隧道施工對既有高壓電塔的影響分析及數值模擬研究

谷任國，朱奕曜，房營光

華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641

隨著城市化進程的推進，城市交通擁堵問題日漸突出，將交通線路建在地表以下，以充分利用城市空間，進而解決交通擁堵這一城市病無疑是有效且可行的方法。但在建筑物密集的城市中開挖地下隧道將不可避免地造成隧道周圍土體擾動[1-2]，進而影響地表既有的建筑物。當土體擾動過大時，將極大影響既有建筑物的的安全[3]。因此，通過數值模擬的方法，研究隧道開挖對既有建筑物的影響，并根據影響的程度采取必要的防護措施變得尤為重要。

數值模擬在工程建設中早已被廣泛應用[4-10]，也有眾多學者將其應用在隧道施工對地表既有建筑物影響研究上。陳仁朋等[11]通過數值模擬和系統地監測研究了建筑物與地層變形相互作用規律；陶永虎[12]運用有限差分的方法，模擬了暗挖隧道下穿既有火車站站場施工過程，并對其進行安全性評估；曹伍富等[13]研究了地鐵下穿既有建筑物對其基礎的影響和地表的沉降規律，并認為隔離樁在控制基礎變形中起到關鍵作用；除地表建筑之外，眾多學者[14-18]也研究了隧道施工對既有地鐵站、隧道、地下管廊等地下建筑的影響。雖然目前關于隧道開挖對既有建筑物的影響已開展大量研究，但關于下穿既有高壓電塔等高聳建筑物的研究卻十分匱乏。

基于此，本文結合廣州某隧道施工對既有高壓電塔影響的工程實例，探討隧道施工對既有高聳建筑物的影響，為類似工程建設提供參考。同時鑒于壓力艙內土壓的設定對盾構機的工作及土體的擾動影響都很大，故本次研究考慮了極限狀態下開挖面無平衡壓力的危險情況，對在相同條件下開挖面有無平衡壓力時對既有電塔的影響情況進行對比，以此為相關防護措施提供參考依據，同時也為相關隧道下穿既有筑物的工程提供借鑒。

1 工程概況

根據已有設計資料，隧道是外徑為8.8 m 的雙洞單線盾構隧道，采用土壓平衡盾構機施工。電塔塔腳與隧道最近水平距離為2.52 m，垂直距離為43.4 m，如圖1 所示。由于塔腳與隧道距離較小，盾構施工過程可能會影響塔獨基穩定，從而影響電塔安全，因此需要評估隧道施工對電塔的影響。電塔塔高45 m，為220J2-27 型轉角桿塔，該塔與后方相鄰電塔代表檔距為234 m，與前方相鄰電塔代表檔距為379 m，塔基為淺基礎。塔身設計圖見圖2。塔地基土主要為素填土、全風化二長花崗巖、強風化二長花崗巖、中風化二長花崗巖。

圖1 電塔與盾構隧道位置關系

圖2 塔身結構

2 建模方法

2.1 三維有限元分析模型

本次采用ABAQUS 有限元軟件進行建模分析。根據設計資料及周邊場地情況，所建模型如圖3 所示，其中頂面為自由面，即塔所在的面為自由面，其余面施加法向約束。

圖3 三維有限元模型

2.2 材料本構關系及參數取值

各地層的計算參數取值主要依據工程地質勘察資料確定，電塔基礎材料參數按C15 混凝土進行設定，由于電塔較早建造，因此將塔基剛度折減10%。由于縱橫接頭作用，盾構管片剛度折減30%。巖土本構模型為修正劍橋模型和摩爾庫倫模型，盾構管片、塔基等本構模型取線彈性模型，見表1。

表1 材料參數

2.3 計算工況

三維有限元計算分析工況見表2。圖4 為模擬施工工況示意圖。

表2 計算工況表

圖4 施工工況示意

2.4 計算荷載

為方便研究，如圖5 將塔身分為7 段，并分別計算每段塔身等效風載集中力和橫擔風載。表3 為塔身風荷載計算結果。塔與塔間導線為2×LGJ630/45 型鋼芯鋁絞線，地線為LGJ-95/55 型鋼芯鋁絞線。各級導線、地線風荷載見表4。各級導線、地線張拉力見表5。當電塔間檔距發生變化時，檔內線路應力可根據《電力工程高壓送電線路設計手冊》[19]計算，表6 為盾構開挖面無平衡壓力的計算結果，表7 為盾構開挖面有平衡壓力的計算結果。

圖5 塔身結構示意

表3 塔身風載值

表4 導線、地線風載值

表5 導線、地線張拉力N

表6 盾構開挖面無平衡壓力檔距變化時檔內張拉力計算

表7 盾構開挖面有平衡壓力檔距變化時檔內張拉力計算

3 有限元計算結果及分析

3.1 盾構施工開挖面有平衡壓力情況下計算結果

3.1.1 塔基變形及其安全性驗算

圖6 為塔基總位移云圖。在考慮塔身自重及輸電線重力后，塔基頂總作用力計算結果見表8。

圖6 塔基總位移云圖

表8 塔基頂總作用力計算

根據《架空輸電線路基礎設計技術規程》(DL/T 5 219-2014)[20]4.3 節，驗算塔基的上拔穩定性，均滿足要求。根據《架空輸電線路基礎設計技術規程》(DL/T 5 219-2014)[20]5.1 節，驗算電塔持力層承載力。各獨立基礎地基承載力計算結果見表9。其中G為基礎及回填土重，e為偏心荷載的偏心距，γrf為地基承載力調整系數，P為基底平壓力設計值，由于計算結果均滿足γrfP≤fa、γrfPmax≤1.2fa，故地基承載力滿足驗算要求。均圧力設計值，Pmax、Pmin分別為基底最大及最小

表9 地基承載力驗算

3.1.2 地基變形及其安全性驗算

根據模擬計算結果，最終塔基位移極值見表10。根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)[21]5.3.4 條和《架空輸電線路基礎設計技術規程》(DL/T 5 219-2014)[20]5.3.1 條，所研究電塔塔高約45 m，故基礎傾斜允許值為0.006，基礎沉降允許值為400 mm。根據模擬計算結果，電塔塔基最大沉降量為1.79 mm，電塔塔基最大傾斜為1×10-4，故電塔塔基變形在容許范圍內。

表10 塔基位移極值

3.1.3 塔身傾斜度及其安全性驗算

圖7 為電塔總位移云圖。

圖7 高壓電塔總位移云圖

其中總位移增量為5.97 mm，x方向位移增量為0.90 mm，y方向位移增量為-5.87 mm，z方向位移增量為-1.22 mm，x方向傾斜0.002%，y方向傾斜0.013%(豎向位移為負表示產生沉降)。根據《架空輸電線路運行規程》(DL/T-741-2010)[22]5.1.2 條，桿塔的傾斜、桿(塔)頂撓度、橫擔的歪斜程度不應超過規定值。根據模擬計算結果，電塔塔身x方向傾斜度為0.002%(＜0.5%)，y方向傾斜度為0.013%(＜0.5%)，故塔身變形能滿足要求。

3.2 盾構施工開挖面無平衡壓力情況下計算結果

盾構施工過程中開挖面的穩定極其重要，給開挖面設置一定的平衡壓力是控制開挖面穩定進而控制地表沉降的有效方法[23]。當給盾構機壓力艙內設置的土壓越小，越能降低盾構掘進扭矩和推力，越能提高掘進速度，從而降低土體對刀具的磨損，以最大限度地降低掘進成本[24]。故在盾構施工中，有可能因為設置的土壓過小而造成開挖面不穩定和地表沉降過大，因此需分析開挖面無平衡壓力時極限狀態危險情況下盾構隧道施工對電塔的影響。

3.2.1 塔基變形及其安全性驗算

圖8 為盾構施工開挖面無平衡壓力危險情況模擬塔基總位移云圖。在考慮塔身自重及輸電線重力后，塔基頂總作用力計算結果見表11。根據《架空輸電線路基礎設計技術規程》(DL/T 5 219-2014)[20]4.3 節，驗算塔基的上拔穩定性。各獨立基礎地基承載力計算結果見表12。由于計算結果均滿足γrfP≤fa、γrf Pmax≤1.2fa，故地基承載力滿足驗算要求。

表11 塔基頂總作用力計算

表12 地基承載力驗算

圖8 無平衡壓力下模擬塔基總位移云圖

3.2.2 地基變形及其安全性驗算

根據模擬計算結果，最終塔基位移極值見表13。由模擬計算結果可得，電塔塔基最大沉降量為2.27 mm，電塔塔基最大傾斜為2×10-4，故在盾構施工開挖面無平衡壓力情況下，塔基變形能滿足要求。

表13 塔基位移極值

3.2.3 塔身傾斜度及其安全性驗算

圖9 為無平衡壓力危險情況模擬電塔總位移云圖。其中總位移增量為6.86 mm，x方向位移增量為1.41 mm，y方向位移增量為-6.71 mm，z方向位移增量為-1.60 mm，x方向傾斜0.003%，y方向傾斜0.015%(豎向位移為負表示產生沉降)。

圖9 無平衡壓力下模擬高壓電塔總位移云圖

由計算結果可知，電塔塔身x方向傾斜度為0.003%(＜0.5%)，y方向傾斜度為0.015%(＜0.5%)，故塔身變形能滿足要求。

3.3 開挖面有無平衡壓力情況下計算結果對比分析

前述開挖面有無平衡壓力2 種情況下計算得到的關鍵驗算指標對比如表14。

表14 挖面有無平衡壓力情況下計算結果對比

通過模擬計算的對比，在無平衡壓力情況下計算得到的電塔塔身傾斜、塔基傾斜、塔基沉降及地基變形比開挖面有平衡壓力情況均有不同程度的增長。當盾構隧道向前掘進時，由于開挖面原有的應力得到釋放，土體因應力松弛將不可避免地造成地層損失，地表也因土體的擾動而發生沉降。隧道開挖導致的應力釋放越大，則周圍土體擾動程度越大，地表建筑物受影響的程度越明顯[25]。故當開挖面無壓力平衡時，地基、塔基及塔體受影響情況相較于開挖面有平衡壓力時均有不同程度的增長。

當盾構隧道施工時，在盾構機壓力艙內設定一定的土壓可平衡開挖面的應力釋放，進而控制隧道周圍土體的擾動程度，以減小對地表建筑物的影響。壓力艙內土壓的設定對盾構機的工作及土體的擾動影響都很大，當壓力艙內設定的土壓過小時，地表易發生過大沉降；而當設定的土壓過大時，則開挖面易因應力過于集中使地表隆起，同時，盾構機掘進扭矩和推力會增大，掘進速度變小，土體對刀具的磨損程度加大，也增加了掘進成本。故建議在建議施工過程中要保證開挖面正常平衡壓力，以控制開挖面變形和地表沉降，進而保障地表既有電塔的安全。

4 結論

根據工程實際和具體設計資料，結合廣州市某地下軌道施工的實例，建立有限元模型，分析隧道開挖對既有電塔的影響，并對相關安全指標進行驗算，得到以下結論：

1)在開挖面有無平衡壓力情況下，模擬計算得到的電塔塔身傾斜、塔基沉降、塔基上拔穩定、地基承載力及地基變形參數，經驗算后均滿足相關規范要求。

2)開挖面無平衡壓力情況下計算得到的電塔塔身傾斜、塔基傾斜、塔基沉降及地基變形比開挖面有平衡壓力情況均有不同程度的增長，其中塔身傾斜漲幅15.38%、塔基最大傾斜漲幅100%、塔基最大沉降值漲幅26.82%，建議施工過程中要保證開挖面正常平衡壓力，以控制開挖面變形和地表沉降。

3)開挖面無平衡壓力時為隧道開挖對電塔影響的極限狀態，通過對比開挖面有無平衡壓力情況對施工過程的影響幅度，可針對性地選取適合的土倉內平衡壓力，以最大限度地降低掘進成本。有無平衡壓力情況下數值模擬對比分析的方法可為相關工程提供參考。

本文雖然研究了開挖面有無平衡壓力下盾構施工對既有電塔的影響，但沒有具體分析開挖面平衡壓力取值不同時電塔所受影響的情況，期望在以后的工作中具體探討該問題，從而為相關實踐提供參考。