高海拔特長公路隧道下穿高壓電桿的加固措施

孫永清，李學(xué)智，胡 川，劉明江，王 淵

（中交隧道局第四工程有限公司，四川 成都 610091）

0 引 言

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施工程的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)越來越多的新建工程修建在既有結(jié)構(gòu)物周邊的情況，新、舊結(jié)構(gòu)物錯(cuò)綜復(fù)雜的鄰近位置關(guān)系，將可能威脅既有結(jié)構(gòu)物的安全［1－3］。隧道開挖將改變周邊圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，破壞近接結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)應(yīng)力或位移超限，影響其正常使用［4－6］。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道近接工程施工控制技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了很多重要的研究成果［7－9］。

張志強(qiáng)等［10］采用數(shù)值模擬手段研究玄武湖隧道與地鐵盾構(gòu)隧道超近接施工的力學(xué)行為，提出近接既有玄武湖隧道盾構(gòu)的施工建議。張頂立等［11］依托廈門機(jī)場(chǎng)路一期工程下穿隧道，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與變形監(jiān)測(cè)，對(duì)洞內(nèi)施工提出改進(jìn)意見，并建議采取地面注漿抬升建筑物的加固措施，方案有效保證了既有建筑物的安全。陳星欣等［12］將資料調(diào)研與理論分析相結(jié)合，根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的控制沉降措施和建議沉降標(biāo)準(zhǔn)。近接施工時(shí)，往往會(huì)采取注漿的方式控制變形。潘政［13］通過數(shù)值模擬分析不等強(qiáng)注漿技術(shù)對(duì)地層變形的影響，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，驗(yàn)證了不等強(qiáng)注漿技術(shù)的可行性。胡長明等［14］運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論，結(jié)合數(shù)值模擬，提出盾構(gòu)臨近河流始發(fā)及下穿電塔的綜合施工技術(shù)。金建偉［15］利用 Midas／GTS分析了電塔與隧道相互之間的影響，以洞內(nèi)加強(qiáng)為主、地表加固為輔的下穿電塔方案取得了良好的效果。楊元洪［16］以李家沖隧道下穿高壓電塔為研究對(duì)象，研究隧道施工與上覆鐵塔的相互影響，擴(kuò)展了新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物相互作用的研究?jī)?nèi)容。

目前，對(duì)于隧道近接工程的研究大多集中在城市隧道中，既有近接結(jié)構(gòu)又多為建筑物、路基、隧道，而隧道下穿高壓電桿的研究相對(duì)較少［17－18］，尤其針對(duì)高寒高海拔地區(qū)淺埋偏壓隧道下穿高壓電桿的研究幾乎沒有。本文依托工程的洞頂高壓電桿位于高海拔隧道淺埋段，基礎(chǔ)埋深淺，洞頂圍巖較為破碎，隧道開挖過程中極易出現(xiàn)上覆巖土體塌落，導(dǎo)致高壓電桿位移超限破壞。因此，本文采用物理力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段分析圍巖大管棚超前支護(hù)和地表注漿加固效果，并通過現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，研究成果可為淺埋公路隧道下穿高壓電桿的施工與加固提供參考。

1 工程概況

國道317線珠角拉山隧道及連接線新建工程（K1326＋707.898～K1335＋550）是昌都至拉薩的重要交通干線，是國道214線、317線公路合線段。如圖1所示，珠角拉山隧道長4 605m，為特長隧道，按單洞雙向兩車道40km·h－1二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)口位于山前坡腳段斜坡地貌，地形坡度40°～50°；出口段位于紫曲拉河與山前斜坡交匯臺(tái)地前緣處，地形坡度15°～25°。

隧道于出口K1335＋097位置處下穿高壓電桿。從洞口K1330＋160至K1335＋135段洞頂圍巖主要為碎石土覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層，厚度較薄，地層破碎，成洞困難，需超前支護(hù)。出口段地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單、地形平緩，隧道掛口條件一般；由于洞頂巖土較薄，圍巖較差，成洞條件較差，隧道開挖過程中，薄層圍巖易發(fā)生垮塌，甚至導(dǎo)致地表發(fā)生過大的沉降，影響高壓電桿的安全使用，如圖2所示。

圖1 珠角拉山隧道

圖2 高壓電桿與隧道的現(xiàn)場(chǎng)位置關(guān)系

2 下穿方案

2.1 高壓電桿與隧道的位置關(guān)系

根據(jù)珠角拉山隧道通風(fēng)方案比選，并結(jié)合隧址區(qū)地形，在隧道軸線左側(cè)23.7m（測(cè)設(shè)線間距）設(shè)置平行導(dǎo)洞。既有高壓電桿為水泥電桿，高12m，基礎(chǔ)埋深2m，雙桿距離3m，位于正洞里程K1335＋097正上方右側(cè)。電桿基礎(chǔ)底部距離正洞拱頂17.8 m，與正洞中心線最小水平凈距為0.8m，與平行導(dǎo)洞中心線最小水平凈距為19.9m。高壓電桿與隧道的位置關(guān)系如圖3所示。

2.2 電桿加固設(shè)計(jì)

為防止在施工過程中擾動(dòng)高壓電桿，施工前應(yīng)先對(duì)高壓電桿周圍進(jìn)行注漿加固（K1335＋080～K1335＋110段），加固寬度為高壓電桿左、右各20 m范圍，如圖4所示。注漿完成且漿液達(dá)到強(qiáng)度后方可進(jìn)行下穿段的開挖，該段禁止放大炮，盡量采用機(jī)械開挖，減少對(duì)高壓電桿的擾動(dòng)。具體注漿加固工藝流程為：機(jī)具設(shè)備安裝、定位鉆孔、封孔、配水泥漿、注漿、鉆機(jī)移位。

圖3 高壓電桿與隧道的位置關(guān)系

圖4 高壓電桿加固

（1）機(jī)具設(shè)備安裝。先將鉆機(jī)安放于預(yù)定孔位，調(diào)好高度、角度，連接注漿泵及管路，再安裝壓力表，并檢查是否完好，然后試運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）鉆孔封孔。根據(jù)注漿深度及每根管的長度進(jìn)行配管；將配好的管節(jié)逐節(jié)沉入土中，保持垂直并且距離正確，管子四周孔隙用土填塞密實(shí)。注漿小導(dǎo)管尾部至理論開挖輪廓線距離為50cm，小導(dǎo)管長度及加固寬度可根據(jù)實(shí)際地形適當(dāng)調(diào)整，導(dǎo)管間距為1.0m×1.0m，呈梅花形布置。注漿小導(dǎo)管壁厚4mm，管口段500cm鋼管不開孔，其余部分按10cm間距交錯(cuò)設(shè)置注漿孔，孔徑8mm。

（3）配置漿液。注漿材料為水灰比為1∶1的水泥漿。漿液采用ZJ－400型立式高速耐磨攪拌機(jī)拌制，然后輸送到立式桶儲(chǔ)漿攪拌機(jī)內(nèi)。

（4）注漿。采用BW200／40灌漿泵泵入水泥漿，注漿壓力為0.5～1.0MPa，漿液配合比和注漿壓力可以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，擴(kuò)散半徑不小于1m，灌注漿液濃度應(yīng)由稀到濃，注漿壓力由低到高，逐級(jí)變換，終壓持續(xù)10min以上。施工時(shí)先進(jìn)行注漿區(qū)域外圍帷幕孔的注漿，往漿液里摻加占水泥質(zhì)量2%～3%的速凝劑，使孔內(nèi)漿液快速凝固，形成帷幕，防止內(nèi)部孔注漿時(shí)流失。

（5）質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。注漿加固后，取試塊作無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，檢測(cè)值不得低于規(guī)范要求，變形指標(biāo)須符合規(guī)范要求。

2.3 洞內(nèi)施工方案

下穿段圍巖為碎石土及強(qiáng)風(fēng)化－中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)，開挖后，拱部易坍塌及掉塊，側(cè)壁不穩(wěn)定。隧道開挖后可能滲水或滴水。施工采用留核心土分步開挖，遵循“快挖、快支、早封閉”的原則，采取分部開挖、及時(shí)支護(hù)、各工序緊跟的施工方法。平行導(dǎo)洞超前，具有探明隧道地質(zhì)、改善隧道通風(fēng)和多開隧道工作面的重大意義，隧道搭建大管棚支護(hù)，平行導(dǎo)坑掌子面比正洞掌子面超前30～50m的距離，如圖5所示。

圖5 正洞大管棚施工方案

3 數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

依據(jù)《國道317線（西藏境）珠角拉山隧道及接線工程設(shè)計(jì)附圖》，使用FLAC3D建立三維有限差分模型，如圖6所示。大管棚如圖7所示。主洞建筑限界：限寬9m，限界高度5m；平行導(dǎo)洞建筑限界：限寬4.5m，限界高度5m。為減小邊界效應(yīng)的影響，模型左右邊界各取距隧道3倍洞徑，

圖6 計(jì)算模型

圖7 超前大管棚

底部邊界距隧道拱底30m，頂部取實(shí)際埋深。故整體數(shù)值模型的尺寸為88m×90m×61m。隧道支護(hù)、電桿基礎(chǔ)以及圍巖采用三維六面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬。假定圍巖為連續(xù)均勻介質(zhì)，采用Mohr－Coulomb模型作為其本構(gòu)模型；隧道支護(hù)與電桿基礎(chǔ)采用彈性模型，圍巖與支護(hù)完全密貼。對(duì)模型施加固定的應(yīng)力邊界條件，其中底部邊界施加豎直方向的約束，四周邊界施加水平方向的約束。模型初始地應(yīng)力平衡只考慮自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。采用三臺(tái)階留核心土法進(jìn)行施工，核心土長度為3m，第一臺(tái)階與第二臺(tái)階長度為12m，第二臺(tái)階與第三臺(tái)階長度為12m，開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.8m，如圖8所示。

圖8 臺(tái)階法預(yù)留核心土施工

3.2 計(jì)算參數(shù)

洞身主要穿越高海拔碎石土及強(qiáng)風(fēng)化－中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，頂部位于碎石土層與強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，拱底坐落于中風(fēng)化粉砂巖。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣，在高校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行巖土的物理力學(xué)試驗(yàn)，通過三軸試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)獲取高海拔隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)準(zhǔn)確地建立三維數(shù)值模型提供理論支撐，物理力學(xué)試驗(yàn)如圖9所示。地表注漿加固區(qū)參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)鉆芯檢測(cè)結(jié)果確定，如圖10所示。

圖10 地表加固區(qū)鉆孔取芯試驗(yàn)

綜合室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)取芯可得到模型計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 電桿基礎(chǔ)位移分析

模擬隧道開挖下穿高壓電桿全過程，得到電桿基礎(chǔ)的沉降位移曲線，如圖11、12所示。從圖中可以看出，隨著隧道掌子面與電桿基礎(chǔ)距離的減小，電桿基礎(chǔ)豎向沉降逐漸增大。雙桿距離較近，豎向沉降變化趨勢(shì)基本一致，大致呈S形。從初始狀態(tài)到平行導(dǎo)洞掌子面通過電桿基礎(chǔ)位置，沉降增長較少；從平行導(dǎo)洞通過到仰拱施作階段，豎向位移顯著增長；仰拱施作完成后，圍巖變形基本穩(wěn)定，沉降僅有小幅增長。由于電桿基礎(chǔ)距離平行導(dǎo)洞相對(duì)較遠(yuǎn)，平行導(dǎo)洞開挖對(duì)基礎(chǔ)沉降的影響較小，平行導(dǎo)洞通過時(shí)，電桿1和2的基礎(chǔ)沉降分別為0.79、0.89 mm；上臺(tái)階掌子面抵達(dá)K1335＋097時(shí)，豎向位移大幅增長，達(dá)到4.00、4.55mm；仰拱施作完成后，豎向位移為7.54、7.62mm；二襯施作完成后的最終位移為8.17、8.11mm。

圖11 電桿基礎(chǔ)豎向沉降變化曲線

圖12 電桿基礎(chǔ)水平位移變化曲線

電桿基礎(chǔ)受隧道開挖影響產(chǎn)生的水平位移相對(duì)于豎向沉降小得多。平行導(dǎo)洞開挖后，在電桿基礎(chǔ)側(cè)下方出現(xiàn)臨空面，電桿基礎(chǔ)出現(xiàn)偏向平行導(dǎo)洞的水平位移；正洞開挖后，在基礎(chǔ)下方亦出現(xiàn)臨空面，造成基礎(chǔ)向正洞方向移動(dòng)。雙桿基礎(chǔ)水平位移變化趨勢(shì)均為先增大后減小。從初始狀態(tài)到平行導(dǎo)洞通過，電桿基礎(chǔ)水平位移到達(dá)峰值，即 0.65、0.65 mm；而后隨著正洞的開挖，位移值逐漸減小，二襯施作完成后水平位移減小至0.24、0.22mm。

在隧道與平行導(dǎo)洞開挖過程中，對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，容易造成圍巖的松動(dòng)變形，從而導(dǎo)致上方既有構(gòu)筑物的沉降，甚至影響其正常使用。洞室開挖造成開挖面在一定范圍內(nèi)的圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，且隨著與開挖區(qū)域距離的增大，影響逐漸減小。位于洞室正上方的電桿基礎(chǔ)，在隧道掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的豎向沉降遠(yuǎn)大于水平位移。當(dāng)掌子面達(dá)到既有基礎(chǔ)下方時(shí)，是控制基礎(chǔ)沉降的重要階段，應(yīng)提前采取必要措施防范過大的沉降。初期支護(hù)封閉成環(huán)，仰拱施作完成后，圍巖狀態(tài)逐漸達(dá)到新的平衡，電桿基礎(chǔ)位移趨于穩(wěn)定。經(jīng)過地表注漿加固后，加固區(qū)內(nèi)的巖土體物理力學(xué)性質(zhì)得到改善，有效減小了洞室開挖造成的松動(dòng)變形。電桿基礎(chǔ)最大豎向沉降為8.17mm，最大水平位移為0.65mm，滿足《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2006）中對(duì)最大允許沉降量的要求，保證了隧道下穿過程中高壓電桿的安全穩(wěn)定。

3.3.2 隧道圍巖變形分析

電桿基礎(chǔ)正下方隧道斷面（K1335＋097）的拱頂下沉與邊墻收斂隨掌子面推進(jìn)的變化曲線如圖13、14所示。隨著掌子面靠近監(jiān)測(cè)斷面，拱頂沉降與邊墻收斂持續(xù)增長。在掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前，拱頂圍巖就發(fā)生了先行位移，沉降了3.90mm；掘進(jìn)到監(jiān)測(cè)斷面后，拱頂沉降急劇增大；隧道繼續(xù)向前開挖，拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定，最大沉降為16.71 mm。掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面之前，邊墻先行收斂值為1.57mm；監(jiān)測(cè)斷面開挖后，邊墻水平收斂值陡增，掌子面開挖到監(jiān)測(cè)斷面前方6m處時(shí)，出現(xiàn)水平收斂峰值7.72mm；隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行，水平收斂有所減小，最終穩(wěn)定在5.26mm。

電桿基礎(chǔ)下方隧道洞周塑性區(qū)分布如圖15所示。可以看出，隧道開挖過程改變了洞周圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致部分圍巖出現(xiàn)塑性屈服，形成塑性區(qū)。監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)主要分布在拱頂處，由兩側(cè)拱肩向上發(fā)展，但分布范圍較小，出現(xiàn)在拱頂0.5倍洞徑范圍內(nèi)。

4 加固效果分析

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，分別對(duì)電桿基礎(chǔ)與隧道進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，主要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有電桿基礎(chǔ)豎向沉降和水平位移，以及隧道的拱頂沉降和邊墻收斂，如圖16所示。

圖13 K1335＋097斷面拱頂下沉

圖14 K1335＋097斷面邊墻收斂

圖15 監(jiān)測(cè)斷面塑性區(qū)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比如表2所示。由1.28mm，水平位移實(shí)測(cè)值模擬值小0.19mm，均小于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50135—2006）中的基礎(chǔ)最大允許沉降量?，F(xiàn)場(chǎng)洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)是在掌子面開挖到監(jiān)測(cè)斷面后才開展的，故洞內(nèi)拱頂沉降與邊墻收斂實(shí)測(cè)值均比模擬值小。拱頂下沉與邊墻收斂實(shí)測(cè)值分別為14.83、4.40mm，與模擬值相比分別小1.88、0.86mm。

圖16 加固效果監(jiān)測(cè)

表2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比

在隧道開挖之前開展地表注漿預(yù)加固，加固區(qū)內(nèi)的土體得到了有效的加強(qiáng)。電桿基礎(chǔ)位移和洞內(nèi)位移均很小，滿足相關(guān)位移控制標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過加固后土體的整體性與強(qiáng)度均得到有效提高，可限制隧道開挖后塑性區(qū)的發(fā)展，減小圍巖松動(dòng)變形。在隧道下穿高壓電桿的過程中，施工對(duì)高壓電桿造成的擾動(dòng)小，對(duì)高壓電桿的正常使用影響程度低，同時(shí)地表加固也保證了隧道的安全快速開挖。

5 結(jié) 語

（1）隧道開挖對(duì)既有高壓電桿基礎(chǔ)的豎向沉降影響較大，對(duì)水平位移影響較小。隨著掌子面的推進(jìn)，電桿基礎(chǔ)豎向沉降逐漸增大，水平位移先增大后減小，在二襯施作完成后，沉降位移趨于穩(wěn)定。

（2）地表注漿加固可減小洞周圍巖變形，塑性區(qū)分布范圍小。掌子面接近電桿基礎(chǔ)下方時(shí)，圍巖位移急劇增長，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注洞內(nèi)收斂變形，做好監(jiān)控量測(cè)工作。

（3）超前大管棚和地表注漿可起到膠結(jié)破碎巖土體的作用，改善軟弱巖體的整體性與強(qiáng)度。在隧道下穿高壓電桿的過程中，電桿沉降位移滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，確保了高壓電桿的正常安全使用，預(yù)注漿加固效果顯著。

（4）掌子面到達(dá)高壓電桿基礎(chǔ)下方時(shí)，基礎(chǔ)豎向沉降增長較大，仰拱施作完成后，沉降基本趨于穩(wěn)定；故在實(shí)際下穿施工過程中，應(yīng)預(yù)先采取防范措施，及時(shí)封閉初期支護(hù)，保證既有結(jié)構(gòu)物的安全。