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(xué),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(xué),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(fēng)險(xiǎn)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合監(jiān)控量測和數(shù)值模擬手段對施工方案進(jìn)行了綜合分析計(jì)算，對之前提出的“地表注漿加固+機(jī)械開挖+加強(qiáng)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)+沉降監(jiān)測”的綜合性施工方案進(jìn)行了可靠性論證。實(shí)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(nèi)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jiān)控量測；數(shù)值模擬；工法

0　引　言

在山嶺隧道施工過程當(dāng)中，會不可避免地遇到下穿山體表面既有建（構(gòu)）筑物的情況，例如山頂?shù)姆课萁ㄖ?、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(jié)構(gòu)，是輸電線路中的主要承力構(gòu)件，其具有自身剛度較小、獨(dú)立基礎(chǔ)塔基、對地基不均勻沉降異常敏感等特點(diǎn)。隧道鄰近高壓輸電鐵塔施工時(shí)，地層開挖引起的位移易導(dǎo)致鐵塔塔基發(fā)生不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)可致鐵塔傾斜或倒塌，危及國家電網(wǎng)的正常運(yùn)營和生命財(cái)產(chǎn)安全，施工風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)致造價(jià)高、風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)營是該工程的難點(diǎn)。

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(zhèn)附近，穿越殘丘區(qū)，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(zhì)黏土、砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖為主。隧道范圍內(nèi)表層土為第四系粉質(zhì)黏土，厚度約0.5～1.5m，下伏基巖為元古界雙橋群砂質(zhì)板巖，全～弱風(fēng)化，薄～中厚層狀，巖芯較破碎，巖體節(jié)理裂隙發(fā)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(jié)理發(fā)育，局部含水，施工中可能會出現(xiàn)坍塌、變形等風(fēng)險(xiǎn)事件。

1.2高壓輸電鐵塔概況

根據(jù)現(xiàn)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(chǔ)形式為獨(dú)立樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)頂為1m×1m方形截面，樁長8m。鐵塔基礎(chǔ)在隧道橫斷面方向左右高差為3.2～3.7m。隧道與鐵塔基礎(chǔ)之間關(guān)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(hù)方案

設(shè)計(jì)超前支護(hù)措施為Φ89洞身長管棚+Ⅱ型超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)，四步CD工法開挖，開挖后采用3m徑向注漿。初期支護(hù)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(wǎng)：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(xì)開挖步驟及襯砌斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　開挖步驟及襯砌斷面結(jié)構(gòu)圖

2　工程風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1局部失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)

鐵塔在自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋼材抗疲勞性能、使用年限、外載作用（風(fēng)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(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)又在其下方進(jìn)行大斷面隧道施工，這將會進(jìn)一步加劇鐵塔局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2整體傾斜和沉降變形風(fēng)險(xiǎn)

隧道上方覆層薄、跨度大，開挖行為對鐵塔的穩(wěn)定性影響將會十分明顯，外負(fù)荷載不對稱且鐵塔基礎(chǔ)為獨(dú)立樁基礎(chǔ)。故塔基極易發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致鐵塔傾斜變形，引起桿件變形或局部破壞過大，可能導(dǎo)致鐵塔的整體傾覆。另外，隧道開挖對地層的擾動勢必會導(dǎo)致鐵塔整體下沉，若鐵塔沉降過大，檔距、運(yùn)行張力、對地距離等輸電線路元素狀況將發(fā)生改變，導(dǎo)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(jīng)濟(jì)損失。目前對于高壓輸電鐵塔這樣的高聳結(jié)構(gòu)物的抗變形能力和受力機(jī)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(wěn)定性，從而對鐵塔穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響。

3　監(jiān)控量測方案及結(jié)果

3.1監(jiān)測方案

（1）觀測依據(jù)采用的國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

規(guī)范及規(guī)程采用了以下要求：《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB12897-2006）；《建筑變形測量規(guī)程》（JGJ8-2007）；《110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50545-2010）[3]。

（2）技術(shù)方案

沿高壓鐵塔的基礎(chǔ)縱橫軸線設(shè)點(diǎn)，每一個(gè)基礎(chǔ)布設(shè)了1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，隧道拱部設(shè)置3了個(gè)點(diǎn)。本次沉降觀測從外業(yè)數(shù)據(jù)采集，到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，均按國家二等水準(zhǔn)測量的相關(guān)規(guī)定來執(zhí)行，各項(xiàng)限差及精度要求均滿足國家二等水準(zhǔn)測量規(guī)范。

3.2監(jiān)測結(jié)果分析

將塔基上4處測點(diǎn)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(shí)態(tài)曲線，如圖3所示。

圖3　高壓電塔沉降觀測時(shí)態(tài)曲線圖

曲線表明：4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在開挖初期的沉降量較大，個(gè)別的反彎點(diǎn)可能是由于四步CD法中開挖后支護(hù)的強(qiáng)度尚未達(dá)到所致。隨后進(jìn)入緩慢變形階段，持續(xù)大概20d后，進(jìn)入基本穩(wěn)定狀態(tài)，沉降量發(fā)展極小。此時(shí)隧道的開挖工作面已經(jīng)穿越山體表面的高壓鐵塔，空間效應(yīng)影響日趨減小。4處塔基的沉降值均值為10.65mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范要求。

4　有限元模擬分析（MIDAS/GTS）

4.1計(jì)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(qū)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(jì)算中隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)采用二維實(shí)體單元，圍巖按兩層考慮，上層為粉質(zhì)黏土，下層為風(fēng)化砂質(zhì)板巖。

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

4.2計(jì)算假定

本模型受力及變形情況異常復(fù)雜，為便于計(jì)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(shí)際完全相同，上部結(jié)構(gòu)全部簡化為桁架單元；塔基為樁基礎(chǔ)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(diǎn)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(jì)算中以等效原則通過提高周邊圍巖參數(shù)來實(shí)現(xiàn)模擬；塔身、塔基與地層通過綁定與耦合實(shí)現(xiàn)接觸[2]；計(jì)算模型的本構(gòu)模型采用莫爾–庫侖屈服準(zhǔn)則。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，二次襯砌階段荷載釋放比例不到10%，故在本文的計(jì)算模型中不考慮二襯，計(jì)算模型在開挖時(shí)荷載釋放系數(shù)設(shè)定為0.4，初期支護(hù)階段設(shè)定為0.4，初支混凝土硬化階段設(shè)定為0.2[4]。

4.3計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)依據(jù)以往類似工程的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合汪橋隧道現(xiàn)場的土工試驗(yàn)綜合得到（見表1）。

表1　模型計(jì)算參數(shù)表

4.4計(jì)算結(jié)果

4.4.1塔身結(jié)構(gòu)受力分析

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，塔身下部左側(cè)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(yīng)力強(qiáng)度為194MPa；右側(cè)主材承受拉力，拉力值為320kN，即應(yīng)力強(qiáng)度為128MPa。取塔材角鋼的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為265MPa[3]，發(fā)現(xiàn)桿材的受力情況均在承載能力范圍之內(nèi)，不會導(dǎo)致鋼材應(yīng)力疲勞而發(fā)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(jié)構(gòu)軸力圖

圖6　樁基軸力分布圖

圖7　樁基垂直位移結(jié)果標(biāo)記圖

由圖6可以看出，塔基的受力并不大，均為壓應(yīng)力。取截面面積為1m2，則左側(cè)樁基的平均軸力為1.486MPa，右側(cè)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(nèi)。

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(cè)2.4mm、右側(cè)1.6mm；垂直位移為左側(cè)8.4mm、右側(cè)8.7mm。參考《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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(tài)。4處塔基的現(xiàn)場實(shí)測沉降值均值為10.65mm，與模擬值相比較，二者基本處于一個(gè)數(shù)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(jī)械開挖+加強(qiáng)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)+沉降監(jiān)測”的綜合性施工方案行之有效，嚴(yán)格控制了隧道拱部的沉降變形。圖中拱部3個(gè)計(jì)算點(diǎn)的均值為12.33mm，邊墻處的凈空收斂值左側(cè)為0.7mm，右側(cè)為1.0mm。這些都滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(jié)果標(biāo)記圖

5　結(jié)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(jié)果顯示出CD四步開挖法中采用的“地表注漿加固+機(jī)械開挖+加強(qiáng)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)+沉降監(jiān)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(nèi)，鐵塔整體結(jié)構(gòu)安全，避免了隧道開挖導(dǎo)致鐵塔沉降和變形破壞。

（2）隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)情況與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)數(shù)據(jù)十分?jǐn)M合，位于同一個(gè)數(shù)量級，但也有個(gè)別數(shù)據(jù)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(yīng)變問題時(shí)的變形發(fā)展趨勢近似，對影響結(jié)果的判定大致相同；差異之處可能是現(xiàn)場施工的干擾和影響因素較多，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了誤差，又可能因?yàn)閿?shù)值模擬所采用的巖土體的物性參數(shù)與實(shí)際情況有些許誤差。關(guān)于物性參數(shù)反分析工作將會在今后展開。

[1]中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.九景衢鐵路兩階段施工設(shè)計(jì)圖[Z].上海：中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yīng)用 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（6）：1186-1188.

[3]GB50545—2010，110～750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]軒俊杰.黃土隧道變形規(guī)律研究[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[5]GB50135-2006，高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]JTJD70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(xué)與研究工作。