暗挖電力隧道側(cè)穿高壓鐵塔的技術(shù)研究與分析

韓春龍， 李翔宇

(1 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 200025;2 中國建筑科學(xué)研究院有限公司地基基礎(chǔ)研究所， 北京 100013)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷深入及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市用電負(fù)荷急劇增加，同時由于土地資源稀缺，架空線走廊資源越來越受到限制，因此電力隧道應(yīng)運(yùn)而生。電力隧道是能容納十幾條甚至更多電纜線路的地下構(gòu)筑物，它可以把城市變電站連接起來，用于改善城市中心商業(yè)區(qū)及其周圍地區(qū)的電力系統(tǒng)。

許多電力隧道工程周邊鄰近建構(gòu)筑物，如：老的房屋建筑、高壓鐵塔等，這些建構(gòu)筑物大部分為天然地基，對地基土的沉降、位移較為敏感。因此相鄰的隧道開挖施工過程中必須采取可靠的措施控制由于開挖卸載引起的周邊地層變形，避免因?yàn)樽冃芜^大導(dǎo)致周邊建構(gòu)筑物的沉陷或倒塌。

本文以北京市某電力隧道工程為例，研究了如何保證隧道在開挖過程中鄰近高壓鐵塔安全的技術(shù)方案，并通過運(yùn)用PLAXIS有限元軟件，分析了設(shè)置隔離樁方案后，隧道開挖對高壓鐵塔的基礎(chǔ)影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

為滿足北京市某區(qū)新建和改造基礎(chǔ)設(shè)施工程供電需要，需建設(shè)長約6.0km電力隧道。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃、電纜敷設(shè)需求，新建隧道內(nèi)凈尺寸:寬度為2.0m，高度為2.3m。

隧道在樁號K3+358～K3+378段東側(cè)現(xiàn)存1座東西走向110kV架空輸電線路鐵塔，此條架空輸電線路為該區(qū)供電的主動脈之一。鐵塔基礎(chǔ)由四個獨(dú)立的鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)組成，基礎(chǔ)根開6.11m，底板尺寸為3.0m×3.0m，埋深2.6m，露頭高0.2m。根據(jù)勘察報(bào)告，鐵塔基礎(chǔ)基底位于②砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土上。鐵塔基礎(chǔ)與隧道的位置關(guān)系詳見圖1、圖2。

圖1 鐵塔與隧道平面位置關(guān)系

圖2 鐵塔與隧道剖面位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地屬于平原地貌。場地范圍內(nèi)的土層分為人工堆積層、新近沉積層和一般第四紀(jì)沉積層三大類，并根據(jù)各土層巖性及工程性質(zhì)指標(biāo)暫劃分為4個大層及亞層。自上而下分述如下：

(1)人工堆積層：表層為一般厚度為0.60～5.8m的人工堆積層，包括①層素填土。

(2)新近沉積層：人工堆積層以下為新近沉積的②層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土、②2層黏土～重粉質(zhì)黏土。

(3)一般第四紀(jì)沉積層：一般第四紀(jì)沉積層有③層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土、③1層黏土～重粉質(zhì)黏土、③2層粉質(zhì)黏土、③3層粉細(xì)砂、④1層粉細(xì)砂。

本次勘察發(fā)現(xiàn)場地分布有地下水，地下水水位埋深約3.0m。

2 電力隧道概況

新建電力隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，斷面為直墻、圓拱，平底板的凈寬為2.0m、凈高為2.3m，隧道斷面詳見圖3。隧道初襯采用鋼格柵結(jié)合噴射混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為0.25m，二襯采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度為0.25m，初襯、二襯之間采用柔性防水層。

圖3 隧道斷面圖

電力隧道采用淺埋暗挖法施工，淺埋暗挖法是一種綜合施工技術(shù)，其特點(diǎn)是在開挖中采用多種輔助施工措施加固圍巖，合理調(diào)動圍巖的自承能力，開挖后即時支護(hù)，封閉成環(huán)，使其余圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系，有效地抑制圍巖過大變形[1-2]。

隧道開挖采用正臺階法，將隧道斷面分為上下兩個部分，預(yù)留核心土先開挖上半斷面隧道，及時架設(shè)上部鋼拱架、噴射混凝土，然后開挖下斷面隧道，及時架設(shè)下部鋼拱架、噴射混凝土，并及時對初襯背后進(jìn)行注漿，待兩工作豎井間初襯全部貫通后進(jìn)行防水層、二襯施工，具體施工步驟詳見圖4。

3 保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

圖4 電力隧道施工步驟圖

本次側(cè)穿的110kV高壓鐵塔為耐張塔，全高約36m，為保證高壓鐵塔結(jié)構(gòu)安全，不影響線路安全運(yùn)行，按照規(guī)程規(guī)范[3-5]的相關(guān)要求，桿塔及其基礎(chǔ)變形控制要求如下：

(1)鐵塔：傾斜，即垂直線路方向需小于3H/1 000，其中H為桿塔高度；順線路方向需小于3H/1 000，即：塔頂兩個方向偏移量均需小于108mm，且要求耐張塔不允許向內(nèi)角偏移。

(2)基礎(chǔ)：1)各基礎(chǔ)垂直向下沉降累計(jì)變形不大于100mm；2)各相鄰基礎(chǔ)差異沉降累計(jì)變形不大于6L/1 000，其中L為鐵塔基礎(chǔ)根開；3)各相鄰基礎(chǔ)根開增大或減少值累計(jì)變形不得大于30mm。

4 保護(hù)技術(shù)方案

高壓鐵塔基礎(chǔ)外側(cè)距離電力隧道開挖面最近水平距離為3.92m，鐵塔基礎(chǔ)底距離隧道頂9.29m；此段暗挖隧道底板處覆土埋深15.22m，鐵塔基礎(chǔ)位于隧道塌方影響范圍內(nèi)，考慮到隧道在開挖過程中一旦發(fā)生坍塌或局部沉降，將造成鐵塔傾斜而導(dǎo)致輸電線路中斷等嚴(yán)重后果，并危及到隧道施工人員的安全，在施工過程中，提出了以下保護(hù)技術(shù)方案。

(1)方案一：加強(qiáng)隧道初襯結(jié)構(gòu)

隧道初襯鋼格柵加密：將初襯鋼格柵間距由原先0.75m縮短為0.5m，同時連接筋間距由原來1m加密至0.5m。

控制隧道開挖步距：縮小為0.5m，初襯及時封閉，控制掌子面暴露時間。

加強(qiáng)初襯背后注漿：施工過程中進(jìn)行沉降觀測跟蹤，及時進(jìn)行背后注漿，防止背后空洞，引起地層沉陷。

(2)方案二：袖閥管跟蹤注漿，采用袖閥管對鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行跟蹤注漿加固。

(3)方案三：隔離樁保護(hù)，在靠近隧道側(cè)的高壓鐵塔基礎(chǔ)外邊打設(shè)鋼管樁，對鐵塔進(jìn)行隔離保護(hù)。

4.1 袖閥管跟蹤注漿

袖閥管注漿，是目前被國內(nèi)外公認(rèn)的最可靠的注漿工法[6]，著名的英吉利海峽隧道，中、英、法、日、意地鐵工程均采用該注漿工法[7]。

電力隧道施工前對鐵塔的基礎(chǔ)進(jìn)行摸底，對基礎(chǔ)周邊預(yù)留注漿管，根據(jù)地層實(shí)際變形情況跟蹤補(bǔ)償注漿，控制鐵塔差異沉降。

地面跟蹤注漿采用3排φ50×3.5袖閥管，注漿范圍為鐵塔周圍，從鐵塔2.6m外開始沿鐵塔四周布置3排袖閥管，排距為0.8m，袖閥管環(huán)向間距為1.5m。注漿范圍平面、剖面詳見圖5、圖6。

注漿漿液擴(kuò)散半徑1.0m；孔徑100mm，孔底間距按1.5m(環(huán)向)×0.8m(縱向1.0m)控制；設(shè)計(jì)注漿壓力(終壓值)為2倍實(shí)測水壓力。漿液材料采用水泥漿，水泥水灰比W∶C=0.6∶1～1.5∶1，水灰比可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及注漿的不同時段現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

4.2 隔離樁保護(hù)

在城市軌道交通以及房屋建筑基坑工程中，有較多采用隔離樁保護(hù)方案的實(shí)例[8-11]，成功控制了基坑與隧道在開挖施工過程中，周邊建構(gòu)筑物的變形。

圖5 注漿孔平面布置圖

圖6 注漿孔剖面布置圖

圖7 隔離樁平面布置圖

圖8 隔離樁剖面布置圖

采用的隔離樁需在暗挖隧道前施工，主要起抗滑作用，考慮到暗挖隧道施工可能出現(xiàn)土體塌方，鋼管樁能夠可以起到一定的抗土體滑移作用。

本工程在靠近隧道側(cè)的高壓鐵塔基礎(chǔ)外邊打設(shè)鋼管隔離樁，共打設(shè)2排，鋼管采用φ124無縫鋼管，壁厚6mm，樁縱向間距為500mm(軸線)，樁長為20m，下部15m范圍內(nèi)設(shè)置梅花形注漿孔，開孔距離0.6m，開孔φ20在鋼管內(nèi)部注入水泥漿，注漿壓力≤0.3MPa,水灰比為0.45～0.5，水泥采用PO42.5，隔離樁平面與剖面布置詳見圖7、圖8。

隔離樁采用引孔法施工。先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定位使用鉆機(jī)進(jìn)行間隔法鉆孔；然后下放鋼管，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)鋼管9m長，節(jié)與節(jié)之間通過焊接方式連接，鋼管下放采用繩索法下放，依次下放至孔底；然后注漿，最后施工頂圈梁。

考慮到袖閥管跟蹤注漿是一種被動防護(hù)方式，為保證高壓鐵塔的絕對安全，最終采用了方案一和方案三相結(jié)合的保護(hù)方案，即對隧道初襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)的同時，采用鋼管樁對鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行隔離保護(hù)。

5 有限元計(jì)算分析

為研究隔離樁加固處理效果，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬分析主要考慮設(shè)置隔離樁后隧道開挖對既有鐵塔基礎(chǔ)的變形影響。

5.1 模型及計(jì)算軟件

本文采用巖土工程PLAXIS 2D有限元分析軟件進(jìn)行施工全過程數(shù)值模擬。地層采用Hardening-Soil(簡稱HS)實(shí)體單元進(jìn)行模擬，HS是一個可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的先進(jìn)模型，它是一個彈塑性模型，能有效地模擬土體壓縮以及開挖問題中的卸載再壓縮情況。HS模型是一種高級土體模型，極限應(yīng)力狀態(tài)是由摩擦角φ、黏聚力c及剪脹角ψ來描述。這種模型充分考慮了土體剛度隨應(yīng)力狀態(tài)的變化，包括小應(yīng)變情況下剪切模量的衰減行為，較適用于分析敏感環(huán)境下隧道開挖對周圍環(huán)境的影響。有限元分析模型詳見圖9。

圖9 有限元分析模型

5.2 模型參數(shù)

(1)土體模型參數(shù)

地勘報(bào)告等相關(guān)資料提供的土體物理力學(xué)性能參數(shù)為土體模型參數(shù)的選取提供了依據(jù)。模型中涉及的土層及其相關(guān)的一些參數(shù)如表1所示。

土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

(2)鐵塔基礎(chǔ)及隧道襯砌參數(shù)

鐵塔基礎(chǔ)隧道襯砌均用板單元模擬，基礎(chǔ)上部添加高壓線塔自重荷載。

1)高壓鐵塔基礎(chǔ)材料為C20級混凝土，基礎(chǔ)底板尺寸為3m×3m，底板厚度為1.2m。基礎(chǔ)采用板單元來模擬，C20級混凝土彈性模量為2.55×107kN/m2，基礎(chǔ)軸向剛度和抗彎剛度分別為：

EA=2.55×107×1.2×1=3.06×107kN

EI=2.55×107×1×1.23/12=3.672×106kN·m2

高壓鐵塔自重按20t來計(jì)算，則每個基礎(chǔ)承受線荷載為：

q=20×10 000/4/3=16 667N/m=16.7 kN/m

2)隧道初襯為250mm厚C20級噴射混凝土，采用板單元來模擬，初襯的軸向剛度及抗彎剛度分別為：

EA=2.55×107×1×0.25=6.375×106kN

EI=2.55×107×1×0.253/12=3.32×104kN·m2

3)隔離樁用板單元模擬，鋼管樁彈性模量E=210GPa，密度為7 850kg/m3，注漿體彈性模量E=25.5GPa，密度為1 824kg/m3。注漿隔離樁等效板厚約0.18m。板的軸向剛度及抗彎剛度分別為：

EA=1.2×108×1×0.18=2.16×107kN

EI=1.2×108×1×0.183/12=5.832×104kN·m2

隔離樁實(shí)際施工時是內(nèi)外注漿的，因此模型中板單元的軸向剛度、抗彎剛度等參數(shù)計(jì)算均綜合考慮了鋼管和注漿體的作用，是鋼管和注漿體參數(shù)的疊加計(jì)算的結(jié)果。

5.3 模擬步驟

計(jì)算由三個施工階段組成。在第一施工階段，激活高壓鐵塔基礎(chǔ)及上部荷載；第二施工階段為施工鋼管樁。第三施工階段為施工電力隧道。

5.4 分析結(jié)果

經(jīng)有限元模擬分析，最終地表沉降為4.6mm左右，拱頂沉降為9.54mm，高壓鐵塔基礎(chǔ)最大沉降為3.9mm，高壓鐵塔基礎(chǔ)頂面最大差異沉降為3.2mm，沉降累積值與差異沉降值均在允許變形范圍內(nèi)，滿足規(guī)程規(guī)范[3-5]要求。圖10為有限元計(jì)算分析的地層豎向位移云圖。

圖10 地層豎向位移云圖/(×10-3m)

6 監(jiān)測

自電力隧道開挖之日起至電力隧道二襯結(jié)構(gòu)施工完畢，對鐵塔進(jìn)行沉降和位移監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置在高壓鐵塔基礎(chǔ)上(4個塔基均設(shè)置)以及隧道上方土體內(nèi)，塔基沉降及位移監(jiān)測頻率為4次/d。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

從施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：距離隧道最近的鐵塔基礎(chǔ)沉降最為嚴(yán)重，距離隧道較遠(yuǎn)的鐵塔基礎(chǔ)沉降不明顯。當(dāng)隧道掘進(jìn)至距離鐵塔中心約10.0m處，距離隧道最近的鐵塔基礎(chǔ)開始發(fā)生沉降；當(dāng)隧道掘進(jìn)至鐵塔中心前方約15.0m處時，四個鐵塔基礎(chǔ)塔腿開始趨于穩(wěn)定。

最終監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，最大土體位移沉降為6.5mm，塔腿最大差異沉降為4.5mm，滿足規(guī)程規(guī)范[3-5]累計(jì)沉降與差異沉降的要求。

最大土體位移沉降值、塔腿最大差異沉降均大于有限元分析的計(jì)算結(jié)果值，這主要是由于土體本構(gòu)模型與實(shí)際存在一定差異所致。

7 結(jié)論

(1)采用隔離樁，能有效減小暗挖電力隧道對高壓鐵塔的影響，使其沉降能夠控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(2)與袖閥管注漿進(jìn)行地基加固相比，由于袖閥管注漿地基加固范圍仍然位于隧道塌方土體范圍內(nèi)，一旦隧道出現(xiàn)冒頂、塌方，無法保證鐵塔能夠安全運(yùn)行，而采用隔離樁的保護(hù)方式則能夠滿足工程安全需要。

(3)考慮到隧道工程對周邊地表土層擾動較大，因此應(yīng)先施工隔離樁，以減小前期的施工擾動。

(4)在暗挖電力隧道工程實(shí)踐中，側(cè)穿高壓鐵塔的工程實(shí)例較少，通過本文的分析研究，可以為今后類似工程提供借鑒。