下穿高壓輸電塔大跨度隧道結構監測中傳感器的應用*

晏 莉， 張 震， 陽軍生

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114； 2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410003； 3.中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙 410075)

下穿高壓輸電塔大跨度隧道結構監測中傳感器的應用*

晏 莉1， 張 震2， 陽軍生3

(1.長沙理工大學 土木與建筑學院，湖南 長沙 410114； 2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙 410003； 3.中南大學 土木建筑學院，湖南 長沙 410075)

為了保證上覆高壓輸電塔的安全正常運行，必須要掌握下穿隧道施工對地層的擾動和支護結構的受力情況。結合李家沖隧道下穿500kV高壓輸電塔實體工程的現場監控量測，介紹了相關監測方案及其監測結果。結果顯示：隧道施工過程中，圍巖變形趨于穩定，鋼拱架和二襯內力的安全系數均滿足設計規范要求，說明隧道施工方案合理，工程結構穩定可靠，所用傳感器有效完成相關監測任務。

傳感器； 大跨度隧道； 高壓輸電塔； 監測

0 引 言

高壓輸電塔在電力傳輸過程中占有至關重要的地位，其安全可靠性直接關系到整個電力系統的安全與經濟運行。目前，隨著我國高速鐵路和高速公路的大量建設，許多隧道工程建設遇到了高壓輸電塔位于隧道上方的情況[1～3]。在這種情況下，如何減少隧道施工對地層的擾動，從而保證隧道上方高壓輸電塔的正常安全運行，顯得尤為重要。

京珠復線長湘高速公路李家沖隧道為大跨度雙向六車道分離式隧道，設計時速120 km/h，隧道開挖最大跨度為18.03 m，高度為12.31 m。隧道全線均為淺埋，最大埋深39 m。左右測線最小間距為28.9 m，屬于小間距隧道。隧道圍巖為Ⅴ級。隧道所處地貌屬于剝蝕性丘陵地貌，山體形態不規則，其山脈走向北西向，洞身橫穿山體鞍部，溝谷發育，地形切割強烈，起伏變化較大。

隧道經過區域有一座500 kV高壓輸電線鐵塔，總塔高57 m，處于李家沖隧道右洞K147+103～K147+118里程段、左洞ZK147+102～ZK147+117里程段附近。塔基底部距離隧道左線和右線的最小水平距離分別為1.33 m和7.19 m，隧道拱頂距離塔基底部的凈距為15.5 m。該高壓線路擔任了長沙至湘潭的輸電任務，其作用十分重要。隧道施工過程中，不能影響該輸電塔的正常使用，必須保證電力線路的正常運營。而大跨度隧道，由于開挖面積大、跨度大、扁平率低，施工工序復雜，對圍巖擾動次數多[4～6]，更難以保證施工中圍巖的穩定和支護結構體系的受力狀態合理。

綜上，本文提出了在李家沖隧道襯砌結構內和鐵塔上均布置測試元件，從而有效地觀測到隧道在施工過程中支護結構的內力和鐵塔基礎位移變化情況，保障了施工的順利進行。

1 監測方案

監測內容主要包括：隧道洞內周邊收斂和拱頂下沉量測、鋼拱架及二襯內力量測等。同時，為了保障隧道施工過程中鐵塔的安全穩定，對鐵塔的內力和位移均進行了專項監測。由于篇幅有限，在此僅重點介紹隧道內洞周位移和鋼拱架及二次襯砌的內力量測情況。

1)洞周位移量測

根據李家沖隧道三臺階法開挖實際情況，洞口附近和埋深小于2B(B表示隧道開挖寬度)地段，每10 m布置一個斷面，施工進展200 m前，每20 m布置一個斷面，施工進展200 m后，每30 m布置一個斷面。隧道拱頂下沉和圍巖周邊收斂斷面測點布置如圖1。隧道左洞和右洞內周邊收斂和拱頂下沉測點布置樁號和量測頻度均相同。

圖1 周邊收斂與拱頂下沉量測斷面布置圖

2)鋼拱架內力量測

根據隧道穿越鐵塔斷面實際施工情況，右洞選取K147+110斷面，左洞選取ZK147+107和ZK147+115斷面進行鋼支撐內力量測。

圖2所示為在K147+110斷面埋設的應變計編號及其位置。隧道開挖并支立拱架后，分別于鋼支撐上臺階拱頂、拱腰、拱腳、中臺階拱腳、下臺階拱腳部位焊接應變計。

圖2 鋼拱架應變計布置示意圖

在斷面每個觀測點部位對稱布置2只應變計，分別焊接在工字鋼上下翼緣內側，并布置好測線，待噴射混凝土施工后讀取初值，然后按照一定的監測頻率進行量測讀數。

3)二襯內力量測

選取左洞ZK147+107斷面埋設應變計進行二次襯砌應力量測，應變計編號和對應位置如圖3所示，選取布置JMZX—215型智能弦式應變計。應變計的埋設方法和鋼拱架中的表貼式應變計類似，其分別捆綁在二襯的上下側鋼筋上。待二次襯砌澆筑并達到初凝強度后測讀初值，然后按一定頻率進行量測讀數。

圖3 二襯應變計布置示意圖

2 測試結果

2.1 洞周位移

由于洞周位移量測斷面布置較多，在此僅介紹正好位于鐵塔下方的右洞K147+110和左洞ZK147+110里程的量測結果。

表1和表2所示分別為K147+110和ZK147+110 斷面處的洞內拱頂沉降和洞周收斂的量測結果。從表中可以看出：隨著隧道不同開挖工序的進行，隧道內各測點反映出不同的位移變形量，尤其以上臺階開挖對洞周的位移影響最大，其次為中下臺階開挖，最小的為封閉仰拱施工。與其他量測斷面的量測結果相比較可知，此斷面的拱頂沉降和周邊收斂值均偏大。這說明上方鐵塔的存在在一定程度上增加了隧道開挖后的圍巖壓力，產生了較大的圍巖位移。但是，通過現場觀測可知，只要隧道支護結構施做及時，保證各工序的合理銜接，在仰拱封閉后，結構成環受力，圍巖變形逐漸趨于穩定。

表1 各測點洞內拱頂沉降值

表2 各測點周邊收斂值

2.2 鋼拱架內力

圖4所示為K147+110斷面鋼拱架各截面內力分布圖。由圖4(a)可知，總體上各截面軸力基本上以受壓為主，且隨開挖的逐步進行不斷增大。在隧道各臺階施工期，鋼拱架各截面的軸力值變化明顯增大；在下臺階開挖支護后，各截面軸力值變化速率減小；隧道仰拱封閉成環后，各截面軸力值基本趨于穩定。拱頂處軸力的增大速率明顯大于其它位置受力變化。從最終鋼拱架受力穩定狀態來看，上臺階拱頂及兩側拱腰受力較大，最大軸力出現在拱頂位置，其值為-300.04 kN，而軸力最小的位置出現在下臺階位置。從圖4(b)鋼拱架彎矩分布圖上可看出：在監測期間上臺階各截面彎矩值基本上為正，而其它截面則為負。在隧道施工期間，拱頂A截面與上臺階左側拱腰F截面的彎矩值變化最明顯。彎矩受拉最大值出現在上臺階左側拱腰位置，其值為9.56 kN·m，彎矩受壓最大值出現在左側中臺階位置，其值為-2.07 kN·m。

圖4 K147+110斷面鋼拱架內力分布圖

根據內力量測結果，計算可得K147+110斷面鋼拱架各節點的安全系數如表3所示。由表可知，各節點中最小的安全系數為2.46，出現在右側中臺階D截面，該值大于JTG D70—2004《公路隧道設計規范》規定的限值2.0[7]，結果表明:鋼拱架處于安全狀態。

2.3 二次襯砌內力

圖5所示為ZK147+107斷面二襯內力的量測結果圖。由圖5(a)軸力分布圖可知，斷面除了仰拱拱腳周圍處于受拉狀態以外，其他部位均處于受壓狀態。該斷面二襯的最大受壓軸力為-1 155 kN，位于下臺階拱腳位置；最大受拉軸力為77 kN，位于仰拱拱腳位置。由圖5(b)彎矩分布圖可知，二襯最大正彎矩為22.17 kN·m，位于上臺階拱腳位置；而最大負彎矩為-41.42 kN·m，位于下臺階拱腳位置。

表3 K147+110斷面鋼拱架各節點內力與安全系數

圖5 ZK147+107斷面二襯內力分布圖

根據內力量測結果，計算得到ZK147+107斷面二襯各節點的安全系數如表4所示。由表可知，各節點中最小的安全系數為10.58，出現在下臺階拱腳F截面，該值大于JTG D70—2004《公路隧道設計規范》規定的限值2.0[7]，結果表明:二襯混凝土處于安全狀態。

表4 ZK147+107斷面二襯各節點內力值與安全系數

3 結 論

為了保證大跨度隧道下穿高壓輸電塔施工安全，對李家沖隧道實體工程進行現場監控量測，掌握了在施工過程中圍巖變形和支護結構的實際受力情況。最終的現場監測結果表明：圍巖變形趨于穩定，各斷面鋼拱架和二襯內力的安全系數均滿足設計規范要求，說明現場量測方法合理，隧道支護結構和傳感器工作穩定可靠。

[1] 徐一鳴.淺埋偏壓隧道拱頂持續下沉控制技術[J].城市軌道交通研究，2013,16(7):92-94.

[2] 徐茂兵.區間隧道通過既有高壓鐵塔加固方案[J].現代隧道技術,2002,39(5):48-53.

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[4] 周丁恒，曹力橋，馬永峰, 等.四車道特大斷面大跨度隧道施工中支護體系力學性態研究[J].巖石力學與工程學報,2010,29(1):140-148.

[5] 黃龍湘,楊元洪,賀 威,等.淺埋大跨度隧道施工方法的比選與應用[J].公路工程,2011,36(5):25-32.

[6] 郝 哲,李 偉,萬明富.對大跨度隧道開挖中若干問題的思考[J].公路,2005(4):199-204.

[7] JTG D70—2004.公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Application of sensor in structure monitoring of large-span

tunnel underpass high-voltage power transmission tower*YAN Li1， ZHANG Zhen2， YANG Jun-sheng3

(1.School of Civil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114,China; 2.Hunan Expressway Administration,Changsha 410003,China; 3.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

In order to ensure safe operation of overlying high-voltage power transmission tower,it must master ground disturbance conditions and forces of supporting structures caused by construction of underpass tunnel.According to field measurements of Lijiachong tunnel which is located beneath a 500 kV high-voltage power transmission tower,relevant monitoring plan and monitoring results are introduced.Monitoring results show that the deformation of surrounding rock tend to be stable during tunnel construction,and safety factors of steel arch support and concrete secondary lining are satisfied with requirement of standard,which proves that construction scheme of tunnel is reasonable,structure is stable and reliable,and sensors can complete relevant monitoring task effectively.

sensor； large-span tunnel; high-voltage power transmission tower; monitoring

2014—08—11

交通運輸部京珠復線長沙至湘潭高速公路“兩型”科技示范工程項目(CXKJSF0106—1)；長沙理工大學橋梁與隧道工程重點學科基金資助項目

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0151—04

TP 212.9; U 456.3

A

1000—9787(2015)04—0151—04

晏 莉(1979-)，女，湖南株洲人，博士研究生，講師，主要從事巖土與隧道工程方面研究。