暗挖電力隧道側(cè)穿高壓鐵塔的技術(shù)研究與分析

韓春龍， 李翔宇

(1 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 200025;2 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司地基基礎(chǔ)研究所， 北京 100013)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷深入及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市用電負(fù)荷急劇增加，同時(shí)由于土地資源稀缺，架空線走廊資源越來(lái)越受到限制，因此電力隧道應(yīng)運(yùn)而生。電力隧道是能容納十幾條甚至更多電纜線路的地下構(gòu)筑物，它可以把城市變電站連接起來(lái)，用于改善城市中心商業(yè)區(qū)及其周?chē)貐^(qū)的電力系統(tǒng)。

許多電力隧道工程周邊鄰近建構(gòu)筑物，如：老的房屋建筑、高壓鐵塔等，這些建構(gòu)筑物大部分為天然地基，對(duì)地基土的沉降、位移較為敏感。因此相鄰的隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中必須采取可靠的措施控制由于開(kāi)挖卸載引起的周邊地層變形，避免因?yàn)樽冃芜^(guò)大導(dǎo)致周邊建構(gòu)筑物的沉陷或倒塌。

本文以北京市某電力隧道工程為例，研究了如何保證隧道在開(kāi)挖過(guò)程中鄰近高壓鐵塔安全的技術(shù)方案，并通過(guò)運(yùn)用PLAXIS有限元軟件，分析了設(shè)置隔離樁方案后，隧道開(kāi)挖對(duì)高壓鐵塔的基礎(chǔ)影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

為滿足北京市某區(qū)新建和改造基礎(chǔ)設(shè)施工程供電需要，需建設(shè)長(zhǎng)約6.0km電力隧道。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃、電纜敷設(shè)需求，新建隧道內(nèi)凈尺寸:寬度為2.0m，高度為2.3m。

隧道在樁號(hào)K3+358～K3+378段東側(cè)現(xiàn)存1座東西走向110kV架空輸電線路鐵塔，此條架空輸電線路為該區(qū)供電的主動(dòng)脈之一。鐵塔基礎(chǔ)由四個(gè)獨(dú)立的鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)組成，基礎(chǔ)根開(kāi)6.11m，底板尺寸為3.0m×3.0m，埋深2.6m，露頭高0.2m。根據(jù)勘察報(bào)告，鐵塔基礎(chǔ)基底位于②砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土上。鐵塔基礎(chǔ)與隧道的位置關(guān)系詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 鐵塔與隧道平面位置關(guān)系

圖2 鐵塔與隧道剖面位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地屬于平原地貌。場(chǎng)地范圍內(nèi)的土層分為人工堆積層、新近沉積層和一般第四紀(jì)沉積層三大類(lèi)，并根據(jù)各土層巖性及工程性質(zhì)指標(biāo)暫劃分為4個(gè)大層及亞層。自上而下分述如下：

(1)人工堆積層：表層為一般厚度為0.60～5.8m的人工堆積層，包括①層素填土。

(2)新近沉積層：人工堆積層以下為新近沉積的②層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土、②2層黏土～重粉質(zhì)黏土。

(3)一般第四紀(jì)沉積層：一般第四紀(jì)沉積層有③層砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土、③1層黏土～重粉質(zhì)黏土、③2層粉質(zhì)黏土、③3層粉細(xì)砂、④1層粉細(xì)砂。

本次勘察發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地分布有地下水，地下水水位埋深約3.0m。

2 電力隧道概況

新建電力隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式，斷面為直墻、圓拱，平底板的凈寬為2.0m、凈高為2.3m，隧道斷面詳見(jiàn)圖3。隧道初襯采用鋼格柵結(jié)合噴射混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為0.25m，二襯采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土，厚度為0.25m，初襯、二襯之間采用柔性防水層。

圖3 隧道斷面圖

電力隧道采用淺埋暗挖法施工，淺埋暗挖法是一種綜合施工技術(shù)，其特點(diǎn)是在開(kāi)挖中采用多種輔助施工措施加固圍巖，合理調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力，開(kāi)挖后即時(shí)支護(hù)，封閉成環(huán)，使其余圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系，有效地抑制圍巖過(guò)大變形[1-2]。

隧道開(kāi)挖采用正臺(tái)階法，將隧道斷面分為上下兩個(gè)部分，預(yù)留核心土先開(kāi)挖上半斷面隧道，及時(shí)架設(shè)上部鋼拱架、噴射混凝土，然后開(kāi)挖下斷面隧道，及時(shí)架設(shè)下部鋼拱架、噴射混凝土，并及時(shí)對(duì)初襯背后進(jìn)行注漿，待兩工作豎井間初襯全部貫通后進(jìn)行防水層、二襯施工，具體施工步驟詳見(jiàn)圖4。

3 保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

圖4 電力隧道施工步驟圖

本次側(cè)穿的110kV高壓鐵塔為耐張塔，全高約36m，為保證高壓鐵塔結(jié)構(gòu)安全，不影響線路安全運(yùn)行，按照規(guī)程規(guī)范[3-5]的相關(guān)要求，桿塔及其基礎(chǔ)變形控制要求如下：

(1)鐵塔：傾斜，即垂直線路方向需小于3H/1 000，其中H為桿塔高度；順線路方向需小于3H/1 000，即：塔頂兩個(gè)方向偏移量均需小于108mm，且要求耐張塔不允許向內(nèi)角偏移。

(2)基礎(chǔ)：1)各基礎(chǔ)垂直向下沉降累計(jì)變形不大于100mm；2)各相鄰基礎(chǔ)差異沉降累計(jì)變形不大于6L/1 000，其中L為鐵塔基礎(chǔ)根開(kāi)；3)各相鄰基礎(chǔ)根開(kāi)增大或減少值累計(jì)變形不得大于30mm。

4 保護(hù)技術(shù)方案

高壓鐵塔基礎(chǔ)外側(cè)距離電力隧道開(kāi)挖面最近水平距離為3.92m，鐵塔基礎(chǔ)底距離隧道頂9.29m；此段暗挖隧道底板處覆土埋深15.22m，鐵塔基礎(chǔ)位于隧道塌方影響范圍內(nèi)，考慮到隧道在開(kāi)挖過(guò)程中一旦發(fā)生坍塌或局部沉降，將造成鐵塔傾斜而導(dǎo)致輸電線路中斷等嚴(yán)重后果，并危及到隧道施工人員的安全，在施工過(guò)程中，提出了以下保護(hù)技術(shù)方案。

(1)方案一：加強(qiáng)隧道初襯結(jié)構(gòu)

隧道初襯鋼格柵加密：將初襯鋼格柵間距由原先0.75m縮短為0.5m，同時(shí)連接筋間距由原來(lái)1m加密至0.5m。

控制隧道開(kāi)挖步距：縮小為0.5m，初襯及時(shí)封閉，控制掌子面暴露時(shí)間。

加強(qiáng)初襯背后注漿：施工過(guò)程中進(jìn)行沉降觀測(cè)跟蹤，及時(shí)進(jìn)行背后注漿，防止背后空洞，引起地層沉陷。

(2)方案二：袖閥管跟蹤注漿，采用袖閥管對(duì)鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行跟蹤注漿加固。

(3)方案三：隔離樁保護(hù)，在靠近隧道側(cè)的高壓鐵塔基礎(chǔ)外邊打設(shè)鋼管樁，對(duì)鐵塔進(jìn)行隔離保護(hù)。

4.1 袖閥管跟蹤注漿

袖閥管注漿，是目前被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最可靠的注漿工法[6]，著名的英吉利海峽隧道，中、英、法、日、意地鐵工程均采用該注漿工法[7]。

電力隧道施工前對(duì)鐵塔的基礎(chǔ)進(jìn)行摸底，對(duì)基礎(chǔ)周邊預(yù)留注漿管，根據(jù)地層實(shí)際變形情況跟蹤補(bǔ)償注漿，控制鐵塔差異沉降。

地面跟蹤注漿采用3排φ50×3.5袖閥管，注漿范圍為鐵塔周?chē)?，從鐵塔2.6m外開(kāi)始沿鐵塔四周布置3排袖閥管，排距為0.8m，袖閥管環(huán)向間距為1.5m。注漿范圍平面、剖面詳見(jiàn)圖5、圖6。

注漿漿液擴(kuò)散半徑1.0m；孔徑100mm，孔底間距按1.5m(環(huán)向)×0.8m(縱向1.0m)控制；設(shè)計(jì)注漿壓力(終壓值)為2倍實(shí)測(cè)水壓力。漿液材料采用水泥漿，水泥水灰比W∶C=0.6∶1～1.5∶1，水灰比可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及注漿的不同時(shí)段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

4.2 隔離樁保護(hù)

在城市軌道交通以及房屋建筑基坑工程中，有較多采用隔離樁保護(hù)方案的實(shí)例[8-11]，成功控制了基坑與隧道在開(kāi)挖施工過(guò)程中，周邊建構(gòu)筑物的變形。

圖5 注漿孔平面布置圖

圖6 注漿孔剖面布置圖

圖7 隔離樁平面布置圖

圖8 隔離樁剖面布置圖

采用的隔離樁需在暗挖隧道前施工，主要起抗滑作用，考慮到暗挖隧道施工可能出現(xiàn)土體塌方，鋼管樁能夠可以起到一定的抗土體滑移作用。

本工程在靠近隧道側(cè)的高壓鐵塔基礎(chǔ)外邊打設(shè)鋼管隔離樁，共打設(shè)2排，鋼管采用φ124無(wú)縫鋼管，壁厚6mm，樁縱向間距為500mm(軸線)，樁長(zhǎng)為20m，下部15m范圍內(nèi)設(shè)置梅花形注漿孔，開(kāi)孔距離0.6m，開(kāi)孔φ20在鋼管內(nèi)部注入水泥漿，注漿壓力≤0.3MPa,水灰比為0.45～0.5，水泥采用PO42.5，隔離樁平面與剖面布置詳見(jiàn)圖7、圖8。

隔離樁采用引孔法施工。先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙定位使用鉆機(jī)進(jìn)行間隔法鉆孔；然后下放鋼管，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)鋼管9m長(zhǎng)，節(jié)與節(jié)之間通過(guò)焊接方式連接，鋼管下放采用繩索法下放，依次下放至孔底；然后注漿，最后施工頂圈梁。

考慮到袖閥管跟蹤注漿是一種被動(dòng)防護(hù)方式，為保證高壓鐵塔的絕對(duì)安全，最終采用了方案一和方案三相結(jié)合的保護(hù)方案，即對(duì)隧道初襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)的同時(shí)，采用鋼管樁對(duì)鐵塔基礎(chǔ)進(jìn)行隔離保護(hù)。

5 有限元計(jì)算分析

為研究隔離樁加固處理效果，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模擬分析主要考慮設(shè)置隔離樁后隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵塔基礎(chǔ)的變形影響。

5.1 模型及計(jì)算軟件

本文采用巖土工程PLAXIS 2D有限元分析軟件進(jìn)行施工全過(guò)程數(shù)值模擬。地層采用Hardening-Soil(簡(jiǎn)稱(chēng)HS)實(shí)體單元進(jìn)行模擬，HS是一個(gè)可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類(lèi)型的土體行為的先進(jìn)模型，它是一個(gè)彈塑性模型，能有效地模擬土體壓縮以及開(kāi)挖問(wèn)題中的卸載再壓縮情況。HS模型是一種高級(jí)土體模型，極限應(yīng)力狀態(tài)是由摩擦角φ、黏聚力c及剪脹角ψ來(lái)描述。這種模型充分考慮了土體剛度隨應(yīng)力狀態(tài)的變化，包括小應(yīng)變情況下剪切模量的衰減行為，較適用于分析敏感環(huán)境下隧道開(kāi)挖對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。有限元分析模型詳見(jiàn)圖9。

圖9 有限元分析模型

5.2 模型參數(shù)

(1)土體模型參數(shù)

地勘報(bào)告等相關(guān)資料提供的土體物理力學(xué)性能參數(shù)為土體模型參數(shù)的選取提供了依據(jù)。模型中涉及的土層及其相關(guān)的一些參數(shù)如表1所示。

土體物理力學(xué)參數(shù) 表1

(2)鐵塔基礎(chǔ)及隧道襯砌參數(shù)

鐵塔基礎(chǔ)隧道襯砌均用板單元模擬，基礎(chǔ)上部添加高壓線塔自重荷載。

1)高壓鐵塔基礎(chǔ)材料為C20級(jí)混凝土，基礎(chǔ)底板尺寸為3m×3m，底板厚度為1.2m。基礎(chǔ)采用板單元來(lái)模擬，C20級(jí)混凝土彈性模量為2.55×107kN/m2，基礎(chǔ)軸向剛度和抗彎剛度分別為：

EA=2.55×107×1.2×1=3.06×107kN

EI=2.55×107×1×1.23/12=3.672×106kN·m2

高壓鐵塔自重按20t來(lái)計(jì)算，則每個(gè)基礎(chǔ)承受線荷載為：

q=20×10 000/4/3=16 667N/m=16.7 kN/m

2)隧道初襯為250mm厚C20級(jí)噴射混凝土，采用板單元來(lái)模擬，初襯的軸向剛度及抗彎剛度分別為：

EA=2.55×107×1×0.25=6.375×106kN

EI=2.55×107×1×0.253/12=3.32×104kN·m2

3)隔離樁用板單元模擬，鋼管樁彈性模量E=210GPa，密度為7 850kg/m3，注漿體彈性模量E=25.5GPa，密度為1 824kg/m3。注漿隔離樁等效板厚約0.18m。板的軸向剛度及抗彎剛度分別為：

EA=1.2×108×1×0.18=2.16×107kN

EI=1.2×108×1×0.183/12=5.832×104kN·m2

隔離樁實(shí)際施工時(shí)是內(nèi)外注漿的，因此模型中板單元的軸向剛度、抗彎剛度等參數(shù)計(jì)算均綜合考慮了鋼管和注漿體的作用，是鋼管和注漿體參數(shù)的疊加計(jì)算的結(jié)果。

5.3 模擬步驟

計(jì)算由三個(gè)施工階段組成。在第一施工階段，激活高壓鐵塔基礎(chǔ)及上部荷載；第二施工階段為施工鋼管樁。第三施工階段為施工電力隧道。

5.4 分析結(jié)果

經(jīng)有限元模擬分析，最終地表沉降為4.6mm左右，拱頂沉降為9.54mm，高壓鐵塔基礎(chǔ)最大沉降為3.9mm，高壓鐵塔基礎(chǔ)頂面最大差異沉降為3.2mm，沉降累積值與差異沉降值均在允許變形范圍內(nèi)，滿足規(guī)程規(guī)范[3-5]要求。圖10為有限元計(jì)算分析的地層豎向位移云圖。

圖10 地層豎向位移云圖/(×10-3m)

6 監(jiān)測(cè)

自電力隧道開(kāi)挖之日起至電力隧道二襯結(jié)構(gòu)施工完畢，對(duì)鐵塔進(jìn)行沉降和位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在高壓鐵塔基礎(chǔ)上(4個(gè)塔基均設(shè)置)以及隧道上方土體內(nèi)，塔基沉降及位移監(jiān)測(cè)頻率為4次/d。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

從施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：距離隧道最近的鐵塔基礎(chǔ)沉降最為嚴(yán)重，距離隧道較遠(yuǎn)的鐵塔基礎(chǔ)沉降不明顯。當(dāng)隧道掘進(jìn)至距離鐵塔中心約10.0m處，距離隧道最近的鐵塔基礎(chǔ)開(kāi)始發(fā)生沉降；當(dāng)隧道掘進(jìn)至鐵塔中心前方約15.0m處時(shí)，四個(gè)鐵塔基礎(chǔ)塔腿開(kāi)始趨于穩(wěn)定。

最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，最大土體位移沉降為6.5mm，塔腿最大差異沉降為4.5mm，滿足規(guī)程規(guī)范[3-5]累計(jì)沉降與差異沉降的要求。

最大土體位移沉降值、塔腿最大差異沉降均大于有限元分析的計(jì)算結(jié)果值，這主要是由于土體本構(gòu)模型與實(shí)際存在一定差異所致。

7 結(jié)論

(1)采用隔離樁，能有效減小暗挖電力隧道對(duì)高壓鐵塔的影響，使其沉降能夠控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(2)與袖閥管注漿進(jìn)行地基加固相比，由于袖閥管注漿地基加固范圍仍然位于隧道塌方土體范圍內(nèi)，一旦隧道出現(xiàn)冒頂、塌方，無(wú)法保證鐵塔能夠安全運(yùn)行，而采用隔離樁的保護(hù)方式則能夠滿足工程安全需要。

(3)考慮到隧道工程對(duì)周邊地表土層擾動(dòng)較大，因此應(yīng)先施工隔離樁，以減小前期的施工擾動(dòng)。

(4)在暗挖電力隧道工程實(shí)踐中，側(cè)穿高壓鐵塔的工程實(shí)例較少，通過(guò)本文的分析研究，可以為今后類(lèi)似工程提供借鑒。