盾構施工對鄰近高壓鐵塔安全影響數值分析

朱奕曜，谷任國

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州510640）

0 引言

在充分利用城市空間、緩解交通壓力方面，地鐵在城市中起到越來越重要的作用。城市地鐵在建設過程中，不可避免地會造成周圍巖土體的擾動，進而影響城市地表密集的建筑物，甚至會造成建筑物出現裂縫、過大傾斜甚至倒塌等安全事故。故在地鐵隧道開挖過程中，應時刻關注隧道開挖對既有建筑物的影響并做好防護措施。

在隧道開挖對鄰近既有建筑物的影響方面，國內外學者也進行了相關研究。張姍磊[1]運用數值模擬的方法對北京地鐵10號線盾構隧道施工對既有建筑物的影響進行評估分析；董敏[2]以瀏陽河隧道下穿既有高速公路為背景，研究施工過程中的圍巖穩定性；周翔[3]研究了大斷面隧道施工對既有隧道安全的影響；吳瑞等[4]通過有限元分析軟件模擬雙線隧道先后盾構滯后距離的遠近研究其對側穿橋墩樁基的影響；MROUEH H等[5]研究了在軟土中開挖隧道與鄰近建筑物之間的相互作用。目前對盾構施工對高壓鐵塔的安全影響研究相關文獻較少，本文結合廣州市某城際鐵路隧道開挖下穿既有鄰近電塔工程實踐，運用三維數值分析軟件建立足尺三維模型，計算盾構隧道施工過程引起的電塔地基、塔基、塔身應力分布及位移分布特征等，分析評估電塔的安全性。

1 工程概況

根據某城際鐵路隧道施工圖及所下穿既有鄰近電塔設計資料，該塔所在的隧道施工區間為單洞雙線盾構隧道（外徑12.8m），采用泥水平衡盾構機施工。塔腳與隧道最近距離為5.25m，距離較小，如圖1所示。盾構施工過程將會引起塔基、塔身變形及輸電線路應力發生變化，當地層變形較大時，甚至可能出現輸電線路斷線、電塔倒塌等危險，故需評估該鄰近電塔在盾構施工過程中的安全性。

該隧道下穿的既有鄰近電塔為轉角桿塔（見圖2），塔型為220SJ3-33，塔高51m，呼稱高33m，鐵塔根開為9.578m，塔基為樁基礎。該塔地基土主要為淤泥、粉砂、強風化泥質砂巖、中風化泥質砂巖。

圖1 電塔與盾構隧道位置關系（單位：m）

圖2 塔身結構

2 盾構施工對鄰近高壓鐵塔安全影響建模方法

根據場地周邊情況和地質條件，采用ABAQUS有限元軟件模擬盾構鄰近下穿情況下電塔塔基及高壓電塔的變形和受力情況，進而評估高壓電塔結構的安全狀態。

2.1 三維有限元模型建立

結合場地周邊情況和地質條件，采用有限元計算軟件建立的三維計算模型如圖3所示，分析高壓電塔發生變形過程（圖中y軸正方向為盾構機掘進方向）。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部z方向、模型左右x方向、模型前后y方向的位移約束。

2.2 材料本構關系及參數取值

塔基材料參數按C20混凝土進行設定，考慮電塔修建時間較早，故將塔基剛度折減10%。巖土本構模型取修正劍橋模型和摩爾-庫倫模型，塔基、盾構管片、注漿層本構模型取線彈性模型（見表1）。盾構管片考慮縱橫接頭的作用，故將其剛度折減30%。

2.3 計算工況

高壓電塔在盾構鄰近下穿情況下的三維動態模擬能否準確反映現場實際情況的前提是計算工況與現場實際工況相對應。三維有限元計算分析工況如表2所示。

2.4 荷載條件

如圖3d所示，將塔身由上至下劃分為6段，分別計算每段高度范圍內等效風載集中力。同理，分別計算橫擔風載。塔身風荷載計算結果如表3所示。

所下穿電塔與前后相鄰電塔塔線路導線采用2×LGJ630/45鋼芯鋁絞線，每相導線為雙分裂；地線采用LGJ-95/55鋼芯鋁絞線。結合設計資料計算得第1級導線總風載為8 838.31N；第2級導線總風載為9 361.73N；第3級導線總風載為9 829.41N；地線總風載為2 546.34N。各級導線、地線張拉力如表4所示。

根據《電力工程高壓送電線路設計手冊》計算檔距變化后的地線、導線張拉力，計算結果如表5所示。

圖3 三維有限元模型

表1 材料參數

3 模擬結果分析及安全評估

3.1 地層應力與位移

計算結果主要基于開挖面有正常平衡壓力情況，通過地層總位移云圖可知，最終地層總位移74.90mm。

表2 計算工況

表3 塔身風載值

表4 導線、地線張拉力

表5 檔距變化時檔內地線、導線張拉力計算

3.2 塔基及高壓電塔變形

由塔基總位移云圖可知：樁基1總位移增量16.17mm；樁基2總位移增量14.92mm；樁基3總位增量21.17mm；樁基4總位移增量20.90mm（增量位移是指相對于工況1產生的位移）。

由電塔總位移云圖可知：最終電塔頂總位移為462.89mm，相對于工況1最大增量為95.62mm，塔身往受力方向傾斜度為0.18%。

3.3 輸電線路安全性驗算

根據GB 50545—2010《110～750kV架空輸電線路設計規范》第5.0.7條，結合電塔設計資料，輸電線路（導、地線）懸掛點處抗拉安全系數計算如表6所示，塔導、地線懸掛點處抗拉安全系數均滿足要求。

表6 輸電線路抗拉安全系數

3.4 塔基安全性驗算

根據三維有限元模擬結果，可得盾構鄰近下穿電塔引起的塔基樁頂附加作用力，由于三維有限元模型中未考慮輸電線路的重力作用，故塔基樁頂的作用力應加上導、地線自重。塔基樁頂總作用力計算結果如表7所示。

表7 塔基頂總作用力計算

根據DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》，結合設計資料得到單樁上拔力設計值為865.19kN，單樁下壓承載力設計值為917.34kN。樁基1上拔力為-613.310kN，小于單樁上拔力設計值，故上拔穩定滿足要求；樁基2上拔力為-951.728kN，大于單樁上拔力設計值，故上拔穩定不滿足要求；樁基3下壓力為819.354kN，小于單樁下壓承載力設計值，故下壓承載力滿足要求；樁基4下壓力為1 166.801kN，大于單樁下壓承載力設計值，故下壓承載力不滿足要求。

3.5 地基變形驗算

對于諸如輸電線路塔等高聳結構，其地基變形的主要特征是建筑物的整體傾斜。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》第5.3.4條和DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》第5.3.1條，電塔塔高約51m，故基礎傾斜允許值為0.005，基礎沉降允許值為400mm。由三維有限元模型計算結果分析得，所下穿電塔塔基最大沉降量為14.60mm（＜400mm），塔基最大傾斜為0.001（＜0.005），故該電塔塔基變形能滿足要求。

4 結語

針對隧道開挖對既有建筑物的影響，結合廣州市某城際鐵路隧道開挖下穿既有高壓電塔，運用三維數值分析軟件建立足尺三維模型，模擬分析盾構鄰近下穿情況下電塔塔基及高壓電塔的變形和受力情況，進而評估高壓電塔結構的安全狀態。現將主要分析結果歸納如下。

1）有限元模擬結果顯示地層位移極值為74.90mm。

2）在盾構法施工模擬過程中，電塔塔基樁基1總位移增量16.17mm；樁基2總位移增量14.92mm；樁基3總位移增量21.17mm；樁基4總位移增量20.90mm。電塔塔基樁基1上拔穩定驗算滿足要求，樁基2上拔穩定驗算不滿足要求，樁基3下壓承載力驗算滿足要求，樁基4下壓承載力驗算不滿足要求。電塔塔基地基變形、樁身承載力驗算滿足要求。

3）在盾構法施工模擬過程中，塔頂總位移為462.89mm，最大增量為95.62mm；塔身往受力方向傾斜度為0.18%。電塔塔基最大傾斜為0.001（＜0.005），塔基變形能滿足要求。

4）電塔導、地線懸掛點處抗拉安全系數均滿足要求。