單線淺埋隧道下穿高壓鐵塔施工方案研究

田魯魯 郭永發(fā) 劉正初

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南昆明 650200)

淺埋隧道下穿輸電、通信等鐵塔施工存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，已有部分學(xué)者對(duì)隧道下穿鐵塔進(jìn)行了相關(guān)研究，沈增輝[1]、胡煥校[2]依托淺埋大跨李家沖公路隧道下穿500 kV高壓輸電鐵塔的工程實(shí)例，研究了地表預(yù)注漿對(duì)高壓鐵塔和淺埋隧道的影響。陽(yáng)軍生等分別從施工方案比選、施工控制技術(shù)等方面研究了大斷面公路隧道下穿既有高壓鐵塔的課題，分析了不同洞內(nèi)外加固措施對(duì)高壓鐵塔的影響[3-6]。在盾構(gòu)隧道方面，徐茂兵[7]從受力分析，施工技術(shù)，工程投資以及結(jié)構(gòu)的安全、可靠性等方面，對(duì)地鐵區(qū)間隧道下穿高壓鐵塔基礎(chǔ)加固方案進(jìn)行了研究；張社榮等[8]采用三維數(shù)值模型，分析了盾構(gòu)雙線隧道對(duì)下穿通信鐵塔的影響，并將地表沉降計(jì)算值與地表實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證盾構(gòu)模擬的合理性。以往研究多基于大斷面公路隧道和盾構(gòu)隧道，但對(duì)單線鐵路淺埋隧道下穿鐵塔(礦山法)的研究較少，尚缺乏針對(duì)其施工控制技術(shù)的研究。

中石油云南石化鐵路專用線權(quán)莆隧道下穿既有35 kV王龍線55號(hào)高壓鐵塔，需采用暗挖隧道下穿鐵塔的施工方案。

以下采用數(shù)值模擬方法對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行分析，通過(guò)不同施工方案的比較，分析不同加固措施及開挖工法對(duì)沉降的控制效果。

1 概述

1.1 工程概況

該鐵路隧道為單線隧道，全長(zhǎng)1 700 m，最大開挖高度為9.26 m，跨度為7.82 m。全隧淺埋，上覆第四系粉質(zhì)黏土，下伏全-強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾泥質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，屬于軟弱圍巖。在權(quán)莆隧道ZDK0+606.56線路中線右側(cè)4.98 m處有一座王龍線高壓鐵塔，鐵塔樁基底距隧道拱頂開挖輪廓線凈距約18.51 m，兩者空間關(guān)系如圖1和圖2所示。鐵塔高20 m，采用∠3號(hào)、∠5號(hào)、∠10號(hào)鍍鋅角鋼拼裝搭建，塔身坐落于4個(gè)獨(dú)立的混凝土樁上，樁尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為0.8 m×0.8 m×4.0 m。

圖1 鐵塔基礎(chǔ)與隧道平面相對(duì)關(guān)系(單位：m)

圖2 鐵塔基礎(chǔ)與隧道剖面相對(duì)關(guān)系(單位：m)

1.2 下穿段擬選施工方案

根據(jù)場(chǎng)區(qū)地形、地質(zhì)條件及鐵塔現(xiàn)狀，制定了三種洞內(nèi)外加固處理施工方案。

方案一：采用φ42小導(dǎo)管進(jìn)行超前支護(hù)，并采用臺(tái)階法加臨時(shí)橫撐(I18鋼架)開挖。

方案二：下穿鐵塔正下方采用一環(huán)30 m長(zhǎng)φ159高精度大管棚超前支護(hù)，其余段落采用φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱(I18鋼架、φ8鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土)開挖。

方案三：在方案二基礎(chǔ)上，采用H形框架梁進(jìn)行加固處理，梁斷面為1.5 m×1.5 m。

2 隧道施工的模擬

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件，建立隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)-巖土體-鐵塔基礎(chǔ)耦合三維模型?？紤]邊界效應(yīng)和計(jì)算時(shí)效性，計(jì)算模型取(寬)100 m×(高)80 m×(長(zhǎng))50 m。鐵塔塔身簡(jiǎn)化為作用在樁基礎(chǔ)上的集中力，單樁豎向集中力為2 325 kN。模型邊界條件為左、右側(cè)約束橫向位移，前、后側(cè)約束隧道軸向位移，下部約束豎向位移，上部為自由面。計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型(單位：m)

2.2 基本假定及計(jì)算參數(shù)

(1)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬

巖土體和注漿加固區(qū)均采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的空間實(shí)體單元模擬，H形框架梁采用理想彈性本構(gòu)關(guān)系的空間實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱采用能承受軸向彎矩的平面板單元模擬，臨時(shí)橫撐采用線彈性本構(gòu)桁架單元模擬，樁基采用線彈性本構(gòu)梁?jiǎn)卧M，錨桿采用線彈性本構(gòu)植入式桁架單元模擬。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)-土體-鐵塔基礎(chǔ)耦合

將支護(hù)結(jié)構(gòu)、H形框架、巖土體接觸面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)為耦合，與周圍土體始終緊密接觸，不產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)或脫離，即單元間自由度的協(xié)調(diào)性通過(guò)自由度的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)地層計(jì)算參數(shù)

可將小導(dǎo)管或大管棚超前支護(hù)加固的力學(xué)作用等效為處理范圍內(nèi)圍巖力學(xué)性能的提高[9-12]。結(jié)合地質(zhì)勘察資料，給巖土體及管棚注漿加固圈單元分別賦予不同的容重、彈性模量、泊松比、黏聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)，其計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 地層計(jì)算參數(shù)

管棚注漿加固圈厚度D由式(1)確定[13]，計(jì)算可得管棚注漿加固圈厚約1.1 m。

(1)

式中D——管棚注漿加固圈厚度/m；

R——漿液的擴(kuò)散半徑/m；

d——相鄰兩注漿孔間距/m。

(4)支護(hù)結(jié)構(gòu)及樁基等計(jì)算參數(shù)

H形鋼架初期支護(hù)類似管棚超前支護(hù)的彈性模量折減，支護(hù)結(jié)構(gòu)及樁基等的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)及樁基等計(jì)算參數(shù)

2.3 施工過(guò)程的模擬方法

使用單元的激活鈍化功能來(lái)模擬隧道的開挖和支護(hù)，圍巖的初始應(yīng)力主要由重力引起。通過(guò)以下簡(jiǎn)化步驟模擬隧道臺(tái)階法加臨時(shí)仰拱(臺(tái)階法加臨時(shí)橫撐)施工的下穿過(guò)程，一個(gè)完整的分析步包括：①施作超前小導(dǎo)管或大管棚注漿加固；②開挖上臺(tái)階，每次開挖長(zhǎng)度2.0 m，每次上臺(tái)階開挖后施作前一循環(huán)的上臺(tái)階徑向錨桿、初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱(臨時(shí)橫撐)；③開挖下臺(tái)階，每次開挖長(zhǎng)度亦為2.0 m(下臺(tái)階滯后6 m)，每次下臺(tái)階開挖后施作前一循環(huán)的下臺(tái)階徑向錨桿、初期支護(hù)及臨時(shí)仰拱；④下臺(tái)階開挖長(zhǎng)度超過(guò)6 m時(shí)，拆除臨時(shí)仰拱(臨時(shí)橫撐)。以此循環(huán)，直至開挖完成。

3 隧道下穿鐵塔數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 獨(dú)立樁基沉降規(guī)律分析

分別對(duì)小導(dǎo)管超前支護(hù)方案(方案一)和大導(dǎo)管超前支護(hù)方案(方案二)的獨(dú)立樁基沉降量、鄰近樁基沉降差進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。從圖4和圖5中可以看出，各樁基沉降量均隨隧道開挖而不斷增大，兩個(gè)方案的4個(gè)樁基累計(jì)最大沉降量均發(fā)生在樁基T1處，最小沉降量均發(fā)生在樁基T3處，離隧道中線越近的樁基沉降量越大；相鄰樁基的最大沉降差發(fā)生在樁基T1和樁基T3之間。

采用“小導(dǎo)管超前支護(hù)+臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐”施工時(shí)(方案一)，鐵塔樁基最大沉降量達(dá)到了34.6 mm，相鄰支墩最大沉降差為3.0 mm，其沉降量較大，可能會(huì)影響鐵塔的安全穩(wěn)定；而采用“大管棚超前支護(hù)+臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱”開挖時(shí)(方案二)，鐵塔樁基最大沉降量為14.4 mm，相鄰支墩最大沉降差為1.3 mm，其沉降量明顯減小，說(shuō)明 “大管棚超前支護(hù)+臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱” 的開挖方案可以有效控制鐵塔樁基沉降。

圖4 方案一鐵塔基礎(chǔ)沉降曲線

圖5 方案二鐵塔基礎(chǔ)沉降曲線

3.2 H形框架梁加固后基礎(chǔ)的沉降規(guī)律

采用H形框架梁對(duì)鐵塔樁基進(jìn)行加固處理(方案三)，將四個(gè)獨(dú)立樁基連接成一個(gè)整體，以下從總沉降量及傾斜率方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6 方案三鐵塔基礎(chǔ)沉降曲線

方案三的測(cè)點(diǎn)T1～T4位置與方案一、方案二相同。從圖6可知，方案三和方案二的測(cè)點(diǎn)沉降規(guī)律相同，方案三最大沉降量為14.5 mm，與方案二的最大沉降量幾乎無(wú)差別，說(shuō)明H形框架梁加固對(duì)隧道開挖引起的鐵塔基礎(chǔ)總沉降無(wú)影響。從圖7可知，加固后整體基礎(chǔ)的傾斜率不斷增大，在隧道工作面距鐵塔約1.5倍洞徑時(shí)達(dá)到最大值(0.04%)，其后趨于穩(wěn)定。

圖7 方案三鐵塔基礎(chǔ)傾斜率的變化曲線

3.3 施工方案評(píng)價(jià)

(1) 從鐵塔基礎(chǔ)沉降量方面進(jìn)行分析

方案一沉降量較大，方案二和方案三最大沉降量基本相同，均比方案一少約58%。目前，尚無(wú)規(guī)范對(duì)高壓鐵塔獨(dú)立樁基沉降量有具體要求，隧道下穿鐵塔實(shí)施案例[3，7-8]表明，鐵塔基礎(chǔ)最大沉降量宜控制在10～20 mm。結(jié)合電力管理部門意見，確定20 mm作為沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，方案二(最大沉降量為14.5 mm)和方案三(最大沉降量為14.4 mm)可以滿足鐵塔基礎(chǔ)總沉降量要求。

(2) 從鐵塔相鄰樁基沉降差方面進(jìn)行分析

鐵塔樁基的不均勻沉降對(duì)塔身超靜定構(gòu)件將產(chǎn)生次應(yīng)力，如果鐵塔構(gòu)件存在缺陷或次應(yīng)力增加較大，可能造成鐵塔構(gòu)件失效，危及輸電線路運(yùn)營(yíng)安全?？砂础陡呗柦Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50135—2006)[14]中的規(guī)定對(duì)方案一和方案二相鄰基礎(chǔ)間的沉降差進(jìn)行評(píng)價(jià)。該規(guī)范第7.2.6條規(guī)定：鐵塔等高聳結(jié)構(gòu)在中低壓縮性土地基上的不均勻沉降差限值為0.002L(L為相鄰基礎(chǔ)的中心距離/mm)。因此，鐵塔相鄰基礎(chǔ)沉降差應(yīng)小于8 mm。方案一計(jì)算得到的相鄰獨(dú)立樁基最大沉降差為3.0 mm，方案二計(jì)算得到的相鄰獨(dú)立樁基最大沉降差為1.3 mm，均滿足要求。方案二比方案一的相鄰樁基間沉降差少57%，取沉降差8 mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，方案二安全系數(shù)為6.2。

(3)從鐵塔基礎(chǔ)傾斜率方面進(jìn)行分析

采用H形框架梁對(duì)鐵塔4個(gè)樁基進(jìn)行加固后(方案三)，形成了一個(gè)類似承臺(tái)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)按基礎(chǔ)沉降傾斜率進(jìn)行評(píng)價(jià)?！都芸蛰旊娋€路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T5219—2014)[15]5.3.1條規(guī)定：塔高小于50 m時(shí)基礎(chǔ)傾斜率允許值為0.6%。方案三的基礎(chǔ)沉降傾斜率為0.04%，取0.6%的傾斜率作為控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，安全系數(shù)為15。

綜上所述，方案二較方案一可以明顯減小鐵塔基礎(chǔ)的沉降。在方案二的基礎(chǔ)上，采用H形框架梁對(duì)鐵塔樁基進(jìn)行加固(方案三)，將鐵塔獨(dú)立樁基連成整體，可以明顯提高鐵塔基礎(chǔ)沉降控制的安全系數(shù)。另外，地基的不均勻變形對(duì)塔身超靜定構(gòu)件容易產(chǎn)生次應(yīng)力，這種次應(yīng)力的作用程度會(huì)因塔腿基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式不同而各異，采用H形框架梁加固能更好地減小塔身構(gòu)件的次應(yīng)力。因此，方案三為最優(yōu)方案。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及施工效果評(píng)價(jià)

最終選擇方案三為實(shí)施方案，對(duì)塔基采用H形框架梁加固，隧道洞內(nèi)采用“大管棚超前支護(hù)+臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱”施工(如圖8所示)。H形框架梁于2015年5月2日前施工完成，2015年5月12日開始下穿鐵塔段開挖，2015年6月16日完成下穿鐵塔段施工。

圖8 大管棚超前注漿支護(hù)照片

鐵塔基礎(chǔ)沉降及傾斜率時(shí)程曲線分別如圖9和圖10所示，鐵塔基礎(chǔ)累計(jì)最大沉降量為16 mm，傾斜率為0.05%，實(shí)測(cè)基礎(chǔ)沉降趨勢(shì)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本符合(實(shí)測(cè)值比計(jì)算值稍大)，均滿足相關(guān)規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)鐵塔構(gòu)件產(chǎn)生異常，經(jīng)電力管理部門評(píng)定，隧道施工未影響鐵塔結(jié)構(gòu)安全。

圖9 鐵塔基礎(chǔ)累計(jì)沉降時(shí)程曲線

圖10 鐵塔基礎(chǔ)傾斜率時(shí)程曲線

5 結(jié)論

(1) “大管棚超前支護(hù)+臺(tái)階法+臨時(shí)仰拱”方案較“小導(dǎo)管超前支護(hù)+臺(tái)階法+臨時(shí)橫撐”方案減少了鐵塔樁基58%的沉降量和57%的沉降差，支護(hù)效果明顯改善。

(2) 通過(guò)增加H形框架梁，將獨(dú)立樁基差異沉降問(wèn)題轉(zhuǎn)化為整體基礎(chǔ)的傾斜率問(wèn)題，提高了鐵塔基礎(chǔ)沉降控制安全系數(shù)，增強(qiáng)了鐵塔超靜定構(gòu)件對(duì)不均勻沉降的適應(yīng)能力。

(3) 結(jié)合規(guī)范和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)于單線淺埋隧道下穿鐵塔，可以取樁基最大沉降20 mm、H形框架梁加固后整體基礎(chǔ)傾斜率0.6%作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

(4) 鐵塔基礎(chǔ)沉降最大實(shí)測(cè)值為16 mm，與計(jì)算值結(jié)果和趨勢(shì)基本相符，可認(rèn)為綜合處理的方案合理有效，能夠保證鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。