隧道施工對(duì)既有高壓電塔的影響研究

林權(quán)威

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司平陽縣供電公司，浙江 溫州 325401）

0 引 言

在山嶺隧道修建過程中，受路線規(guī)劃的限制，時(shí)常會(huì)遇到隧道鄰近高壓輸電塔的情況，然而電力鐵塔剛度小、對(duì)振動(dòng)荷載敏感，對(duì)基礎(chǔ)不均勻沉降控制要求極高[1]。當(dāng)鐵塔處在隧道附近時(shí)，受隧道爆破施工的影響極易發(fā)生土體擾動(dòng)，從而造成鐵塔周圍土體不均勻沉降[2-3]，同時(shí)爆破振動(dòng)也會(huì)危及鐵塔的運(yùn)行安全[4]，因此有必要研究近接隧道爆破對(duì)電塔的影響。

數(shù)值模擬方法已被廣泛應(yīng)用于隧道爆破對(duì)既有高壓鐵塔的影響研究[5-10]。肖欣欣等[11]通過FLAC 3D對(duì)隧道施工及爆破對(duì)高壓鐵塔的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了高壓鐵塔改造的相關(guān)建議。謝瑾榮[12]對(duì)下穿隧道盾構(gòu)施工影響電塔基礎(chǔ)安全性的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，并采用三維有限元軟件建立連續(xù)介質(zhì)模型對(duì)盾構(gòu)下穿施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬。谷任國(guó)等[13]結(jié)合廣州市某隧道施工對(duì)既有高壓電塔影響的工程實(shí)例，研究隧道開挖對(duì)既有高聳建筑物安全影響，以及開挖面有無平衡壓力情況下對(duì)既有高聳建筑物的影響程度。

隧道施工時(shí)，采用合理的施工方案對(duì)確保高壓電力鐵塔的安全具有重要的工程意義。該隧道洞門段采用明挖法，暗洞段采用臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。本文結(jié)合寧波小松山1號(hào)隧道施工對(duì)既有高壓電塔影響的工程實(shí)例，運(yùn)用有限元模擬的方法，主要研究隧道暗洞段爆破施工對(duì)既有高壓電塔的影響，并根據(jù)影響的程度選擇合適的隧道施工及電塔改造方案，為類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

寧波穿山港鐵路站前工程Ⅰ標(biāo)段小松山 1號(hào)隧道工程，位于寧波市北侖區(qū)柴橋鎮(zhèn)鐘靈村，進(jìn)口有多處220 kV高壓鐵塔，進(jìn)、出口鄰近穿山疏港高速公路，周圍環(huán)境復(fù)雜。隧道起止里程為DIK9+090～DIK9+205，共115 m，隧道高10.75 m，寬8.22 m，圍巖主要為熔結(jié)凝灰?guī)r，為Ⅴ級(jí)圍巖。隧道范圍內(nèi)表層土多為粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為熔結(jié)凝灰?guī)r，全-弱風(fēng)化層，隧道暗洞開挖斷面位于熔結(jié)凝灰?guī)r弱風(fēng)化層。小松山1號(hào)隧道路徑與220 kV春蘆、曉蘆線相交，220 kV春蘆、曉蘆線原電8（塔型為SJ42B-24）位于穿山港鐵路小松山1號(hào)隧道進(jìn)口端上方，塔位處地面高于隧道拱頂約1.2 m。

1.1 擬定電塔遷移方案

作為浙江220 kV網(wǎng)架的主要線路，220 kV春蘆、曉蘆線的地位相當(dāng)重要，如遇突發(fā)事件，將直接對(duì)浙江電網(wǎng)產(chǎn)生影響，尤其在迎峰渡夏時(shí)期，如遇自然災(zāi)害和外力破壞等發(fā)生倒塔事故，極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生大面積停電事故。為確保隧道施工時(shí)220 kV春蘆、曉蘆線的安全，需要對(duì)線路進(jìn)行改造，改造方案為：在原線路右側(cè)30 m處，新建改電8，使改電8位于規(guī)劃鐵路隧道上方，電塔基礎(chǔ)到隧道頂?shù)木嚯x約10 m，改電8采用窄基塔，基礎(chǔ)采用聯(lián)合板式，遷改后窄基塔基礎(chǔ)外邊緣與隧道中心保持5 m左右的水平距離，減小了鐵路隧道開挖時(shí)，對(duì)該窄基塔的影響，從而降低了線路的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。如圖1～3所示，分別為小松山1號(hào)隧道工程平面圖、改移后電塔基礎(chǔ)與隧道相對(duì)位置圖以及隧道斷面圖。

圖1 工程平面圖Fig. 1 Plan view of the project

圖2 遷移后電塔基礎(chǔ)與隧道相對(duì)位置圖Fig. 2 Relative location of high-voltage power transmission tower foundation and the tunnel

圖3 隧道斷面圖Fig. 3 Cross section of the tunnel

1.2 隧道施工方案

隧道洞門段采用明挖法，暗洞段采用臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。從出口向進(jìn)口方向單頭掘進(jìn)，根據(jù)圍巖條件、施工機(jī)械配備情況，在有利于保持圍巖穩(wěn)定的前提下盡量綜合考慮便于機(jī)械作業(yè)以及鋼架加工尺寸等因素，采用上臺(tái)階高度為5.5 m，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在10 m。每循環(huán)進(jìn)尺不超過2榀鋼架距離（Ⅴ級(jí)圍巖每次開挖為1榀鋼架，約0.75 m），鎖腳錨桿采用單根長(zhǎng)3.5 m的Ф50 mm×3.5 mm鋼管，每榀設(shè)置4組，每組2根，與鋼架可靠連接。仰拱、二襯及時(shí)跟進(jìn)，二襯距離掌子面距離不大于70 m。表1為隧道支護(hù)及襯砌統(tǒng)計(jì)表，圖4為臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工序示意圖。具體工序如下：

表1 隧道支護(hù)及襯砌統(tǒng)計(jì)表Table 1 Tunnel support and lining types

圖4 臺(tái)階臨時(shí)仰拱法工序示意圖Fig. 4 Temporary process of stepped inverted arching

（1）開挖I部，施作I部洞身部位的超前支護(hù)、初期支護(hù)。

（2）上臺(tái)階施工到適當(dāng)距離后，開挖 II部臺(tái)階，施作洞身部位初期支護(hù)。

（3）澆筑該段內(nèi)Ⅲ部底板（或仰拱）。

（4）利用襯砌模板臺(tái)車一次性澆筑Ⅳ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)情況，采用光面控制爆破施工，爆破方案設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循《爆破安全規(guī)程》[14]（GB 6722—2014）進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧道爆破過程中，通過超欠挖保證措施，例如超欠挖檢查、爆破進(jìn)尺是否達(dá)到爆破設(shè)計(jì)要求、試爆并調(diào)整爆破參數(shù)等方式控制爆破效果。

由于隧道施工采用爆破施工，而改造后線路鐵塔距隧道仍非常接近，在隧道施工期間，施工過程可能對(duì)高壓輸電鐵塔及其基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，考慮到一旦高壓鐵塔出現(xiàn)較大損壞會(huì)影響到該區(qū)域的輸配電安全，嚴(yán)重影響民生，產(chǎn)生較為惡劣的社會(huì)影響，故對(duì)該線路隧道施工對(duì)鐵塔的影響進(jìn)行安全評(píng)估。

2 技術(shù)路線與電塔改造方案

2.1 技術(shù)路線

（1）采用工程類比法分析小松山隧道施工對(duì)電力鐵塔的影響是否可控，方案是否可行。

（2）采用三維數(shù)值計(jì)算分析確定隧道爆破引起的電力鐵塔的振動(dòng)速度。

（3）綜合對(duì)比經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值計(jì)算所得的結(jié)果，判斷當(dāng)前方案電力鐵塔是否安全，或?qū)Ρ凭嚯x提出要求。

技術(shù)路線詳見圖5。

圖5 技術(shù)路線Fig. 5 Technology line

2.2 電塔改造方案

本工程采用4種電塔改造方案進(jìn)行對(duì)比，改造方案見表2。電塔和電塔基礎(chǔ)示意圖見圖6～10。

圖6 電塔示意圖——方案1（左），方案2、3、4（右）Fig. 6 High-voltage power transmission tower-scheme 1(left),scheme 2, 3, 4 (right)

表2 電塔改造方案Table 2 Renovation scheme of high-voltage power transmission tower

圖7 方案1電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 7 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 1

圖8 方案2電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 8 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 2

圖9 方案3電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 9 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 3

圖10 方案4電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 10 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 4

3 數(shù)值模擬分析

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系、計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

本文針對(duì)不同土體采用了Mohr-Coulomb理想彈塑性模型和擴(kuò)展 Drucker-Prager理想彈塑性模型，采用 ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模分析，整個(gè)有限元模型由上部電塔和下部巖土體組成。為了抵消邊界條件對(duì)模型的影響，下部巖土體長(zhǎng)度100 m，寬度為50 m，高度為100 m，以方案1為例，模型三維示意圖，如圖11所示。其中，綠色部分為電塔基礎(chǔ)，棕色部分為上部電塔，電塔總高度約40 m，電塔桿件截面采用Q420角鋼，米色部分為第一層粉質(zhì)黏土，厚度2 m，深藍(lán)色部分為第二層全風(fēng)化砂礫巖，厚度3 m，綠色部分為第三層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，厚度為4.5 m，土黃色部分為最后一層弱風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。

圖11 Abaqus有限元計(jì)算模型Fig. 11 Abaqus finite element calculation model

上部電塔采用桿單元，力學(xué)性能參數(shù)見表 3，圍巖第一、二、三層采用Mohr-Coulomb（M-C）模型，最下層采用Drucker-Prager（D-P）模型，地層相關(guān)參數(shù)見表4。

表3 電塔桿件的力學(xué)性能參數(shù)Table 3 Mechanical properties of high-voltage power transmission tower poles

表4 地層參數(shù)表Table 4 Physical and mechanical parameters of different layer

3.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

模型下部巖土體四周約束條件為限制水平方向位移，垂直方向位移自由，模型巖土體底部約束條件限制水平、垂直方向位移，地表面無約束條件（即自由）。上部電塔與電塔基礎(chǔ)、電塔基礎(chǔ)與下部巖土體、巖土體與襯砌之間接觸方式均采用剛接綁定形式，并對(duì)整個(gè)模型施加重力。在考慮隧道爆破對(duì)上部電塔的影響時(shí)，對(duì)模型添加動(dòng)力分析步，在隧道掌子面施加瞬時(shí)均布力。

爆炸瞬時(shí)均布力計(jì)算采用下式：

式中：ρe為裝藥密度，通過控制本數(shù)值模擬炸藥量；D為炸藥爆炸速度；kd為炮孔裝藥不耦合系數(shù)，不耦合系數(shù)指炮孔直徑與藥卷直徑的比值，當(dāng)炸藥為不耦合空氣間隔裝藥時(shí)，按體積等效原則來計(jì)算轉(zhuǎn)換的藥卷直徑；kd=db/dc，db、dc分別為炮孔直徑和等效藥卷直徑；η為爆轟氣體碰撞孔壁時(shí)，壓力增大的倍數(shù)，η = 8～11。

參數(shù)列表如表5。

表5 爆炸瞬時(shí)荷載計(jì)算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of the explosion load

計(jì)算所得取值為929 175 Pa，取1 000 000 Pa進(jìn)行計(jì)算。

有限元模型中巖土體、電塔基礎(chǔ)和隧道均采用C3D8R實(shí)體單元，上部電塔采用桿單元。電塔基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為1 m，在劃分網(wǎng)格時(shí)，隧道、上部電塔和電塔基礎(chǔ)附近局部加密。模型單元總數(shù)為54 950，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為59 488。

3.3 計(jì)算工況

通過類比分析相似工程[15-16]，可知在隧道爆破中，電塔基礎(chǔ)外邊緣至隧道中心的水平距離（即后文中的安全距離）與爆破的影響關(guān)系密切，如果通過一定的爆破方案優(yōu)化和預(yù)加固措施，那么隧道爆破的影響可以控制。因此，在有限元模擬時(shí)，可考慮以下幾類工況。

采用方案1～4共考慮8個(gè)工況，分別考慮不同安全距離對(duì)上部電塔及電塔基礎(chǔ)的影響，即計(jì)算安全距離為5、10、15、20、25、30、35、40 m時(shí)隧道爆破對(duì)上部電塔及電塔基礎(chǔ)的影響。有限元計(jì)算分析工況見表6。

表6 隧道爆破對(duì)上部電塔及電塔基礎(chǔ)影響的不同工況Table 6 Different working conditions of the influence of tunnel blasting on upper high-voltage power transmission tower and its foundations m

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)[14]，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算爆破振動(dòng)安全允許距離為24.94 m，另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[17-20]，提出塔基最大振速預(yù)警值為2.0 cm/s，控制值為2.5 cm/s，其他項(xiàng)目控制量見表7。

表7 本項(xiàng)目控制量Table 7 Controlling items

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

由于計(jì)算工況過多，僅展示各類工況的計(jì)算結(jié)果，未展示各類工況計(jì)算結(jié)果云圖。隧道爆破針對(duì)電塔改造的4種方案，對(duì)上部電塔的影響根據(jù)不同的安全距離（電塔基礎(chǔ)外邊緣至隧道中心的距離）主要分成8種工況，分別計(jì)算不同方案和不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動(dòng)速度，其中上部電塔取塔頂處的振動(dòng)速度，電塔基礎(chǔ)取基礎(chǔ)邊緣靠近隧道一側(cè)的振動(dòng)速度，并計(jì)算部分工況（根據(jù)工程需求選?。┑碾娝A斜度（電塔總位移和電塔高度相差較大，取正切值為電塔傾斜度，如電塔傾斜度計(jì)算示例一所示，計(jì)算是方案1中工況一的電塔傾斜度，數(shù)據(jù)來源于圖12的上部電塔位移云圖）及塔基沉降。

圖12 方案1中工況一上部電塔及電塔基礎(chǔ)隧道橫向位移（U,U1）、縱向位移（U,U2）、豎向（U,U3）位移云圖Fig. 12 Transversal longitudinal and vertical displacement clouds of the upper electric tower and tower foundation for scheme 1

電塔基礎(chǔ)安全振動(dòng)速度界限值為2 cm/s。如表8～11所示，隧道爆破對(duì)上部電塔產(chǎn)生的影響比對(duì)電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響要小的多，且所有方案中工況一基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)速度最大，工況八電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動(dòng)速度最小。

表8 電塔改造方案1在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動(dòng)速度Table 8 Vibration speed of the scheme 1 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

表9 電塔改造方案2在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動(dòng)速度Table 9 Vibration speed of the scheme 2 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

表10 電塔改造方案3在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動(dòng)速度Table 10 Vibration speed of the scheme 3 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

表11 電塔改造方案4在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動(dòng)速度Table 11 Vibration speed of the scheme 4 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

方案1：工況一至四不滿足安全振動(dòng)速度要求，工況五至八滿足安全振動(dòng)速度要求。

方案2：工況一至五不滿足安全振動(dòng)速度要求，工況六至八滿足安全振動(dòng)速度要求。

方案3：工況一至七不滿足安全振動(dòng)速度要求，工況八滿足安全振動(dòng)速度要求。

方案4：工況一至六不滿足安全振動(dòng)速度要求，工況七、八滿足安全振動(dòng)速度要求。

針對(duì)上述各方案中安全振動(dòng)速度不滿足安全要求的工況，采取以下措施：對(duì)不同工況的爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，減少炸藥用量，確保施工振動(dòng)滿足安全要求，計(jì)算結(jié)果見表12。

表12 4種方案電塔改造在不同工況下電塔基礎(chǔ)振動(dòng)速度結(jié)果Table 12 Comparison of the vibration speed of 4 schemes at different working conditions

使用方案1時(shí)，安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.42 cm/s。

使用方案2時(shí)，安全距離極限值取30 m（工況六），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.8 cm/s，若削減20%炸藥量，方案2安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.84 cm/s。

使用方案3時(shí)，安全距離極限值取40 m（工況八），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.62 cm/s，若削減30%炸藥量，方案3安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.82 cm/s；若削減20%炸藥量，方案3極限值取30 m（工況六），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.82 cm/s；若削減10%炸藥量，方案3安全距離極限值取35 m（工況七），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.81 cm/s。

使用方案4時(shí)，安全距離極限值取35 m（工況七），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.70 cm/s，若削減15%炸藥量，方案4安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.96 cm/s；若削減10%炸藥量，方案4安全距離極限值取30 m（工況六），產(chǎn)生總的振動(dòng)速度為1.73 cm/s。

比較以上各方案，可以粗略得到方案1優(yōu)于其他方案，因此選取方案1并計(jì)算各個(gè)工況的電塔傾斜度和塔基沉降是否滿足要求。本文以方案1的工況一為例計(jì)算兩種安全指標(biāo)，其上部電塔及電塔基礎(chǔ)隧道橫向、縱向、豎向位移云圖，見圖12。同理，可得其他工況的計(jì)算結(jié)果，見表13。

表13 方案1各種工況電塔傾斜度及塔基沉降結(jié)果Table 13 Calculation results of tower tilt and tower foundation settlement at various working conditions of scheme 1

4 結(jié) 論

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的資料確定了巖土體物理力學(xué)性參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的電塔基礎(chǔ)及荷載資料和設(shè)計(jì)資料，建立了包含隧道和上部電塔的空間三維有限元分析模型，對(duì)機(jī)械開挖和隧道爆破在不同的安全距離下進(jìn)行安全距離敏感性分析。通過計(jì)算分析可得出：

（1）上部電塔基礎(chǔ)到隧道中心距離是隧道爆破對(duì)上部電塔及電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生影響的一個(gè)重要因素，總的趨勢(shì)隨著安全距離的增大對(duì)上部電塔和電塔基礎(chǔ)的影響逐漸減小。

（2）隧道爆破時(shí)，對(duì)上部電塔產(chǎn)生的影響比對(duì)電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響要小的多，且隨著安全距離的增加影響減小?？刂瓢踩嚯x或者削減炸藥量等方式，還可以滿足隧道爆破對(duì)電塔基礎(chǔ)安全振動(dòng)速度的要求。

（3）電塔改造方案中，方案1的效果最佳，方案2次之。其中，對(duì)比方案2與4可知，使用獨(dú)立樁基的效果強(qiáng)于錨桿基礎(chǔ)的效果，對(duì)比方案3與4可知，使用連梁的效果強(qiáng)于僅使用錨桿基礎(chǔ)的效果。

（4）本工程擬定的電塔遷移及改造方案（即對(duì)應(yīng)電塔改造方案1中的工況一）不滿足安全振動(dòng)速度要求，應(yīng)及時(shí)更改工程方案。