黃土隧道施工對上覆高壓輸電鐵塔的影響分析

劉鵬飛

（中國能源建設集團陜西省電力設計院有限公司，陜西 西安 710054）

隧道開挖不可避免引起地層位移和變形，特別當隧道淺埋、開挖跨度又大時，擾動更加明顯，嚴重可致地表建構筑物強度、剛度或穩定性的破壞，影響其正常使用。由于地域特點和走廊條件的限制，高壓輸電線路往往會與公路、鐵路隧道等相交或平行，常常遇到高壓輸電鐵塔正好位于隧道上方或在隧道上方附近的情況。隧道開挖對地層的擾動若導致鐵塔的過大傾斜甚至倒塌，將迫使輸電線路中斷，造成無法挽回的經濟損失。而目前對于敏感的高壓輸電鐵塔高聳結構物的抗變形能力尚不明確[1]。因此，深入分析隧道開挖引起地層位移和變形對上覆高壓輸電鐵塔的影響具有重要的意義。

1 工程概況

大楊—嶺上牽330kV 輸電線路工程從已建的330kV大楊變出線，接入擬建銀西鐵路330kV嶺上牽引變，按兩個單回路架設（L回、R回），線路長度21.5km+21.4km。嶺上隧道為單洞雙線，開挖寬度約14m，硐高約12m。隧道起訖里程：DK79+105～DK82+960，長3855.00m，隧道進口段最小埋深約5m，出口段最小埋深約5m，隧道最大埋深約60m。洞身穿越地層為第四系中更新統風積粘質黃土，隧道圍巖分級全部為Ⅴ級，在隧道施工過程中易發生圍巖失穩、地表沉降、冒頂等風險[2]。輸電線路在ZL57～ZL58 和ZR57～ZR58 段與銀西高鐵嶺上隧道相交，相交隧道里程為DK81～DK82，鐵塔與隧道的相對位置關系見表1。

表1 鐵塔與隧道的相對位置關系

隧道下穿的ZL57、ZR57、ZL58、ZR58 號塔為330kV單回路直線塔，塔身總高度57m，呼高27m，根開為7.5m，塔重1128kN。塔身結構由腳架桿和橫擔組成，4個支撐腳架桿為型鋼結構，4層橫擔為型鋼結構。支撐點基礎為4個，隨地形分別構建，頂底高程各異。4個支撐腳架桿基礎中心的投影點略成正方形布局。鐵塔基礎形式采用掏挖基礎，基礎埋深4.2m，4個基礎承擔了塔身與電線的重量。

2 隧道開挖影響分析

2.1 模擬分析參數設置

以塔基中心與隧道中線距離最近的ZR57 號塔為分析對象，應用巖土工程計算分析軟件中的地層損失分析模塊進行地層的沉降分析。分析方法選擇經典理論中的Peck理論，沉降槽形狀選擇Gauss曲線[3-4]，隧道開挖的截面尺寸簡化為當量半徑為13m的圓形。

隧道勘察報告提供的巖土物理力學參數如表2所示。

表2 隧道巖土物理力學參數表

計算中隧道當量半徑B取13m，隧道拱頂以上土層重度γ取上更新統風積粘質黃土、中更新統風積粘質黃土兩層的加權平均重度為16.7kN/m3，隧道拱頂以上土層內摩擦角φ取上更新統風積粘質黃土、中更新統風積粘質黃土兩層的加權平均值22.8°。

2.2 沉降變形及破壞風險分析計算

軟件沉降變形分析結果如表3、圖1～4所示。鐵塔破壞風險分析如圖5所示。

圖1 地表分析成果圖

表3 沉降變形分析統計表

計算結果顯示，隧道開挖引起的地層位移，導致了鐵塔塔基的不均勻沉降，引發了鐵塔的傾斜，并同時導致了作為超靜定結構的塔身的內力變化。

圖2 離地面深度3m處分析成果圖

圖3 離地面深度6m處分析成果圖

圖4 離地面深度10m處分析成果圖

2.3 塔基變形判定準則

塔基的沉降由隧道施工導致，塔基的不均勻沉降改變了鐵塔的受力狀況。在鋼材強度小于鐵塔所受應力的最大值的情況下，會產生鐵塔破壞現象。所以，應力最大值達到鋼材強度值的設計值是塔基變形判定準則。

相鄰的塔基沉降差值可以由直接監測到的數據計算得出，從而得到對應的相鄰塔基傾斜值。通過直接監測到的沉降數據可以解決鐵塔應力無法直接監測的問題[5]。因此，利用塔基沉降差和傾斜值作為變形判定準則是現行規范的通用規定。

《架空輸電線路運行規程》（DL/T 741-2019）給出了高度在50m以下直線桿角鋼塔傾斜度允許值的規定為1%，但未對絕對沉降量明確規定[6]。而根據《高聳結構設計標準》（GB 50135-2019）規定，鐵塔基礎的最大允許沉降量不能超過400mm，傾斜允許值不大于5‰[7]。

《架空送電線路基礎設計技術規定》（DL/T 5219-2005）對高度為50～100m范圍桿塔基礎傾斜的允許值為0.005，對高度小于50m 桿塔基礎傾斜的允許值為0.006[8]。

2.4 塔基穩定性分析結果

根據分析計算結果，鐵塔底部基座在整體隧道開挖結束后發生沉降，最大沉降量為110.2mm，最大水平變形量為48.3mm，最大水平拉應變為3.44‰，最大沉降梯度為1/286，均小于規范給出的允許值。可推測鐵塔在隧道開挖結束后不會發生傾覆，基礎穩定。

鐵塔的附加應力基本為壓應力，這反映了隧道開挖對鐵塔附加內力的影響。鐵塔的破壞風險為無破壞，鐵塔結構安全。

3 影響特征總結

（1）根據大致呈正態分布曲線的橫向地表沉降槽分析，塔基的最終沉降與其位置有關，距離隧道中線所在豎直平面越近的塔基，其沉降越大。

（2）根據橫向水平變形曲線分析，塔基在橫向都是發生單向移動，向隧道中線所在豎直平面移動。橫向水平變形先增大，達到一個最大值后，然后逐漸減小。

（3）根據鐵塔風險破壞圖分析，隧道開挖過程中鐵塔在軸方向處于受壓狀態，鐵塔結構受力安全。

（4）隨著隧道洞徑的增大及隧道埋深的減小，塔基沉降、傾斜變形和鐵塔應力增量越大，風險增大。

4 監控量測方案

4.1 隧道監測方案

隧道洞內監測方案具體內容如下[9]：

（1）圍巖收斂：在隧道掌子面接近鐵塔的DK81+400～DK81+500、DK81+700～DK81+800段，布置收斂斷面，斷面間距為5m，通過在隧道兩側邊墻部位布設的測點來監測洞內凈空的變化量。

（2）拱頂下沉：斷面布置同圍巖收斂斷面的位置及間距，拱頂位置埋設監測點，利用高精度的測量儀器進行拱頂部位的下沉量監測。

（3）初支內力量測：斷面布置同圍巖收斂斷面的位置及間距，應變計焊接在斷面拱頂、拱腰、拱腳和邊墻部位的鋼拱架上、下翼緣，每個斷面布設9 組，每組2個，共計18個應變計。通過應變計監測到的應變數值，推算出初支鋼拱架受到的內力。

4.2 鐵塔監測方案

鐵塔監測方案具體內容如下：

（1）塔基沉降與水平位移監測：監測點布設在鐵塔踏腳與框架梁上，監測塔基總體沉降、不均勻沉降，鐵塔水平位移利用全站儀進行觀測。

（2）鐵塔內力量測：應變計分別布置在鐵塔下方的主材和斜材的中間部位，總計12 個，編號分別為L1-1～L1-3、L2-1～L2-3、L3-1～L3-3、L4-1～L4-3，鐵塔內力由應變計監測的應力值來反映。

5 結語

（1）隧道開挖引起的地層位移，導致了鐵塔塔基的不均勻沉降，引發了鐵塔的傾斜，并同時導致了作為超靜定結構的塔身的內力變化。

（2）鐵塔距離隧道中線的距離、隧道洞徑的大小及隧道埋深是影響上覆鐵塔沉降、傾斜及塔身內力變化的重要因素。

（3）當大斷面淺埋隧道下穿高壓輸電鐵塔時，必須對鐵塔的穩定性進行分析以便采取有效的施工控制措施。

（4）隧道下穿鐵塔施工的過程中，在隧道洞內及鐵塔布置監測點進行監控量測，是實現信息化施工不可或缺的環節，是保證施工安全的重要措施。