雙線小凈距隧道正下穿高壓電塔影響研究

張建國

摘 要：城市地鐵雙線小凈距隧道下穿高壓電塔，施工風(fēng)險較高，研究盾構(gòu)隧道近距離穿越高壓電塔影響，對于保證施工過程中高壓電塔及區(qū)間隧道安全穩(wěn)定具有重要意義。文章以巖石地層小凈距盾構(gòu)區(qū)間下穿南吳線 66kV 高壓電塔為背景，通過數(shù)值分析計算，模擬盾構(gòu)下穿高壓電塔施工工況，對高壓電塔基礎(chǔ)沉降進(jìn)行計算分析，將計算值與地表監(jiān)測值進(jìn)行對比，驗證計算結(jié)果，最終雙線凈距僅 2.8m 的 2 條隧道安全順利通過高壓電塔。

關(guān)鍵詞：地鐵;小凈距隧道;下穿電塔;掘進(jìn)參數(shù)

中圖分類號：U455.43

1 引言

高壓輸電線是城市發(fā)展不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，城市地鐵建設(shè)線路應(yīng)盡量規(guī)避正下穿高壓電塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，當(dāng)區(qū)間隧道與高壓電塔產(chǎn)生交叉甚至下穿情況時，需重點研究下穿高壓電塔的風(fēng)險程度，由于高壓輸電塔是電力系統(tǒng)輸電線路的主要受力構(gòu)件且為高聳空間結(jié)構(gòu)，高壓電塔塔基相互獨立，對基礎(chǔ)沉降、傾斜要求極其嚴(yán)格，變形過大容易發(fā)生傾覆[1]，影響人民生產(chǎn)生活用電。張社榮等[2]通過ABAQUS計算提出天津地鐵6號線左右線相距17 m的盾構(gòu)隧道開挖過程對高壓電塔影響，得出隧道兩側(cè)2倍洞徑范圍為主要影響區(qū);徐茂兵[3]研究了深圳地鐵車公廟站—竹子林站區(qū)間隧道（線間距24.23 m）下穿既有220 kV高壓電塔的加固方案，從受力分析、施工技術(shù)等方面進(jìn)行了分析，最終采用樁基托換+洞內(nèi)超前及徑向注漿止水并加固土層的加固方案，使得高壓電塔累計沉降小于10 mm、不均勻沉降小于3 mm;胡長明[4]以成都地鐵3號線盾構(gòu)隧道工程為背景，研究地鐵盾構(gòu)穿越高壓電塔掘進(jìn)施工工況，認(rèn)為采用洞內(nèi)施工措施和地面加固均可以有效控制地層沉降，但在渣土改良、有效控制掘進(jìn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用洞內(nèi)注漿等施工措施比地面加固措施效果要好;張華林[5]分析了上覆高壓電塔和隧道之間影響及規(guī)律，以及高壓電塔的變形控制指標(biāo);彭浩[6]結(jié)合暗挖中隔壁CRD法隧道下穿高壓電塔案例提出對高壓電塔進(jìn)行整體基礎(chǔ)加固方案，以滿足高壓電塔基準(zhǔn)變形要求;陳周斌[7]以杭州某盾構(gòu)隧道穿越建筑群為背景，經(jīng)過理論分析和數(shù)值模擬，得出穿越段土倉壓力、推進(jìn)速度和同步注漿率的控制范圍。合理的施工參數(shù)配以相關(guān)輔助措施，能夠保證穿越工程的安全[8-10]?？傮w來看，盾構(gòu)下穿高壓電塔案例研究較多，各地區(qū)地質(zhì)條件千差萬別，多為軟弱圍巖，且盾構(gòu)隧道左右線線間距較大（超過12 m），采取的加固措施以地面加固、樁基托換、控制掘進(jìn)參數(shù)為主，然而巖石地層條件下小凈距隧道下穿高壓電塔并無先例，因此，有必要對該條件下盾構(gòu)穿越高壓電塔變形情況進(jìn)一步研究，以便提出更有針對性、可操作性的加固方案，既滿足高壓電塔安全要求，又保證工程措施經(jīng)濟(jì)合理，同時總結(jié)出有針對性的盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)，為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

大連地鐵5號線某區(qū)間垂直下穿南吳線塔66kV9號高壓電塔，線間距9 m，結(jié)構(gòu)凈距2.8 m為小凈距盾構(gòu)隧道。隧道豎向距離南吳線9號高壓電塔基礎(chǔ)12.8m，且位于中風(fēng)化白云巖層中，高壓電塔基礎(chǔ)間凈距為7.62m，隧道與高壓電塔基礎(chǔ)位置關(guān)系如圖1所示。高壓電塔結(jié)構(gòu)主要由塔身、塔頭、塔腿3 部分組成，上方由導(dǎo)線、絕緣子及其附件組成，塔身為四角鋼桁架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為4個獨立臺階式混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，塔身及電線重量由4個電力高壓電塔基礎(chǔ)分別承擔(dān)，基礎(chǔ)形式如圖1b所示，基礎(chǔ)埋深H = 2.8m，基礎(chǔ)底面寬D = 3.48 m。

3 高壓電塔變形控制要求

高壓電塔對沉降及傾斜反應(yīng)敏感，高壓電塔基礎(chǔ)不均勻沉降，容易引起塔桿變形或局部破壞，甚至整體傾覆。

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50911-

2013）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011）要求，建（構(gòu)）筑物變形控制指標(biāo)如表1所示，表1中L 為相鄰基礎(chǔ)的中心距離。

考慮本工程下穿高壓電塔的重要性及風(fēng)險等級，基礎(chǔ)沉降控制值為10 mm，差異沉降不超過5 mm;根據(jù)輸電高壓電塔設(shè)計規(guī)范，高壓電塔主材角鋼抗拉或抗壓強度計算承載能力取268MPa;高壓電塔自身水平位移的衡量指標(biāo)主要是塔身傾斜度I，塔身傾斜度I是指高壓電塔頂部中心節(jié)點偏移的水平位移U（橫向水平位移Ul和縱向水平位移U2的合位移）與總塔高H的比值，I = U / H，當(dāng)高壓電塔高度在50m以上時，高壓電塔的容許傾斜值[I] = 0.5%。

4 數(shù)值計算分析

采用地層結(jié)構(gòu)法模擬隧道開挖全過程，圍巖采用摩爾-庫倫模型，土體采用實體單元模擬，管片采用板單元模擬，高壓電塔采用梁單元模擬。本計算模型縱向長度為120 m，橫向長度為100 m，模型下部取至隧道結(jié)構(gòu)底緣下30 m深，共劃分單元154 671個，節(jié)點84 693個。計算模型如圖2所示。

4.1 計算假定

隧道于K24 + 510處垂直下穿南吳線66kV9號高壓電塔，豎向距離南吳線9號高壓電塔基礎(chǔ)12.8 m，位于中風(fēng)化白云巖層中。對施工階段過程有限元數(shù)值模擬進(jìn)行一定假設(shè)和模型簡化，具體的假定如下：

（1）土層為各向同性，結(jié)構(gòu)體的變形、受力均在彈性范圍內(nèi);

（2）模擬計算盾構(gòu)施工過程，主要考慮采取階段性土體開挖與鋼筋混凝土管片施加激活，不考慮土體變化時間效應(yīng)以及土體與管片之間的摩阻力。

4.2 計算參數(shù)確定

土層采用摩爾-庫倫模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，根據(jù)勘察地質(zhì)資料，確定計算模型的基本參數(shù)，材料參數(shù)見表2～表4。

4.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

4.3.1 高壓電塔基礎(chǔ)沉降計算分析

隧道雙線采用分部開挖、先開挖左線后開挖右線的方法進(jìn)行盾構(gòu)模擬施工，隧道雙線貫通后的計算結(jié)果如圖3～圖8所示。

（1）高壓電塔T1基礎(chǔ)4個角部豎向位移與開挖步序關(guān)系曲線如圖5所示，由圖5可以發(fā)現(xiàn)，隨著隧道開挖進(jìn)行，高壓電塔T1基礎(chǔ)4個角點豎向位移在盾構(gòu)刀盤到達(dá)基礎(chǔ)前幾個開挖步序有微小的隆起，主要是由于盾構(gòu)刀盤前方對土體的擠壓作用，隨著隧道的開挖，地層出現(xiàn)損失，導(dǎo)致基礎(chǔ)出現(xiàn)急劇的豎向位移;開挖步序10～步序25時，隨著盾構(gòu)管片拼裝完成，盾構(gòu)開挖引起地層損失導(dǎo)致的豎向位移趨于穩(wěn)定;開挖步序25后盾構(gòu)機盾尾通過高壓電塔，導(dǎo)致基礎(chǔ)豎向位移又進(jìn)一步增加，待整個盾構(gòu)機通過高壓電塔基礎(chǔ)后，基礎(chǔ)的豎向位移趨于穩(wěn)定。開挖過程中最大豎向位移為0.35 mm。

（2）高壓電塔T2基礎(chǔ)4個角部豎向位移與開挖步序關(guān)系曲線如圖6所示，由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著隧道開挖進(jìn)行，高壓電塔T2基礎(chǔ)4個角點豎向位移在盾構(gòu)刀盤到達(dá)基礎(chǔ)前幾個開挖步序同T1基礎(chǔ)一樣有微小的隆起，開挖至步序10～步序27時，隨著盾構(gòu)管片拼裝完成，盾構(gòu)開挖引起地層損失導(dǎo)致的豎向位移趨于穩(wěn)定;開挖步序27后盾構(gòu)機盾尾通過高壓電塔，導(dǎo)致基礎(chǔ)豎向位移又進(jìn)一步增加，待整個盾構(gòu)機通過高壓電塔基礎(chǔ)后，基礎(chǔ)的豎向位移趨于穩(wěn)定。開挖過程中最大豎向位移為0.36 mm。

（3）高壓電塔T3基礎(chǔ)4個角部豎向位移與開挖步序關(guān)系曲線如圖7所示，由圖7可以發(fā)現(xiàn)，開挖至步序25時局部出現(xiàn)隆起，最大隆起高度為0.14 mm;高壓電塔T3基礎(chǔ)在左線隧道開挖過程中由于T1基礎(chǔ)沉降引起T3產(chǎn)生隆起，隨著右線隧道的開挖，T3基礎(chǔ)距離右線隧道較近，受地層損失影響，豎向位移急劇增加，最大達(dá)到0.18 mm。

（4）高壓電塔T3基礎(chǔ)4個角部豎向位移與開挖步序關(guān)系曲線如圖8所示，由圖8可以發(fā)現(xiàn)，高壓電塔T4基礎(chǔ)豎向位移變化規(guī)律與T1、T2類似，但是由于其位于左右線隧道中間，因此左線隧道開挖引起的豎向位移與右線隧道開挖引起的豎向位移大小基本相當(dāng)，隧道開挖完成后均趨于穩(wěn)定。開挖工程中最大豎向位移為0.37 mm。

以上計算結(jié)果表明，盾構(gòu)開挖完成后高壓線塔基礎(chǔ)累計最大沉降為0.37 mm，滿足相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3.2 高壓電塔內(nèi)力計算分析

圖9為左右線隧道開挖完成后高壓電塔桿件應(yīng)力分布圖，由圖9可見，4根主桿始終受壓，橫桿上部受壓、下部受拉。主桿與橫桿相比截面較大，橫桿的最大拉應(yīng)力為17.7 MPa，最大壓應(yīng)力23.4 MPa，應(yīng)力最大值均在角鋼的承載能力范圍之內(nèi)，表明高壓電塔基本處于安全狀態(tài)。

4.3.3 高壓電塔傾斜計算分析

圖10為高壓電塔X及Y方向水平位移云圖，由圖10可見，X方向最大水平位移為8.59 mm，Y方向最大水平位移為2.4 mm，經(jīng)計算最終傾斜度達(dá)到0.02%，滿足高壓電塔控制要求。但也應(yīng)該注意到，高壓電塔傾斜度對隧道開挖更敏感，也更接近控制值，因此，建議提前做好高壓電塔基礎(chǔ)保護(hù)的應(yīng)急預(yù)案。

5 施工監(jiān)測

為監(jiān)控盾構(gòu)下穿高壓電塔過程中高壓電塔位移和傾斜情況，在高壓電塔布設(shè)了監(jiān)測點。高壓電塔豎向位移監(jiān)測結(jié)果如圖11所示，由圖11可見，高壓電塔基礎(chǔ)偶爾出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，同樣隨著隧道的開挖，豎向位移逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定，4個高壓電塔基礎(chǔ)監(jiān)測的豎向位移分別為0.99 mm、0.96 mm、0.99 mm、1.16mm，滿足10 mm控制要求。

6 結(jié)論及建議

（1）數(shù)值分析軟件模擬左右線2.8 m小凈距隧道下穿高壓電塔基礎(chǔ)的施工過程表明，計算分析結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果趨勢一致，盾構(gòu)開挖引起的地層損失所產(chǎn)生的高壓電塔基礎(chǔ)豎向位移最大為0.37mm，滿足高壓電塔正常工作的沉降要求。

（2）隨著左右線隧道開挖，高壓電塔T1～T44 個基礎(chǔ)的豎向位移變化趨勢具有典型特征，即靠近盾構(gòu)刀盤開挖面時，基礎(chǔ)有略微隆起，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，基礎(chǔ)產(chǎn)生明顯豎向沉降，待盾構(gòu)通過后沉降趨于緩和，靠近開挖隧道一側(cè)的高壓電塔基礎(chǔ)受影響程度大于遠(yuǎn)離開挖面一側(cè)的基礎(chǔ)，遠(yuǎn)離左右線隧道的T4基礎(chǔ)則在左右線開挖過程中先產(chǎn)生一定程度的隆起再沉降。

（3）高壓電塔塔桿的內(nèi)力變化及最大傾斜度均在高壓電塔控制值范圍內(nèi)。

（4）硬巖地層中下穿類似高壓電塔至少應(yīng)保證地鐵盾構(gòu)隧道豎向埋深1倍洞徑以上，且施工前施作試驗段，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)出土量及推進(jìn)速度，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，要及時進(jìn)行管片背后注漿，必要時可采取多次壓漿，加強實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測反饋的信息及時優(yōu)化調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

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收稿日期 2010-06-29

責(zé)任編輯 朱開明