新建隧道緊鄰既有高壓鐵塔的加固研究

(成都華川公路建設(shè)集團(tuán)有限公司, 四川 成都 610091)

0 引言

新建公路隧道緊鄰既有高壓鐵塔，隧道開挖會對鐵塔產(chǎn)生影響，通常鐵塔改遷成本過高或受條件限制，這時一般會選擇對鐵塔進(jìn)行加固處理。處理之前要對鐵塔進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，包括鐵塔與隧道的位置關(guān)系、地質(zhì)情況、鐵塔基礎(chǔ)布置情況、鐵塔重量等。常用的加固方式有托換方案和隔離方案，托換方案就是增加托梁、樁基，與鐵塔基礎(chǔ)形成一個穩(wěn)固強(qiáng)大的受力體系；而隔離方案是在鐵塔周邊打入樁基，樁基頂部采用冠梁連接，形成一個完整的隔離體系。大澤隧道緊鄰220 kV高壓鐵塔，為了保證鐵塔的安全穩(wěn)定，本文提出了托換、隔離2種處理方案，通過比選決定采用隔離方案，并對隔離方案進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，對隧道開挖進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示隧道洞周最大相對位移、鐵塔傾斜、沉降都在安全允許范圍之內(nèi)。

1 工程概況

大澤隧道為一座雙向6車道連拱隧道，從大澤園區(qū)穿過，區(qū)域地質(zhì)以黏土、全風(fēng)化泥質(zhì)板巖為主，隧道K7+830位置左側(cè)存在220 kV高壓鐵塔，平面位置關(guān)系見圖1，立面位置關(guān)系見圖2，塔基布置型式見圖3。鐵塔塔基為4個獨(dú)立的鋼混混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，塔基中心間距6.5 m，隧道外側(cè)距塔基底部最小距離5.41 m，距離最近塔基中心距離7.28 m，高壓鐵塔重2 400 kg左右，高9 m。

圖1 鐵塔平面位置(單位: m)

圖2 鐵塔立面(單位： cm)

圖3 高壓鐵塔基礎(chǔ)(單位： cm)

2 鐵塔加固設(shè)計(jì)

大澤隧道距離高壓鐵塔較近，為減少隧道開挖對高壓鐵塔的影響，需要對鐵塔進(jìn)行加固，提出2種加固方案：托換方案(見圖4)和隔離方案(見圖5)。

2.1 方案介紹

2.1.1托換方案

圖4為托換方案。電塔塔基均采用1.2 m的挖孔樁進(jìn)行托換，樁與塔基采用托梁連接，托梁之間采用連梁進(jìn)行連接，托換梁和塔基之間進(jìn)行植筋處理。托換體系中，荷載將通過塔基傳到托換梁上,再由梁傳到新加的托換樁上,從而達(dá)到托換的目的。為保證塔基上的荷載能夠傳到梁上,就必須保證塔基與梁的有效連接，為此,除在施工措施中對原有塔基進(jìn)行新舊混凝土界面處理外,還在設(shè)計(jì)中不考慮新舊混凝土間的抗剪力,其荷載完全由塔基上的植筋來承擔(dān)，對植筋的要求較高。植筋施工應(yīng)滿足以下要求：①植筋膠要求有50 a的長期性能報告及1.5 h以上的耐火測試報告；②植筋膠應(yīng)具有塞焊性能,當(dāng)植筋與鋼筋焊接時產(chǎn)生的熱輻射能不會影響植筋膠的性能。

圖4 托換方案(單位： cm)

圖5 隔離方案(單位： cm)

2.1.2隔離方案

圖5為隔離方案。在塔基和隧道之間設(shè)置挖孔樁，當(dāng)隧道開挖導(dǎo)致土體產(chǎn)生滑移變形時 ,隔離樁通過提高滑移面的抗剪能力以及樁身提供的樁側(cè)阻力以限制樁后土體的變形發(fā)展 ,減小電塔的沉降。在塔基南面、東西兩側(cè)分別設(shè)置直徑為1.2 m的挖孔樁，樁頂采用冠梁進(jìn)行連接。

2.2 方案的確定

托換方案預(yù)計(jì)造價45萬元，設(shè)置了4根挖孔樁，工期較短，托梁與塔基采用植筋的方式進(jìn)行連接，對植筋的工藝要求高，往往難以做到有效連接，且對塔基會造成一定的破壞，與電力部門協(xié)調(diào)難度大；隔離方案預(yù)計(jì)造價90萬元，工期稍長，加固樁與塔基相互獨(dú)立，施工流程簡單，協(xié)調(diào)難度小。經(jīng)過綜合比較，決定采用隔離方案。

2.3 隔離方案設(shè)計(jì)

具體加固設(shè)計(jì)見圖6、圖7。圖6中顯示出了鐵塔基礎(chǔ)的平面布置，由于挖孔樁必須要在鐵塔基礎(chǔ)外側(cè)布置，在南、東、西3個方向布置挖孔樁，與塔基的距離為3.5 m，穿過破裂面的長度不小于8 m，南側(cè)一共布置9根挖孔樁(長度20 m)，東西兩側(cè)各布置3根挖孔樁(長度分別為17、14、11 m)。挖孔樁與鐵塔外邊緣之間采用Φ 89 mm鋼花管進(jìn)行注漿加固，長13 m，間距1.4 m，注漿壓力按0.5～1.0 MPa進(jìn)行控制。

圖6 加固設(shè)計(jì)平面 (單位: cm)

圖7 加固設(shè)計(jì)立面(單位: cm)

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用Midas數(shù)值計(jì)算軟件對隧道開挖進(jìn)行計(jì)算，隧道采用三導(dǎo)坑施工方式進(jìn)行開挖，襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)見圖8。采用地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算，并考慮結(jié)構(gòu)自重，圍巖中荷載釋放系數(shù)可以考慮為：圍巖及初期支護(hù)承擔(dān)50%，二次襯砌承擔(dān)50%。高壓鐵塔自重替換為均布荷載對塔基施加壓力，每個塔基所受壓力為16.7 kN/m2。計(jì)算中二次襯砌、初期支護(hù)采用板單元模擬，隔離樁采用梁單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性；圍巖及塔基采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫倫。圍巖參數(shù)按隧道地質(zhì)資料進(jìn)行取值，具體材料參數(shù)見表1。

圖8 隧道襯砌

表1 材料參數(shù)表材料容重γ/(kN·m-3)彈性模量E/MPa泊松比μ黏聚力c/kPa摩擦角φc/(°)單元類型本構(gòu)模型初期支護(hù)2423 0000.2——板單元彈性二次襯砌2528 0000.2——板單元彈性黏土19.51 2000.44021實(shí)體單元摩爾-庫倫全風(fēng)化泥質(zhì)板巖201 4000.383821實(shí)體單元摩爾-庫倫隔離樁2528 0000.3——梁單元彈性冠梁2530 0000.3——實(shí)體單元彈性塔基2530 0000.3——實(shí)體單元彈性

計(jì)算模型：拱頂覆土厚度按真實(shí)情況模擬，左側(cè)隧道拱頂覆土厚度6.2 m，右側(cè)隧道拱頂覆土厚度9.8 m；隔離樁直徑1.2 m，樁頂用冠梁連接，計(jì)算模型長100 m、寬100 m、高50 m。計(jì)算模型見圖9，所示邊界條件為前后左右固定和底部固定，開挖采用三導(dǎo)坑開挖方式，塔基及隔離樁見圖10。

圖9 計(jì)算模型圖

圖10 塔基及隔離樁大樣圖

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)要求，對隧道開挖完成之后塔基傾斜值和不均勻沉降值進(jìn)行檢算。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)給出的隧道周邊允許相對位移值(表2)對隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

表2 隧道周邊允許相對位移值圍巖類別不同覆蓋層厚度(m)時的允許相對位移值/%﹤5050～300﹥300Ⅲ0.10～0.300.20～0.500.40～1.20Ⅳ0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅴ0.20～0.800.60～1.601.00～3.00

3.2 計(jì)算結(jié)果及評價

隧道頂部沉降見圖11，塔基沉降云圖見圖12。對每個塔基4個頂點(diǎn)豎向沉降值取平均數(shù)得到每個塔基的沉降位移值，見表3。

圖11 隧道頂部沉降

圖12 塔基頂部沉降

表3 塔基豎向位移表mm塔基1塔基2塔基3塔基4不均勻沉降最大值-3.2-2.12.1-3.10.001 1

從圖11中可以看出，隧道右側(cè)洞周變形大一些，拱頂沉降為5.9 mm，拱底隆起13.6 mm，相對位移為(5.9+13.6)mm=19.5 mm，本處隧道埋深9.8 m，根據(jù)表2可以得出,允許位移相對值(按中間值0.5%考慮)為:(9.8×0.5%×1 000)mm=49 mm，大于19.5 mm，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖12中可以看出,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)表5.3.4 建筑物的地基變形允許值中高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)(Hg≤20 m)的傾斜最大值為0.008(傾斜值為沉降差除以距離)，最大沉降值400 mm。塔基間距為6.5 m，則最大傾斜值為(0.003 2-0.002 1)/6.5=0.000 2，小于0.008；表中最大沉降3.2 mm,小于400 mm，高壓鐵塔是安全的，加固方案可行。

4 結(jié)論

1) 本文針對高壓鐵塔加固提出了托換、隔離2種處理方案，通過比選決定采用隔離方案，在南、東、西3個方向布置挖孔樁，與塔基的距離為3.5 m，穿過破裂面的長度不小于8 m，南側(cè)一共布置9根挖孔樁(長度20 m)，東西兩側(cè)各布置3根挖孔樁(長度分別為17、14、11 m)。挖孔樁與鐵塔外邊緣之間采用Φ89 mm鋼花管進(jìn)行注漿加固，長13 m，間距1.4 m，注漿壓力按0.5～1.0 MPa進(jìn)行控制。

2) 對隧道開挖進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出了隧道開挖之后最大相對位移為19.5 mm，小于規(guī)范允許值，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。塔基最大傾斜值為0.0002，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)表5.3.4規(guī)定的允許值0.008；塔基最大沉降為3.2 mm，小于規(guī)范允許值400 mm，高壓鐵塔是安全的，加固方案可行。