盾構(gòu)施工對鄰近高壓鐵塔安全影響數(shù)值分析

朱奕曜，谷任國

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州510640）

0 引言

在充分利用城市空間、緩解交通壓力方面，地鐵在城市中起到越來越重要的作用。城市地鐵在建設過程中，不可避免地會造成周圍巖土體的擾動，進而影響城市地表密集的建筑物，甚至會造成建筑物出現(xiàn)裂縫、過大傾斜甚至倒塌等安全事故。故在地鐵隧道開挖過程中，應時刻關注隧道開挖對既有建筑物的影響并做好防護措施。

在隧道開挖對鄰近既有建筑物的影響方面，國內(nèi)外學者也進行了相關研究。張姍磊[1]運用數(shù)值模擬的方法對北京地鐵10號線盾構(gòu)隧道施工對既有建筑物的影響進行評估分析；董敏[2]以瀏陽河隧道下穿既有高速公路為背景，研究施工過程中的圍巖穩(wěn)定性；周翔[3]研究了大斷面隧道施工對既有隧道安全的影響；吳瑞等[4]通過有限元分析軟件模擬雙線隧道先后盾構(gòu)滯后距離的遠近研究其對側(cè)穿橋墩樁基的影響；MROUEH H等[5]研究了在軟土中開挖隧道與鄰近建筑物之間的相互作用。目前對盾構(gòu)施工對高壓鐵塔的安全影響研究相關文獻較少，本文結(jié)合廣州市某城際鐵路隧道開挖下穿既有鄰近電塔工程實踐，運用三維數(shù)值分析軟件建立足尺三維模型，計算盾構(gòu)隧道施工過程引起的電塔地基、塔基、塔身應力分布及位移分布特征等，分析評估電塔的安全性。

1 工程概況

根據(jù)某城際鐵路隧道施工圖及所下穿既有鄰近電塔設計資料，該塔所在的隧道施工區(qū)間為單洞雙線盾構(gòu)隧道（外徑12.8m），采用泥水平衡盾構(gòu)機施工。塔腳與隧道最近距離為5.25m，距離較小，如圖1所示。盾構(gòu)施工過程將會引起塔基、塔身變形及輸電線路應力發(fā)生變化，當?shù)貙幼冃屋^大時，甚至可能出現(xiàn)輸電線路斷線、電塔倒塌等危險，故需評估該鄰近電塔在盾構(gòu)施工過程中的安全性。

該隧道下穿的既有鄰近電塔為轉(zhuǎn)角桿塔（見圖2），塔型為220SJ3-33，塔高51m，呼稱高33m，鐵塔根開為9.578m，塔基為樁基礎。該塔地基土主要為淤泥、粉砂、強風化泥質(zhì)砂巖、中風化泥質(zhì)砂巖。

圖1 電塔與盾構(gòu)隧道位置關系（單位：m）

圖2 塔身結(jié)構(gòu)

2 盾構(gòu)施工對鄰近高壓鐵塔安全影響建模方法

根據(jù)場地周邊情況和地質(zhì)條件，采用ABAQUS有限元軟件模擬盾構(gòu)鄰近下穿情況下電塔塔基及高壓電塔的變形和受力情況，進而評估高壓電塔結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

2.1 三維有限元模型建立

結(jié)合場地周邊情況和地質(zhì)條件，采用有限元計算軟件建立的三維計算模型如圖3所示，分析高壓電塔發(fā)生變形過程（圖中y軸正方向為盾構(gòu)機掘進方向）。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部z方向、模型左右x方向、模型前后y方向的位移約束。

2.2 材料本構(gòu)關系及參數(shù)取值

塔基材料參數(shù)按C20混凝土進行設定，考慮電塔修建時間較早，故將塔基剛度折減10%。巖土本構(gòu)模型取修正劍橋模型和摩爾-庫倫模型，塔基、盾構(gòu)管片、注漿層本構(gòu)模型取線彈性模型（見表1）。盾構(gòu)管片考慮縱橫接頭的作用，故將其剛度折減30%。

2.3 計算工況

高壓電塔在盾構(gòu)鄰近下穿情況下的三維動態(tài)模擬能否準確反映現(xiàn)場實際情況的前提是計算工況與現(xiàn)場實際工況相對應。三維有限元計算分析工況如表2所示。

2.4 荷載條件

如圖3d所示，將塔身由上至下劃分為6段，分別計算每段高度范圍內(nèi)等效風載集中力。同理，分別計算橫擔風載。塔身風荷載計算結(jié)果如表3所示。

所下穿電塔與前后相鄰電塔塔線路導線采用2×LGJ630/45鋼芯鋁絞線，每相導線為雙分裂；地線采用LGJ-95/55鋼芯鋁絞線。結(jié)合設計資料計算得第1級導線總風載為8 838.31N；第2級導線總風載為9 361.73N；第3級導線總風載為9 829.41N；地線總風載為2 546.34N。各級導線、地線張拉力如表4所示。

根據(jù)《電力工程高壓送電線路設計手冊》計算檔距變化后的地線、導線張拉力，計算結(jié)果如表5所示。

圖3 三維有限元模型

表1 材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析及安全評估

3.1 地層應力與位移

計算結(jié)果主要基于開挖面有正常平衡壓力情況，通過地層總位移云圖可知，最終地層總位移74.90mm。

表2 計算工況

表3 塔身風載值

表4 導線、地線張拉力

表5 檔距變化時檔內(nèi)地線、導線張拉力計算

3.2 塔基及高壓電塔變形

由塔基總位移云圖可知：樁基1總位移增量16.17mm；樁基2總位移增量14.92mm；樁基3總位增量21.17mm；樁基4總位移增量20.90mm（增量位移是指相對于工況1產(chǎn)生的位移）。

由電塔總位移云圖可知：最終電塔頂總位移為462.89mm，相對于工況1最大增量為95.62mm，塔身往受力方向傾斜度為0.18%。

3.3 輸電線路安全性驗算

根據(jù)GB 50545—2010《110～750kV架空輸電線路設計規(guī)范》第5.0.7條，結(jié)合電塔設計資料，輸電線路（導、地線）懸掛點處抗拉安全系數(shù)計算如表6所示，塔導、地線懸掛點處抗拉安全系數(shù)均滿足要求。

表6 輸電線路抗拉安全系數(shù)

3.4 塔基安全性驗算

根據(jù)三維有限元模擬結(jié)果，可得盾構(gòu)鄰近下穿電塔引起的塔基樁頂附加作用力，由于三維有限元模型中未考慮輸電線路的重力作用，故塔基樁頂?shù)淖饔昧由蠈?、地線自重。塔基樁頂總作用力計算結(jié)果如表7所示。

表7 塔基頂總作用力計算

根據(jù)DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規(guī)程》，結(jié)合設計資料得到單樁上拔力設計值為865.19kN，單樁下壓承載力設計值為917.34kN。樁基1上拔力為-613.310kN，小于單樁上拔力設計值，故上拔穩(wěn)定滿足要求；樁基2上拔力為-951.728kN，大于單樁上拔力設計值，故上拔穩(wěn)定不滿足要求；樁基3下壓力為819.354kN，小于單樁下壓承載力設計值，故下壓承載力滿足要求；樁基4下壓力為1 166.801kN，大于單樁下壓承載力設計值，故下壓承載力不滿足要求。

3.5 地基變形驗算

對于諸如輸電線路塔等高聳結(jié)構(gòu)，其地基變形的主要特征是建筑物的整體傾斜。根據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》第5.3.4條和DL/T 5219—2014《架空輸電線路基礎設計技術規(guī)程》第5.3.1條，電塔塔高約51m，故基礎傾斜允許值為0.005，基礎沉降允許值為400mm。由三維有限元模型計算結(jié)果分析得，所下穿電塔塔基最大沉降量為14.60mm（＜400mm），塔基最大傾斜為0.001（＜0.005），故該電塔塔基變形能滿足要求。

4 結(jié)語

針對隧道開挖對既有建筑物的影響，結(jié)合廣州市某城際鐵路隧道開挖下穿既有高壓電塔，運用三維數(shù)值分析軟件建立足尺三維模型，模擬分析盾構(gòu)鄰近下穿情況下電塔塔基及高壓電塔的變形和受力情況，進而評估高壓電塔結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)?，F(xiàn)將主要分析結(jié)果歸納如下。

1）有限元模擬結(jié)果顯示地層位移極值為74.90mm。

2）在盾構(gòu)法施工模擬過程中，電塔塔基樁基1總位移增量16.17mm；樁基2總位移增量14.92mm；樁基3總位移增量21.17mm；樁基4總位移增量20.90mm。電塔塔基樁基1上拔穩(wěn)定驗算滿足要求，樁基2上拔穩(wěn)定驗算不滿足要求，樁基3下壓承載力驗算滿足要求，樁基4下壓承載力驗算不滿足要求。電塔塔基地基變形、樁身承載力驗算滿足要求。

3）在盾構(gòu)法施工模擬過程中，塔頂總位移為462.89mm，最大增量為95.62mm；塔身往受力方向傾斜度為0.18%。電塔塔基最大傾斜為0.001（＜0.005），塔基變形能滿足要求。

4）電塔導、地線懸掛點處抗拉安全系數(shù)均滿足要求。