大跨隧道下穿高壓輸電鐵塔施工技術(shù)

彭 浩

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程公司，湖北 襄陽(yáng) 441104)

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大跨隧道下穿高壓輸電鐵塔施工技術(shù)

彭 浩

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程公司，湖北 襄陽(yáng) 441104)

摘要：三車(chē)道大跨度周山隧道下穿高達(dá)36.5 m的高壓輸電鐵塔。為保證高壓電塔的安全，采用將電塔原獨(dú)立基礎(chǔ)用鋼筋混凝土板連接成整體、洞內(nèi)采用雙層小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)、加強(qiáng)初期支護(hù)，并結(jié)合CRD分部開(kāi)挖法施工方案。采用三維數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了施工方案的可行性。施工過(guò)程中鐵塔基礎(chǔ)沉降位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，所采用施工方案既保證隧道安全，又保證了鐵塔安全。

關(guān)鍵詞：大跨隧道；下穿施工；高壓電塔；CRD法

1 工程概況

洛陽(yáng)西環(huán)路周山隧道是為改善既有孫辛路的縱坡通行條件及保護(hù)周山森林公園環(huán)境并結(jié)合二環(huán)路而建，位于洛陽(yáng)市高新區(qū)后五龍溝村與周山森林公園之間。隧道為三車(chē)道分離式雙洞結(jié)構(gòu)，隧道左洞長(zhǎng)1 908 m，右洞長(zhǎng)1 891 m。隧道最大埋深72 m，平均埋深40 m，主洞最大開(kāi)挖跨度16.2 m。

隧址區(qū)為黃土丘陵地貌單元，地形起伏較大。地表植被發(fā)育，多為耕地及果園。隧道下穿多座民房、工業(yè)廠房，兩次下穿公路及9座高壓電塔。其中7# 220 kV高壓鐵塔位于隧道左線中線左側(cè)6.5 m，為九都到龍門(mén)的輸電線路，承擔(dān)洛陽(yáng)市近1/6的供電負(fù)荷，施工難度最大。

隧址區(qū)為黃土丘陵地貌。下穿7#電塔段(中心里程：ZK2+628)地質(zhì)情況為：地表為0.50～2.3 m的雜填土，粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、鈣質(zhì)膠結(jié)層、全～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖及粉砂巖，洞身所在地層為粉質(zhì)粘土層等。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，勘探期間勘探深度內(nèi)未見(jiàn)地下水。此處隧道埋深約40 m。

2 電力鐵塔基礎(chǔ)變形控制基準(zhǔn)

2.1 高壓鐵塔基礎(chǔ)情況

根據(jù)電力部門(mén)提供的資料，電力鐵塔塔身為四角鋼架結(jié)構(gòu)，電力鐵塔基礎(chǔ)為4個(gè)獨(dú)立的臺(tái)階式混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，塔身及電線重量由4個(gè)電力鐵塔基礎(chǔ)分別承擔(dān)(圖1)，基礎(chǔ)形式如圖2所示。其中基礎(chǔ)埋深H=4.25 m，基礎(chǔ)底面寬D=4.9 m，基礎(chǔ)根開(kāi)A=B=8.32 m，塔高36.5 m，塔重1 128 kN。

圖1 電力鐵塔基礎(chǔ)形式圖

圖2 電力鐵塔基礎(chǔ)尺寸示意圖

2.2 高壓電塔變形控制基準(zhǔn)

雖然也出現(xiàn)過(guò)多次隧道下穿高壓鐵塔的施工案例[1-3]，但均未給出鐵塔基礎(chǔ)的沉降控制基準(zhǔn)?！都芸蛰旊娋€路運(yùn)行規(guī)程》給出了高度在50 m以下直線桿角鋼塔傾斜度允許值的規(guī)定為1%，但未對(duì)絕對(duì)沉降量明確規(guī)定，因此根據(jù)該規(guī)程要求周山隧道施工引起7#電塔的傾斜度允許值為1%。但袁廣林等采用有限元數(shù)值模擬分析得出采用Q235角鋼構(gòu)件組成的鐵塔在僅單個(gè)基礎(chǔ)發(fā)生沉降位移達(dá)到5%根開(kāi)時(shí)構(gòu)件未出現(xiàn)屈服。鑒于此處鐵塔已經(jīng)服役多年，可以按僅有一側(cè)基礎(chǔ)發(fā)生沉降量為1%根開(kāi)時(shí)作為隧道施工引起的最大允許沉降，即[U]=1%A=82 mm。由此可以制訂施工管理基準(zhǔn)如下：

3 施工方案

3.1 電塔基礎(chǔ)加固

將高壓鐵塔4個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)連接為整體，原塔基與整體基礎(chǔ)連接處鉆孔，鉆孔呈梅花型布置，然后植入鋼筋并采用錨固劑加固，鋼筋與基礎(chǔ)鋼筋焊接。整體基礎(chǔ)采用C30鋼筋混凝土，厚度為100 cm，鐵塔加固方案如圖3所示。

圖3 整體基礎(chǔ)加固示意圖

3.2 隧道洞內(nèi)控制措施

在7#號(hào)電塔前后共40 m范圍內(nèi)進(jìn)行洞內(nèi)加強(qiáng)超前支護(hù)和初期支護(hù)，控制隧道變形。

3.2.1 超前支護(hù)

采用沿隧道拱部150°范圍內(nèi)布置壁厚3.5 mm的?42 mm注漿小導(dǎo)管做超前支護(hù)。小導(dǎo)管采用熱軋無(wú)縫鋼管，管壁四周鉆?8 mm的壓漿孔，孔距20 cm，梅花形布置，鋼管前端10 cm 加工成圓錐形，鋼管尾部1 m不設(shè)注漿孔。小導(dǎo)管長(zhǎng)5 m，環(huán)向間距40 cm，層距50 cm，外插角10～13°，采用YT-28 型汽腿式鑿巖機(jī)鉆孔；注水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa，相鄰兩環(huán)搭接2 m。

3.2.2 施工方法及支護(hù)參數(shù)

為了控制地表沉降，采用CRD法進(jìn)行隧道施工，各部臺(tái)階長(zhǎng)度控制在4.2 m。支護(hù)采用HW175型鋼拱架，間距0.6 m，相鄰兩榀鋼架之間用?22 mm螺紋鋼筋在鋼架內(nèi)、外交錯(cuò)連接，鋼架接頭處均搭設(shè)?42 mm注漿鋼管進(jìn)行錨固，噴C25鋼纖維混凝土，厚度28 cm。臨時(shí)支護(hù)采用I20b，間距0.6 m，并噴厚度24 cm的C25混凝土。

3.3 施工方案的可行性數(shù)值模擬

3.3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

計(jì)算模型范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮[4]，底部邊界距隧道底部的距離按3～5倍隧道高度考慮。指定沿隧道軸線開(kāi)挖方向?yàn)閥軸正向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進(jìn)橫斷面向右方向?yàn)閤 軸正向，整個(gè)計(jì)算模型在x、y、z三個(gè)方向尺寸為150 m×60 m×90 m(隧道拱頂?shù)侥Ｐ蜕媳砻娴木嚯x為40.3 m)，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元來(lái)模擬，模型共劃分了83 640個(gè)節(jié)點(diǎn)和79 100個(gè)單元。三維計(jì)算模型及局部網(wǎng)格見(jiàn)圖4。每個(gè)開(kāi)挖計(jì)算步為0.6 m，開(kāi)挖下一步時(shí)施作上一步支護(hù)，臺(tái)階長(zhǎng)度4.2 m，右線隧道超前30 m。將電塔自重作為集中力等分施加在4個(gè)基礎(chǔ)之上。

圖4 計(jì)算模型圖

地層及超前支護(hù)注漿加固區(qū)均視為摩爾—庫(kù)侖理想彈塑性材料，支護(hù)結(jié)構(gòu)均視為彈性材料。鋼架在計(jì)算模擬時(shí)根據(jù)抗彎剛度等效原理來(lái)提高初期支護(hù)的彈性模量。地層物理力學(xué)參數(shù)參照地勘資料確定。地層和支護(hù)的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

3.3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

(1) 隧道施工完成后隧道拱頂沉降及各開(kāi)挖分部斷面收斂如圖5所示，電塔基礎(chǔ)沉降云圖如圖6所示。

從圖5可知，隧道施工過(guò)程中拱頂沉降顯著大于各分部水平收斂，拱頂右側(cè)沉降大于左側(cè)，拱頂最大沉降量為82.5 mm。電塔基礎(chǔ)最大沉降出現(xiàn)在右下角，最大沉降值為43.5 mm，小于上述管理基準(zhǔn)Ⅱ的上限，因此采用此施工方案可以保證隧道施工安全。

表1 地層和支護(hù)的物理力學(xué)性能指標(biāo)

圖5 隧道拱頂沉降及斷面收斂

圖6 基礎(chǔ)沉降云圖

(2) 圖7和圖8分別為隧道施工完成后支護(hù)結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支護(hù)的最大拉應(yīng)力及壓應(yīng)力。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支護(hù)最大拉應(yīng)力(單位：Pa)

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)及臨時(shí)支護(hù)最大壓應(yīng)力(單位：Pa)

從圖7和圖8可以看出，支護(hù)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱部左側(cè)與臨時(shí)豎向支撐連接部位，最大拉應(yīng)力為5.48 MPa，由于鋼架剛度大，安裝早，所以拉應(yīng)力主要由鋼架承擔(dān)；豎向臨時(shí)支護(hù)及兩側(cè)墻中處壓應(yīng)力較大，最大壓應(yīng)力在豎向臨時(shí)支護(hù)處，為14.84 MPa，由此可見(jiàn)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力也是安全的。

4 施工效果

在隧道施工過(guò)程中在高壓電塔原4個(gè)基礎(chǔ)上布設(shè)4個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)其沉降位移以指導(dǎo)施工，電塔基礎(chǔ)四角沉降位移曲線如圖9所示。

圖9 基礎(chǔ)的4個(gè)角點(diǎn)的沉降曲線

從圖9可以看出，高壓電塔的4個(gè)角點(diǎn)的最終沉降位移大小依次為右后、右前、左后和左前，與計(jì)算結(jié)果基本一致?；A(chǔ)最大沉降位移在右后角，為40.3 mm，小于管理基準(zhǔn)Ⅱ上限，與計(jì)算結(jié)果比較接近?；A(chǔ)最大傾斜0.52%，小于前述傾斜允許值。

5 結(jié)論

在隧道施工過(guò)程中對(duì)電塔基礎(chǔ)沉降位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：電塔基礎(chǔ)的最大沉降位移40.3 mm，最大傾斜為0.52%，均在安全范圍之內(nèi)，保證了隧道施工及高壓電塔的安全。

參考文獻(xiàn)

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Construction Techniques for Large-Span Tunnels Under-Crossing the High-Voltage Transmission Tower

Peng Hao

(The 1st Engineering Co. Ltd. of the 11th Bureau Group of China Railway,Xiangyang 44114,China)

Abstract:The 3-lane,large-span Zhoushan Tunnel is designed to run underneath a high-voltage transmission tower with the height of 36.5 m.In order to ensure the security of the tower,the following construction schemes are carried out in which the original four independent foundation blocks of the tower are combined into a whole with reinforced slabs,the double-layer small grouting pipes and initial strengthening support structures are adopted for construction inside the tunnel and the CRD sectioned excavation is performed.The three-dimensional numerical method is used to verify the effectiveness of the schemes.The monitored results of the settlement and displacement of the tower foundation in the course of the construction show that the chosen construction schemes ensures the security of both the tower and the tunnel itself.

Key words:large-span tunnel;under-crossing construction;high-voltage tower;CRD excavation method

收稿日期：2016-01-18

作者簡(jiǎn)介：彭浩(1982—)，男，工程師，主要從事鐵路、公路施工及技術(shù)管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.016

中圖分類(lèi)號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0059-04