軌道明挖基坑對(duì)鄰近高壓輸電鐵塔的影響分析

吳曉明

（重慶市勘測院 ，重慶 401121）

0 引言

隨著城市地下空間的發(fā)展，在既有高壓輸電設(shè)施周圍進(jìn)行工程建設(shè)不可避免，而電力設(shè)施存在保護(hù)紅線，且對(duì)沉降變形相對(duì)敏感，稍不注意將造成重大的安全事故和財(cái)產(chǎn)損失。

倉乃瑞［1］通過數(shù)值模擬，以上海軌道交通明挖基坑為背景，采用三維有限元等方法分析了基坑與電力設(shè)施距離及開挖深度等因素對(duì)輸電鐵塔的影響；陳衡［2］采用有限元分析方法，分析了在采用旋噴隔離樁條件下，基坑開挖對(duì)電力鐵塔的影響；張榮［3］同樣采用有限元方法，分析了重慶地區(qū)軌道交通在考慮支護(hù)方式條件下，輸電鐵塔的變形特征，提出了鐵塔加固措施和監(jiān)測方案；李浩鵬等［4］通過數(shù)值分析，得出了隧道開挖引起高壓鐵塔變形規(guī)律，并對(duì)兩種加固方式進(jìn)行了比選；楊元洪［5］通過監(jiān)測反演巖土參數(shù)，采用有限元軟件對(duì)淺埋隧道鄰近的高壓鐵塔進(jìn)行分析，計(jì)算出隧道圍巖變形與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，鐵塔內(nèi)力與鐵塔沉降等的變化大小及其變化規(guī)律，為鐵塔加固方法提供了參考。

本文的研究對(duì)象是軌道暗挖車站的明挖出入口通道基坑緊鄰既有的 110 kV 輸電鐵塔。由于軌道設(shè)施和電力設(shè)施都屬于重要的民生工程，在軌道車站明挖出入口建設(shè)及運(yùn)營過程中可能對(duì)輸電鐵塔引起變形破壞，影響兩者的安全。本文在充分利用既有勘察資料，收集鐵塔及基坑設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)基坑開挖引起的鐵塔變形進(jìn)行了分析，提出了較為合理的支護(hù)措施和監(jiān)測建議。

1 工程概況

高灘巖站 3A 出入口位于車站東側(cè)，在都市花園西路 123# 地塊內(nèi)接入地面，目前該地塊房屋已拆除；出入全段總長為 185.8 m，其中明挖段長 45 m，暗挖段長140.8 m，通道內(nèi)設(shè)置兩處安全出口，其中 4 號(hào)安全出口位于暗挖段，5 號(hào)安全出口位于明挖段；出入口斷面凈寬標(biāo)準(zhǔn)段為 6.5 m，暗挖段斷面采用直墻拱型斷面，臺(tái)階法施工，復(fù)合式襯砌進(jìn)行隧道支護(hù)；明挖段斷面采用 U 型和矩形框架斷面，基坑北側(cè)采用放坡或肋板式擋墻支護(hù)，南側(cè)采用肋板式擋墻支護(hù)（見圖 1、圖 2）。

圖1 輸電鐵塔與擬建 3 A 出入口相對(duì)位置關(guān)系

圖2 3 A 號(hào)出入口與鐵塔及隧道相對(duì)位置關(guān)系（單位：m）

3 A 出入口明挖段基坑長度 45 m，南側(cè)采用肋板式錨桿擋墻，冠梁基礎(chǔ)尺寸 400 mm×450 mm，面板厚度 200 mm，肋柱尺寸 300 mm×450 mm，混凝土等級(jí) C 30。其中 0～A～B～C 段基坑深度 0～6.34 m，3Φ18 砂漿錨桿，間距 2.5 m×2.5 m，錨固長度 3.0 m；C～D 段基坑深度 9 m，3Φ22 砂漿錨桿，間距 2.5 m×2.5 m，錨固長度 3.0 m。北側(cè)采用肋板式錨桿擋墻或放坡開挖，其中 E～F 段基坑深度 9.2 m，3Φ22 砂漿錨桿，間距 2.5 m×2.5 m，錨固長度 3.0 m；F～H 段基坑深度 6～9.2 m，因土層較厚采用坡率法放坡開挖，巖層按照 1∶0 放坡，錨噴支護(hù)，C25 砂漿錨桿，間距 2.0 m×2.0 m，錨固長度 3.0 m，土層按照 1∶0.5 放坡，C22 土釘，間距 1.5 m×1.5 m，長度 6.5 m［6］。

2 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

擬開挖的基坑附近為既有建成區(qū)，原始地貌為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌。地形經(jīng)人工改造較為平緩，局部存在陡坎或支擋結(jié)構(gòu)，海拔高程 276.5～297.5 m，相對(duì)高約 21 m。場地位于觀音峽背斜東翼，巖層構(gòu)造為單斜狀構(gòu)造，區(qū)域內(nèi)無斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，巖層產(chǎn)狀為 80°～98°< 6°～11°，優(yōu)勢層面產(chǎn)狀為 90°∠6°，巖體層面結(jié)合很差局部可見泥化夾層，屬軟弱結(jié)構(gòu)面。根據(jù)場地周圍巖石露頭的調(diào)查，場地內(nèi)巖體發(fā)育兩組裂隙：J 1 裂隙產(chǎn)狀為 263°～278°<69°～72°，優(yōu)勢 J1 裂隙產(chǎn)狀為 275°∠71°，延伸長 5～10 m，張開約 1～3 mm，間距為 1.0～2.0 m，局部有鈣質(zhì)填充，結(jié)合性較差，屬于硬性結(jié)構(gòu)面。J 2 裂隙傾向 356°～5°，傾角 68°～73°，J2 裂隙優(yōu)勢產(chǎn)狀為 357°∠68°，延伸長約 1～5 m，閉合～微張，舒緩波狀，局部有倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，間距約為 5～8 m，填充為黏土，結(jié)合性差，屬于硬性結(jié)構(gòu)面。通過對(duì)場地進(jìn)行地質(zhì)勘探并綜合分析區(qū)域已有的地質(zhì)成果，場地內(nèi)出露的地層主要是第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）的砂泥巖。擬建場地位于構(gòu)造剝蝕的丘陵區(qū)，地表為城市中心區(qū)域，第四系土層厚度較??；基巖出露為砂泥巖互層陸相碎屑巖，含水量少。地下水主要受地形地貌、巖性及裂隙發(fā)育程度的控制，主要由降雨和城市地下生活排水、給水管線的滲漏補(bǔ)給。根據(jù)區(qū)域內(nèi)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，區(qū)域內(nèi)地下水可劃分為第四系松散土層孔隙水，砂泥巖互層陸相碎屑巖類孔隙裂隙水。根據(jù)走訪調(diào)查，擬建場地地質(zhì)條件較好，區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有滑坡、危巖、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象和采空區(qū)、巖溶、地裂縫、地面沉降、有害氣體等不良地質(zhì)作用［7］。

3 巖土參數(shù)及地質(zhì)評(píng)價(jià)

3 A 出入口擬采用明挖方式施工，根據(jù)設(shè)計(jì)底標(biāo)高明挖施工后，按現(xiàn)地面高程計(jì)算，本段將形成高約 -0.77～6.4 m（負(fù)數(shù)代表局部回填墊高部分，按現(xiàn)有建筑拆遷后整平至現(xiàn)有人行道標(biāo)高計(jì)），寬 30.38 m 的明挖邊坡，現(xiàn)評(píng)價(jià)如下：西北側(cè)邊坡，左側(cè)邊坡為巖土混合型邊坡，上部土質(zhì)邊坡高度為 -0.77～5 m，下部巖質(zhì)邊坡高度為 0～4.1 m，坡向 151°。上部土質(zhì)邊坡下伏基巖面傾向坡外，邊坡土體不易沿巖土界面滑塌，但由于局部土質(zhì)邊坡高度較大，其易沿內(nèi)部潛在滑動(dòng)面破壞。 邊坡巖質(zhì)部分見赤平投影如圖 3 所示，下部巖質(zhì)邊坡坡向與層面、J 1 大角度斜交，與 J 2 反向，本側(cè)邊坡無外傾結(jié)構(gòu)面，邊坡穩(wěn)定性主要由巖土體強(qiáng)度控制。該邊坡的巖體類型為第 III 類巖體，巖體等效內(nèi)摩擦角 52°，巖體破裂角 62°；東南側(cè)邊坡左側(cè)邊坡為巖土混合邊坡，上部土質(zhì)邊坡高度為 -0.77～5 m，下部巖質(zhì)邊坡高度為 0～4.1 m，坡向 33°。該段土質(zhì)邊坡下伏基巖面雖傾向坡外但其傾角較平緩（＜ 7°），邊坡土體不易沿巖土界面滑塌，但由于局部土質(zhì)邊坡高度較大，其易沿內(nèi)部潛在滑動(dòng)面破壞。邊坡巖質(zhì)部分見赤平投影圖 3 分析，下部巖質(zhì)邊坡坡向與層面、J 1 大角度斜交，與 J 2 小角度斜交，本側(cè)邊坡 J 2 為外傾結(jié)構(gòu)面，邊坡穩(wěn)定性主要由 J 2 控制。邊坡的巖體類型為第 III 類巖體，巖體等效內(nèi)摩擦角為 52°，巖體破裂角為 62°。

圖3 基坑邊坡赤平投影分析圖

4 巖土工程數(shù)值分析

基坑在開挖過程中不可避免會(huì)對(duì)巖土體造成擾動(dòng)，巖土體存在應(yīng)力釋放、產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的位移，由于巖土體與相鄰建（構(gòu)）筑物間存在復(fù)雜的巖土-結(jié)構(gòu)相互作用，從而對(duì)已有建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。根據(jù)擬建 3A 出入口基坑的設(shè)計(jì)方案和施工步序，預(yù)測基坑修建對(duì)梨巴東路 6# 高壓鐵塔樁基產(chǎn)生的附加位移和變形，評(píng)定梨巴東路 6# 高壓鐵塔的樁基礎(chǔ)位移和變形是否滿足規(guī)范要求，并給出相應(yīng)建議。另外，計(jì)算結(jié)果還可為后期施工過程中的監(jiān)控量測控制指標(biāo)提供一定理論依據(jù)。因此，本文研究的內(nèi)容還包括：車站 3A 號(hào)出入口基坑對(duì)梨巴東路 6# 高壓鐵塔樁基的位移和變形影響分析。由于梨巴東路 6# 高壓鐵塔與 3A 出入口基坑的空間關(guān)系復(fù)雜，二維平面應(yīng)變模型不能真實(shí)反映兩者的空間效應(yīng)，故采用三維有限元模型進(jìn)行分析。

依據(jù) GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)和單層排架結(jié)構(gòu)應(yīng)由相鄰柱基的沉降差控制（對(duì)中、低壓縮性土，取為 0.002 l，l 為相鄰柱基的中心距離）。依據(jù) GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，基坑周邊的鄰近建筑水平位移量達(dá)到 10～60mm 時(shí)應(yīng)報(bào)警?？紤]到梨巴東路 6# 高壓鐵塔損壞或倒塌可能危及過往人群安全、影響片區(qū)供電需求，破壞后果很嚴(yán)重，故安全控制標(biāo)準(zhǔn)比上述規(guī)范規(guī)定嚴(yán)格，鐵塔相鄰樁基的沉降差為 4.7 mm，沉降為 8 mm，水平位移為 8 mm。對(duì)于本次計(jì)算，巖土體材料模型采用 M-C 模型，M-C 本構(gòu)模型是模擬巖土體材料最為常用的一種模型，該模型包含剪切模型破壞準(zhǔn)則和拉伸模型破壞準(zhǔn)則，且分別對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)法則，適合模擬巖土體材料的應(yīng)力-應(yīng)變特征；對(duì)于既有建（構(gòu)）筑物、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下，一般不會(huì)出現(xiàn)塑性狀態(tài)，采用彈性本構(gòu)模型。

在模型設(shè)立中，巖土材料采用六面體八節(jié)點(diǎn)實(shí)體 3D 單元進(jìn)行模擬；既有隧道結(jié)構(gòu)及其附屬設(shè)施二襯、掛網(wǎng)噴射混凝土基坑支護(hù)等通過板單元模擬；鐵塔樁基礎(chǔ)、基坑肋柱通過梁單元模擬；采用植入式梁單元模擬錨桿。整個(gè)模擬以通過地層結(jié)構(gòu)法的地層合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬及施工中結(jié)構(gòu)與周邊地質(zhì)體相互作用模擬為基礎(chǔ)。

計(jì)算模型中，巖土體采用六面體八節(jié)點(diǎn) 3D 實(shí)體單元模擬；已建的區(qū)間隧道、風(fēng)井風(fēng)道二次襯砌采用板單元模擬；鐵塔樁基采用梁單元模擬；基坑支護(hù)中噴射混凝土采用板單元模擬，肋柱采用梁單元模擬，錨桿采用植入式梁單元模擬。地層結(jié)構(gòu)法主要包括地層合理化模擬、結(jié)構(gòu)模擬、施工過程模擬、施工過程中結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用模擬。在滿足變形協(xié)調(diào)的條件下，將結(jié)構(gòu)與周邊巖土體當(dāng)作整體，計(jì)算結(jié)構(gòu)與周邊地層內(nèi)力及變形，以此計(jì)算地層穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相較于荷載結(jié)構(gòu)法，地層結(jié)構(gòu)法能更好考慮結(jié)構(gòu)與周邊巖土體的相對(duì)作用，考慮了在施工過程中結(jié)構(gòu)和周邊巖土體應(yīng)力應(yīng)變的改變。對(duì)于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的情況，三維有限元分析方法比二維分析模型更能反應(yīng)各既有建（構(gòu)）筑物的相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)于基坑數(shù)值模擬中，三維有限元分析也更有利于獲得相對(duì)準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變（見圖 4、圖 5）。

圖4 計(jì)算模型軸式圖

圖5 結(jié)構(gòu)物相對(duì)位置關(guān)系

根據(jù)地勘剖面進(jìn)行巖土層劃分，根據(jù) 3A 出入口基坑的設(shè)計(jì)方案和施工步序，建立三維有限元模型，預(yù)測基坑修建對(duì)梨巴東路 6 # 高壓鐵塔樁基產(chǎn)生的附加位移和變形，評(píng)定梨巴東路 6 # 高壓鐵塔的樁基礎(chǔ)位移和變形是否滿足規(guī)范要求，評(píng)價(jià)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，并給出相應(yīng)建議。

基坑開挖支護(hù)完成后，由于基坑開挖深度小，基坑周邊位移值總體上較小，X軸方向的位移為 6.44mm，Y軸方向位的位移為 -3.0 mm，Z軸方向位移為 6.23 mm/ -0.81 mm。開挖完成后，鐵塔樁基向X軸方向位移了 0.43 mm，向Y軸方向位位移了 -0.23 mm，向Z軸方向位移了 0.30 mm，相鄰樁基的最大沉降差：（0.30～0.20）=0.10 mm≤4.7 mm，故沉降差也滿足要求（見圖 6）。

圖6 橋梁樁基 Z 軸水平位移圖

根據(jù)項(xiàng)目特征和施工過程監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，對(duì)高壓鐵塔的變形均未超過控制值。

5 結(jié)論和建議

建議調(diào)查清楚已拆建筑物周邊的既有擋墻，有條件時(shí)可加固后（如在既有擋墻上增設(shè)錨桿等方式）合理利用。建議土層中φ22 錨桿調(diào)整為φ42 注漿鋼花管，以通過注漿固結(jié)土體，提高土體強(qiáng)度指標(biāo)，增強(qiáng)土質(zhì)邊坡沿圓弧滑動(dòng)的穩(wěn)定性和坡面土體穩(wěn)定性；基坑應(yīng)采取自上而下、分段分層、邊開挖邊支護(hù)的逆作法施工；重視減少對(duì)基坑周邊巖土體的擾動(dòng)。巖土體開挖應(yīng)采用非爆破開挖，采用人工或者機(jī)械切割的開挖方法，避免大型機(jī)械設(shè)備或者其他因素對(duì)鐵塔和周邊地層的振動(dòng)和擾動(dòng)；基坑開挖至坑底時(shí)應(yīng)及時(shí)封底，避免巖土體風(fēng)化；重視水的處理?？紤]場地地表封閉性較差且填土透水性好，雨季或暴雨后場地可能形成臨時(shí)性地下水，故建議采用 C20 混凝土對(duì)場地地表進(jìn)行硬化處理，防止雨水下滲；同時(shí)完善場地周邊的排水系統(tǒng)，將地表水有序、集中排走；由于出入口基坑存在倒坡排水問題，建議施工單位備足抽水設(shè)備，以便及時(shí)抽排坑底積水；核查清楚地表管線，特別是雨污水管，防止其滲漏影響基坑穩(wěn)定性；重視場地內(nèi)其他相關(guān)建（構(gòu)）筑物的保護(hù)。場地內(nèi)有一根 10 kV 的電線桿，施工時(shí)應(yīng)防止其被施工機(jī)械碰撞；基坑開挖也應(yīng)減少對(duì)既有都市花園西路人行道擋墻的擾動(dòng)。

基坑邊坡應(yīng)采用信息化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工，施工中加強(qiáng)監(jiān)測以反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。施工監(jiān)測應(yīng)建立信息反饋機(jī)制，當(dāng)監(jiān)測值達(dá)到報(bào)警值或接近允許值時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測并立即停止施工，同時(shí)向設(shè)計(jì)、監(jiān)理、業(yè)主通報(bào)，在分析原因并妥善處理后方可繼續(xù)施工；項(xiàng)目施工前，建議業(yè)主委托有資質(zhì)的第三方監(jiān)測單位編制專項(xiàng)方案，對(duì)梨巴東路 6 # 高壓鐵塔影響安全評(píng)估進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測作業(yè)。監(jiān)測內(nèi)容至少應(yīng)包含梨巴東路 6# 高壓鐵塔 4 根樁基礎(chǔ)的水平位移和沉降；監(jiān)測頻率應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求；基坑回填前均應(yīng)加強(qiáng)高壓鐵塔樁基礎(chǔ)的監(jiān)測；本項(xiàng)目施工完成后，施工單位應(yīng)配合相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位對(duì)既有結(jié)構(gòu)物進(jìn)行整體檢測，如出現(xiàn)因本項(xiàng)目施工造成的破損情況，應(yīng)按產(chǎn)權(quán)單位要求進(jìn)行修復(fù)。Q