossing bridge
图5. 盾构电缆隧道侧穿桥涵的竖直方向(Z方向)位移云图
桥涵桩基在电缆隧道盾构施工结束后X方向的位移云图如图6所示。
电缆隧道盾构施工结束后，桩基的最大横向水平位移为1.89 mm，最大值出现在桩身靠近隧道下方；最大纵向水平位移为0.916 mm，最大值出现在桩身靠近隧道上方；最大竖向位移为0.322 mm。桥桩主要出现向隧道开挖区域的水平和竖向变形。相比于桥涵而言，桩基的水平位移较竖向位移更大，这是由于桩端位于隧道下方，而隧道开挖主要在桩基中部标高位置，对桩端影响较小；而在中部位置的土层向隧道方向位移，带动桩基产生水平变形。
(max: 0.487 mm, min: −1.89 mm)
Figure 6. Horizontal (X) displacement cloud diagram of pile foundation after cable tunnel passing through bridge
图6. 盾构电缆隧道侧穿桥涵后桩基的水平方向(X方向)位移云图
桥涵基础在电缆隧道盾构施工的各阶段，其最大位移变化曲线图如图7所示。随着盾构施工不断推进，桥涵基础的水平变形不断增大，当盾构推进经过基础所在区域后，水平变形又逐渐减小；随着盾构施工不断推进，桥涵基础的竖向沉降变形持续增大，当盾构推进经过桥涵所在区域后，竖向沉降变形又缓慢减小，之后基本保持不变。在整个施工过程中，桥涵基础的最大横向水平位移为0.225 mm，最大纵向水平位移为0.476 mm，最大竖向位移为1.147 mm。可见由于桥涵桩基较深，桥涵本体的抗变形能力较强。
Figure 7. Curve of maximum deformation value of bridge in each direction during shield tunneling of cable tunnel
图7. 桥涵在电缆隧道盾构掘进过程中各方向最大变形值曲线图
桥涵桩基在电缆隧道盾构施工的各阶段，其最大位移变化曲线图如图8所示。随着盾构施工不断推进，桩基的水平变形不断增大，当盾构推进经过桩基所在区域后，水平变形又缓慢减小，最终趋于平稳；随着盾构施工不断推进，桩基的竖向沉降变形持续增大，盾构推进经过桩基所在区域后，竖向沉降变形又缓慢减小，之后基本保持不变。在整个施工过程中，桩基的最大横向水平位移为1.89 mm，最大纵向水平位移为0.916 mm，最大竖向位移为0.322 mm。
Figure 8. Curve of maximum deformation value of bridge pile foundation in each direction during shield tunneling of cable tunnel
图8. 桥涵桩基在电缆隧道盾构掘进过程中各方向最大变形值曲线
电信办公房基础在电缆隧道盾构施工结束后Z方向的位移云图如图9所示。
电缆隧道盾构施工结束后，电信办公房基础的最大横向水平位移为1.18 mm，最大纵向水平位移为0.178 mm，最大竖向位移为3.387 mm。可见浅基础的抵御变形能力明显弱于桩基础，电信办公房基础主要出现向下的沉降变形和靠近电缆隧道的水平变形。下方隧道开挖时会引起地表土层向隧道中心发生类似碗状的沉降变形，受土体变形影响，浅基础构筑物在靠近隧道一侧的竖向变形较大，同时还有一定程度的水平位移。
(max: 0.418 mm, min: −3.387 mm)
Figure 9. Cloud diagram of vertical direction (Z) displacement of shield cable tunnel passing through the building
图9. 盾构电缆隧道侧穿房屋的竖向方向(Z方向)位移云图
电信局办公房最外侧基础边线在电缆隧道盾构施工的各阶段，其最大位移变化曲线图如图10所示。随着盾构施工不断推进，基础的水平位移不断增大，当盾构推进经过房屋所在区域后，水平位移又逐渐减小；随着盾构施工不断推进，基础的竖向沉降不断增大，盾构推进经过基础所在区域后，竖向沉降变形基本趋于平稳。
Figure 10. Curve of maximum deformation value of building in each direction during shield tunneling of cable tunnel
图10. 电信办公房基础在电缆隧道盾构掘进过程中各方向最大变形值曲线
图11给出了盾构电缆隧道纵向位移曲线。计算模型模拟了100 m长的电缆隧道，则管片结构纵向最大差异变形为(7.42 − 5.40)/36 = 0.56 mm/10 m，满足结构安全控制指标要求。由隧道沉降变形曲线可看出，隧道本体也会收到周围已有建构筑物的影响，对本模型而言，在桥涵桩基位置，由于桥涵加桩基的结构形式刚度较大，因此抵御了一部分土层变形，使得此区域内的隧道变形也相对较小。
(max: 7.42 mm, min: 4.32 mm)
Figure 11. Cloud diagram of longitudinal displacement of shield cable tunnel
图11. 盾构电缆隧道纵向位移云图
5. 侧穿建构筑物的加固措施
根据上述分析可知，电缆隧道侧穿已有建构筑物时，已有结构主要发生向下的沉降变形和靠近隧道的水平位移。为确保工程安全，减小建构筑物朝向隧道方向的变形，对桥涵桩基采用垂直袖阀管注浆加固，对浅基础房屋采用斜向袖阀管注浆加固以加固浅基础下方区域，如图12所示。同时在穿越区段内采用工后隧道内径向注浆，并且增加同步注浆及二次注浆量。
Figure 12. Schematic diagram of building reinforcement
图12. 房屋加固示意图
6. 结语
电力隧道施工过程中需要重点关注沿线已有建构筑物产生的沉降变形问题，本文对隧道侧穿桥涵及房屋等关键节点处各结构在施工过程中的位移变形进行了计算分析。
结果表明：
下方隧道的开挖将引起上部土层逐渐向隧道方向发生位移变形，并带动上部已有建构筑物发生相应方向的变形，当隧道穿越之后变形基本趋于稳定；隧道开挖影响区域主要在开挖深度以上，对于较深的桩基而言，开挖对其造成的竖向变形影响不大，主要是水平方向的变形影响；同时隧道本体结构的变形也会受到已有建构筑物刚度的影响，在刚度较大区域，隧道本体产生的变形较小。
本工程电缆隧道盾构施工结束后，桥涵本体产生最大竖向位移为1.74 mm；桥涵桩基的最大横向水平位移为1.89 mm；电信办公房基础的最大横向水平位移为1.18 mm，最大竖向位移为3.387 mm；电缆隧道管片结构纵向最大差异变形为(7.42 − 5.40)/36 = 0.56 mm/10 m。
盾构隧道及已有建构筑物的变形均满足结构安全控制指标要求。
NOTES
*通讯作者。