黃土隧道施工對(duì)上覆高壓輸電鐵塔的影響分析

劉鵬飛

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710054）

隧道開(kāi)挖不可避免引起地層位移和變形，特別當(dāng)隧道淺埋、開(kāi)挖跨度又大時(shí)，擾動(dòng)更加明顯，嚴(yán)重可致地表建構(gòu)筑物強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性的破壞，影響其正常使用。由于地域特點(diǎn)和走廊條件的限制，高壓輸電線路往往會(huì)與公路、鐵路隧道等相交或平行，常常遇到高壓輸電鐵塔正好位于隧道上方或在隧道上方附近的情況。隧道開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)若導(dǎo)致鐵塔的過(guò)大傾斜甚至倒塌，將迫使輸電線路中斷，造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。而目前對(duì)于敏感的高壓輸電鐵塔高聳結(jié)構(gòu)物的抗變形能力尚不明確[1]。因此，深入分析隧道開(kāi)挖引起地層位移和變形對(duì)上覆高壓輸電鐵塔的影響具有重要的意義。

1 工程概況

大楊—嶺上牽330kV 輸電線路工程從已建的330kV大楊變出線，接入擬建銀西鐵路330kV嶺上牽引變，按兩個(gè)單回路架設(shè)（L回、R回），線路長(zhǎng)度21.5km+21.4km。嶺上隧道為單洞雙線，開(kāi)挖寬度約14m，硐高約12m。隧道起訖里程：DK79+105～DK82+960，長(zhǎng)3855.00m，隧道進(jìn)口段最小埋深約5m，出口段最小埋深約5m，隧道最大埋深約60m。洞身穿越地層為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土，隧道圍巖分級(jí)全部為Ⅴ級(jí)，在隧道施工過(guò)程中易發(fā)生圍巖失穩(wěn)、地表沉降、冒頂?shù)蕊L(fēng)險(xiǎn)[2]。輸電線路在ZL57～ZL58 和ZR57～ZR58 段與銀西高鐵嶺上隧道相交，相交隧道里程為DK81～DK82，鐵塔與隧道的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 鐵塔與隧道的相對(duì)位置關(guān)系

隧道下穿的ZL57、ZR57、ZL58、ZR58 號(hào)塔為330kV單回路直線塔，塔身總高度57m，呼高27m，根開(kāi)為7.5m，塔重1128kN。塔身結(jié)構(gòu)由腳架桿和橫擔(dān)組成，4個(gè)支撐腳架桿為型鋼結(jié)構(gòu)，4層橫擔(dān)為型鋼結(jié)構(gòu)。支撐點(diǎn)基礎(chǔ)為4個(gè)，隨地形分別構(gòu)建，頂?shù)赘叱谈鳟悺?個(gè)支撐腳架桿基礎(chǔ)中心的投影點(diǎn)略成正方形布局。鐵塔基礎(chǔ)形式采用掏挖基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深4.2m，4個(gè)基礎(chǔ)承擔(dān)了塔身與電線的重量。

2 隧道開(kāi)挖影響分析

2.1 模擬分析參數(shù)設(shè)置

以塔基中心與隧道中線距離最近的ZR57 號(hào)塔為分析對(duì)象，應(yīng)用巖土工程計(jì)算分析軟件中的地層損失分析模塊進(jìn)行地層的沉降分析。分析方法選擇經(jīng)典理論中的Peck理論，沉降槽形狀選擇Gauss曲線[3-4]，隧道開(kāi)挖的截面尺寸簡(jiǎn)化為當(dāng)量半徑為13m的圓形。

隧道勘察報(bào)告提供的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 隧道巖土物理力學(xué)參數(shù)表

計(jì)算中隧道當(dāng)量半徑B取13m，隧道拱頂以上土層重度γ取上更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土兩層的加權(quán)平均重度為16.7kN/m3，隧道拱頂以上土層內(nèi)摩擦角φ取上更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土兩層的加權(quán)平均值22.8°。

2.2 沉降變形及破壞風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算

軟件沉降變形分析結(jié)果如表3、圖1～4所示。鐵塔破壞風(fēng)險(xiǎn)分析如圖5所示。

圖1 地表分析成果圖

表3 沉降變形分析統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算結(jié)果顯示，隧道開(kāi)挖引起的地層位移，導(dǎo)致了鐵塔塔基的不均勻沉降，引發(fā)了鐵塔的傾斜，并同時(shí)導(dǎo)致了作為超靜定結(jié)構(gòu)的塔身的內(nèi)力變化。

圖2 離地面深度3m處分析成果圖

圖3 離地面深度6m處分析成果圖

圖4 離地面深度10m處分析成果圖

2.3 塔基變形判定準(zhǔn)則

塔基的沉降由隧道施工導(dǎo)致，塔基的不均勻沉降改變了鐵塔的受力狀況。在鋼材強(qiáng)度小于鐵塔所受應(yīng)力的最大值的情況下，會(huì)產(chǎn)生鐵塔破壞現(xiàn)象。所以，應(yīng)力最大值達(dá)到鋼材強(qiáng)度值的設(shè)計(jì)值是塔基變形判定準(zhǔn)則。

相鄰的塔基沉降差值可以由直接監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，從而得到對(duì)應(yīng)的相鄰塔基傾斜值。通過(guò)直接監(jiān)測(cè)到的沉降數(shù)據(jù)可以解決鐵塔應(yīng)力無(wú)法直接監(jiān)測(cè)的問(wèn)題[5]。因此，利用塔基沉降差和傾斜值作為變形判定準(zhǔn)則是現(xiàn)行規(guī)范的通用規(guī)定。

《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（DL/T 741-2019）給出了高度在50m以下直線桿角鋼塔傾斜度允許值的規(guī)定為1%，但未對(duì)絕對(duì)沉降量明確規(guī)定[6]。而根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135-2019）規(guī)定，鐵塔基礎(chǔ)的最大允許沉降量不能超過(guò)400mm，傾斜允許值不大于5‰[7]。

《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5219-2005）對(duì)高度為50～100m范圍桿塔基礎(chǔ)傾斜的允許值為0.005，對(duì)高度小于50m 桿塔基礎(chǔ)傾斜的允許值為0.006[8]。

2.4 塔基穩(wěn)定性分析結(jié)果

根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，鐵塔底部基座在整體隧道開(kāi)挖結(jié)束后發(fā)生沉降，最大沉降量為110.2mm，最大水平變形量為48.3mm，最大水平拉應(yīng)變?yōu)?.44‰，最大沉降梯度為1/286，均小于規(guī)范給出的允許值?？赏茰y(cè)鐵塔在隧道開(kāi)挖結(jié)束后不會(huì)發(fā)生傾覆，基礎(chǔ)穩(wěn)定。

鐵塔的附加應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，這反映了隧道開(kāi)挖對(duì)鐵塔附加內(nèi)力的影響。鐵塔的破壞風(fēng)險(xiǎn)為無(wú)破壞，鐵塔結(jié)構(gòu)安全。

3 影響特征總結(jié)

（1）根據(jù)大致呈正態(tài)分布曲線的橫向地表沉降槽分析，塔基的最終沉降與其位置有關(guān)，距離隧道中線所在豎直平面越近的塔基，其沉降越大。

（2）根據(jù)橫向水平變形曲線分析，塔基在橫向都是發(fā)生單向移動(dòng)，向隧道中線所在豎直平面移動(dòng)。橫向水平變形先增大，達(dá)到一個(gè)最大值后，然后逐漸減小。

（3）根據(jù)鐵塔風(fēng)險(xiǎn)破壞圖分析，隧道開(kāi)挖過(guò)程中鐵塔在軸方向處于受壓狀態(tài)，鐵塔結(jié)構(gòu)受力安全。

（4）隨著隧道洞徑的增大及隧道埋深的減小，塔基沉降、傾斜變形和鐵塔應(yīng)力增量越大，風(fēng)險(xiǎn)增大。

4 監(jiān)控量測(cè)方案

4.1 隧道監(jiān)測(cè)方案

隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)方案具體內(nèi)容如下[9]：

（1）圍巖收斂：在隧道掌子面接近鐵塔的DK81+400～DK81+500、DK81+700～DK81+800段，布置收斂斷面，斷面間距為5m，通過(guò)在隧道兩側(cè)邊墻部位布設(shè)的測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)凈空的變化量。

（2）拱頂下沉：斷面布置同圍巖收斂斷面的位置及間距，拱頂位置埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用高精度的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行拱頂部位的下沉量監(jiān)測(cè)。

（3）初支內(nèi)力量測(cè)：斷面布置同圍巖收斂斷面的位置及間距，應(yīng)變計(jì)焊接在斷面拱頂、拱腰、拱腳和邊墻部位的鋼拱架上、下翼緣，每個(gè)斷面布設(shè)9 組，每組2個(gè)，共計(jì)18個(gè)應(yīng)變計(jì)。通過(guò)應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變數(shù)值，推算出初支鋼拱架受到的內(nèi)力。

4.2 鐵塔監(jiān)測(cè)方案

鐵塔監(jiān)測(cè)方案具體內(nèi)容如下：

（1）塔基沉降與水平位移監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在鐵塔踏腳與框架梁上，監(jiān)測(cè)塔基總體沉降、不均勻沉降，鐵塔水平位移利用全站儀進(jìn)行觀測(cè)。

（2）鐵塔內(nèi)力量測(cè)：應(yīng)變計(jì)分別布置在鐵塔下方的主材和斜材的中間部位，總計(jì)12 個(gè)，編號(hào)分別為L(zhǎng)1-1～L1-3、L2-1～L2-3、L3-1～L3-3、L4-1～L4-3，鐵塔內(nèi)力由應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力值來(lái)反映。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道開(kāi)挖引起的地層位移，導(dǎo)致了鐵塔塔基的不均勻沉降，引發(fā)了鐵塔的傾斜，并同時(shí)導(dǎo)致了作為超靜定結(jié)構(gòu)的塔身的內(nèi)力變化。

（2）鐵塔距離隧道中線的距離、隧道洞徑的大小及隧道埋深是影響上覆鐵塔沉降、傾斜及塔身內(nèi)力變化的重要因素。

（3）當(dāng)大斷面淺埋隧道下穿高壓輸電鐵塔時(shí)，必須對(duì)鐵塔的穩(wěn)定性進(jìn)行分析以便采取有效的施工控制措施。

（4）隧道下穿鐵塔施工的過(guò)程中，在隧道洞內(nèi)及鐵塔布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，是實(shí)現(xiàn)信息化施工不可或缺的環(huán)節(jié)，是保證施工安全的重要措施。