淺埋鐵路隧道下穿高壓輸電鐵塔的工法研究

軒俊杰，趙天明

（1.西北民族大學,甘肅 蘭州 730000;2.中鐵十七局二公司，陜西 西安 710043）

淺埋鐵路隧道下穿高壓輸電鐵塔的工法研究

軒俊杰1，趙天明2

（1.西北民族大學,甘肅 蘭州 730000;2.中鐵十七局二公司，陜西 西安 710043）

以九景衢鐵路的汪橋隧道為工程依托，以風險分析為基礎，結合監控量測和數值模擬手段對施工方案進行了綜合分析計算，對之前提出的“地表注漿加固+機械開挖+加強設計支護參數+沉降監測”的綜合性施工方案進行了可靠性論證。實踐證明，該工法條件下，隧道拱部沉降及山體高壓電塔的變形都在合理范圍之內，技術經濟效果十分明顯，可為今后類似工程提供借鑒。

淺埋大跨；隧道；下穿；監控量測；數值模擬；工法

0　引　言

在山嶺隧道施工過程當中，會不可避免地遇到下穿山體表面既有建（構）筑物的情況，例如山頂的房屋建筑、引水渠、高壓輸送電鐵塔等。高壓輸電鐵塔作為一種高聳空間結構，是輸電線路中的主要承力構件，其具有自身剛度較小、獨立基礎塔基、對地基不均勻沉降異常敏感等特點。隧道鄰近高壓輸電鐵塔施工時，地層開挖引起的位移易導致鐵塔塔基發生不均勻沉降，嚴重時可致鐵塔傾斜或倒塌，危及國家電網的正常運營和生命財產安全，施工風險極高。

本文的依托工程九景衢鐵路汪橋隧道開挖跨度超過12m，下穿220kV高壓輸電鐵塔，下穿處最大埋深25.16m。若拆移鐵塔則會導致造價高、風險大、工期長等問題。故在不改移鐵塔的前提下，如何減小隧道開挖對輸電鐵塔受力及變形的影響，保證其正常運營是該工程的難點。

1　工程概況[1]

1.1隧道概況

汪橋隧道位于鄱陽縣金盤嶺鎮附近，穿越殘丘區，起始里程DK92+005，終止里程DK92+233，為雙線隧道，全長228m。隧道最大埋深27.42m，圍巖整體性較差，以粉質黏土、砂質板巖、變質砂巖為主。隧道范圍內表層土為第四系粉質黏土，厚度約0.5～1.5m，下伏基巖為元古界雙橋群砂質板巖，全～弱風化，薄～中厚層狀，巖芯較破碎，巖體節理裂隙發育。

隧道在DK92+097～+103段下穿220kV高壓鐵塔，埋深26m。洞身穿越段埋深淺、巖體破碎、節理發育，局部含水，施工中可能會出現坍塌、變形等風險事件。

1.2高壓輸電鐵塔概況

根據現場踏勘，隧道上方高壓電鐵塔塔形為220kV雙回路直線塔，鐵塔高度約33m，鐵塔重量約15t，鐵塔底基的根開為6m×6m，基礎形式為獨立樁基礎，基礎頂為1m×1m方形截面，樁長8m。鐵塔基礎在隧道橫斷面方向左右高差為3.2～3.7m。隧道與鐵塔基礎之間關系如圖1所示。

圖1　隧道與高壓鐵塔位置橫斷面示意圖（單位：m）

1.3隧道開挖及支護方案

設計超前支護措施為Φ89洞身長管棚+Ⅱ型超前小導管預支護，四步CD工法開挖，開挖后采用3m徑向注漿。初期支護厚度28cm，二襯厚度50cm。噴射混凝土：拱墻噴射C25混凝土，仰拱噴射C25混凝土；鋼筋網：HPB300鋼筋，直徑6mm；錨桿：邊墻采用C22砂漿錨桿；拱墻：C35鋼筋混凝土：仰拱：C35鋼筋混凝土。詳細開挖步驟及襯砌斷面結構如圖2所示。

圖2　開挖步驟及襯砌斷面結構圖

2　工程風險分析

2.1局部失穩破壞風險

鐵塔在自身結構設計、鋼材抗疲勞性能、使用年限、外載作用（風載、暴雨、地震動載）等方面可能存在有隱患，將會面臨局部失穩破壞的風險，現又在其下方進行大斷面隧道施工，這將會進一步加劇鐵塔局部失穩的風險。

2.2整體傾斜和沉降變形風險

隧道上方覆層薄、跨度大，開挖行為對鐵塔的穩定性影響將會十分明顯，外負荷載不對稱且鐵塔基礎為獨立樁基礎。故塔基極易發生不均勻沉降，導致鐵塔傾斜變形，引起桿件變形或局部破壞過大，可能導致鐵塔的整體傾覆。另外，隧道開挖對地層的擾動勢必會導致鐵塔整體下沉，若鐵塔沉降過大，檔距、運行張力、對地距離等輸電線路元素狀況將發生改變，導致線路無法安全輸電[2]。

鐵塔傾斜過度甚或倒塌，都將會使輸電線路中斷，造成極壞的社會影響，造成無法估量的經濟損失。目前對于高壓輸電鐵塔這樣的高聳結構物的抗變形能力和受力機理又尚不明確，加之汪橋隧道埋深淺、跨度大，施工開挖勢必多次擾動圍巖穩定性，從而對鐵塔穩定性產生巨大影響。

3　監控量測方案及結果

3.1監測方案

（1）觀測依據采用的國家標準和規范

規范及規程采用了以下要求：《國家一、二等水準測量規范》（GB12897-2006）；《建筑變形測量規程》（JGJ8-2007）；《110～750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）[3]。

（2）技術方案

沿高壓鐵塔的基礎縱橫軸線設點，每一個基礎布設了1個監測點，隧道拱部設置3了個點。本次沉降觀測從外業數據采集，到內業數據處理，均按國家二等水準測量的相關規定來執行，各項限差及精度要求均滿足國家二等水準測量規范。

3.2監測結果分析

將塔基上4處測點TT1、TT2、TT3、TT4在2015年5月至6月底的沉降量大小繪制出位移時態曲線，如圖3所示。

圖3　高壓電塔沉降觀測時態曲線圖

曲線表明：4個監測點在開挖初期的沉降量較大，個別的反彎點可能是由于四步CD法中開挖后支護的強度尚未達到所致。隨后進入緩慢變形階段，持續大概20d后，進入基本穩定狀態，沉降量發展極小。此時隧道的開挖工作面已經穿越山體表面的高壓鐵塔，空間效應影響日趨減小。4處塔基的沉降值均值為10.65mm，遠遠小于規范要求。

4　有限元模擬分析（MIDAS/GTS）

4.1計算模型

選取隧道橫向各40m、隧道下部30m、隧道拱頂距地表面25.16m的區域，利用MIDAS/GTS軟件建立有限元模型，如圖4所示。模型頂面為自由面，底面為豎向約束，左右邊界為水平約束。計算中隧道圍巖及支護結構采用二維實體單元，圍巖按兩層考慮，上層為粉質黏土，下層為風化砂質板巖。

施工階段步驟為：初始應力階段→左上開挖→左上支護→左上噴混凝土硬化→左下開挖→左下支護→左下噴混凝土硬化→右上開挖→右上支護→右上噴混凝土硬化→右下開挖→右下支護→右下噴混凝土硬化→拆除臨時支撐。

4.2計算假定

本模型受力及變形情況異常復雜，為便于計算，本文在此做簡化處理：高壓鐵塔簡化為梁桁混合模型，即下部4根主材簡化為梁單元，截面尺寸與實際完全相同，上部結構全部簡化為桁架單元；塔基為樁基礎單元，錨桿為植入式桁架單元。鐵塔所受外載簡化為電線掛點處的縱向、橫向和垂向的集中力分量；注漿及管棚加固方面，在計算中以等效原則通過提高周邊圍巖參數來實現模擬；塔身、塔基與地層通過綁定與耦合實現接觸[2]；計算模型的本構模型采用莫爾–庫侖屈服準則。根據以往經驗，二次襯砌階段荷載釋放比例不到10%，故在本文的計算模型中不考慮二襯，計算模型在開挖時荷載釋放系數設定為0.4，初期支護階段設定為0.4，初支混凝土硬化階段設定為0.2[4]。

4.3計算參數

計算參數依據以往類似工程的經驗數據，并結合汪橋隧道現場的土工試驗綜合得到（見表1）。

表1　模型計算參數表

4.4計算結果

4.4.1塔身結構受力分析

由圖5可以發現，塔身下部左側主材承受壓力，壓力值為485kN，取角鋼的有效截面面積為0.0025m2，即應力強度為194MPa；右側主材承受拉力，拉力值為320kN，即應力強度為128MPa。取塔材角鋼的設計強度為265MPa[3]，發現桿材的受力情況均在承載能力范圍之內，不會導致鋼材應力疲勞而發生斷裂。

4.4.2塔基變形及受力分析

以下是鐵塔樁基的受力及變形情況如圖6、圖7所示。

圖5　塔身下部結構軸力圖

圖6　樁基軸力分布圖

圖7　樁基垂直位移結果標記圖

由圖6可以看出，塔基的受力并不大，均為壓應力。取截面面積為1m2，則左側樁基的平均軸力為1.486MPa，右側樁基的平均軸力為0.891MPa，樁基為鋼筋混凝土，受力均在承受范圍之內。

由圖7可以看出，樁基的位移值較小，其中樁底的水平位移為左側2.4mm、右側1.6mm；垂直位移為左側8.4mm、右側8.7mm。參考《高聳結構設計規范》（GB50135-2006）中對高度在50～100m建筑物的變形控制量，最大沉降允許值為400mm，傾斜允許值為5‰[5]。由此可見，本隧道的開挖對地表的高壓電鐵塔帶來的影響很小，鐵塔處于安全狀態。4處塔基的現場實測沉降值均值為10.65mm，與模擬值相比較，二者基本處于一個數量級。

4.4.3隧道變形分析

從圖8可以看出，在CD四步開挖法中采用的“地表注漿加固+機械開挖+加強設計支護參數+沉降監測”的綜合性施工方案行之有效，嚴格控制了隧道拱部的沉降變形。圖中拱部3個計算點的均值為12.33mm，邊墻處的凈空收斂值左側為0.7mm，右側為1.0mm。這些都滿足《公路隧道設計規范》（JTJD70-2004）[6]中對圍巖開挖變形量的要求。

圖8　隧道拱部沉降結果標記圖

5　結論

（1）通過對汪橋隧道下穿220kV高壓輸電鐵塔施工方案可靠性論證，，結果顯示出CD四步開挖法中采用的“地表注漿加固+機械開挖+加強設計支護參數+沉降監測”的綜合性施工方案十分有效，減小了鐵塔的不均勻沉降，鐵塔受力與變形均在容許的范圍之內，鐵塔整體結構安全，避免了隧道開挖導致鐵塔沉降和變形破壞。

（2）隧道的監測數據情況與數值模擬計算結果比較發現：大多數數據十分擬合，位于同一個數量級，但也有個別數據存在較大差異。擬合之處主要是隧道與鐵塔在僅考慮平面應變問題時的變形發展趨勢近似，對影響結果的判定大致相同；差異之處可能是現場施工的干擾和影響因素較多，導致監測數據出現了誤差，又可能因為數值模擬所采用的巖土體的物性參數與實際情況有些許誤差。關于物性參數反分析工作將會在今后展開。

[1]中鐵上海設計院集團有限公司.九景衢鐵路兩階段施工設計圖[Z].上海：中鐵上海設計院集團有限公司.

[2]陽軍生，楊元洪，等.大斷面隧道下穿既有高壓輸電鐵塔施工方案比選及其應用 [J].巖石力學與工程學報，2012，31（6）：1186-1188.

[3]GB50545—2010，110～750kV架空輸電線路設計規范[S].

[4]軒俊杰.黃土隧道變形規律研究[D].西安：長安大學，2008.

[5]GB50135-2006，高聳結構設計規范[S].

[6]JTJD70-2004，公路隧道設計規范[S].

U455

B

1009-7716（2016）11-0150-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.043

2016-07-20

軒俊杰（1981-），男，青海西寧人，講師，從事巖土與地下工程教學與研究工作。