緊鄰基坑110 kV鐵塔樁基托換加固保護(hù)技術(shù)

吳 崗

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司 深圳 518000）

0 前言

城市地下工程開發(fā)建設(shè)快速化、集約化發(fā)展，基坑工程距離建構(gòu)筑物安全距離極限一破再破，基坑開挖導(dǎo)致的土體卸荷必然引起周圍地層移動，進(jìn)而致使建構(gòu)筑物變形并嚴(yán)重威脅其運營安全。為確保建構(gòu)筑物的正常營運，應(yīng)當(dāng)研究基坑開挖卸荷引起的建構(gòu)筑物沉降和變形，準(zhǔn)確預(yù)測及采取措施控制其位移變形，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)變形在規(guī)定范圍之內(nèi)的目的，這對于實際工程中保護(hù)周邊環(huán)境的安全很有必要。

國內(nèi)不少學(xué)者結(jié)合實際工程開展了不少研究。李旭華等人［1］介紹了在臨近高壓電塔路塹邊坡工程中預(yù)應(yīng)力錨索+抗滑樁加固的設(shè)計及計算方法，分析了錨索抗滑樁方案對邊坡穩(wěn)定性及位移的影響?？挛膮R等人［2］建立了ABAQUS 三維有限元模型，分析了洞內(nèi)外綜合處置方案在淺埋扁平隧道側(cè)穿高壓桿塔施工中桿塔樁基及隧道圍巖的變形演化規(guī)律，提出錨樁-連梁桿塔基礎(chǔ)加固方案。張國勝［3］研究了距基坑邊緣2 m 的高30 m 電塔天然基礎(chǔ)采用成排鉆孔灌注樁+冠梁與電塔基礎(chǔ)整體連接的樁基托換加固技術(shù)，有效地避免了由于基坑開挖導(dǎo)致淺基礎(chǔ)建筑物的不均勻沉降、傾覆倒塌。李浩鵬等人［4］比選了托換、隔離兩種鐵塔加固保護(hù)方案，利用三維數(shù)值模型研究了隔離保護(hù)鐵塔方案下新建公路隧道緊鄰既有220 kV高壓鐵塔施工安全穩(wěn)定影響。陳文明［5］介紹了采用樁板墻支護(hù)方案保護(hù)220 kV 電塔的邊坡工程。陳衡［6］結(jié)合某鄰近高壓鐵塔的深基坑工程，采用數(shù)值分析研究了隔離樁結(jié)構(gòu)形式及對環(huán)境的影響程度，驗證了鉆孔樁結(jié)合旋噴樁作為隔離樁在鄰近深基坑的淺基礎(chǔ)高壓鐵塔保護(hù)中的良好作用。劉動［7］探討了地鐵高架橋樁基礎(chǔ)與深基坑緊鄰條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)與高架樁基礎(chǔ)的變形控制指標(biāo)，提出了采用增大支護(hù)樁樁徑、適當(dāng)減小樁間距、增加支護(hù)樁嵌固深度以及設(shè)置雙重止水帷幕等變形控制措施。距山地基坑邊緣約2 m的本體高37.5 m，呼高42 m，雙回路，六相線，高低腿配置110 kV鐵塔獨立短樁基礎(chǔ)變形規(guī)律的國內(nèi)研究較少。

本文采用考慮土體小應(yīng)變特性的Plaxis有限元模型，分析基坑開挖引起的坑外土體和110 kV鐵塔樁基的變形規(guī)律，研究鐵塔樁基托換加固前和加固后的變形規(guī)律，為精細(xì)化地分析基坑開挖對鐵塔的影響提供更好的依據(jù)。

1 項目概況

擬建場地位于深圳市光明區(qū)，原始地貌單元為低丘陵夾沖洪積平原，經(jīng)項目建設(shè)改造場地高差較大，擬建隧道圍護(hù)采用φ800@1 000 鉆孔灌注樁+樁間旋噴止水，支撐體系采用1 道鋼筋混凝土支撐，1 道鋼支撐。110 kV 鐵塔本體高37.5 m，呼高42 m，雙回路，六相線，高低腿配置，基礎(chǔ)為4 根φ1 000 灌注樁基礎(chǔ)ABCD。

場地土層自上而下為：含礫黏土，可塑～硬塑，層厚6.0 m；砂質(zhì)黏土，可塑～硬塑，層厚2.1 m；全風(fēng)化混合花崗巖，極軟巖，層厚7.9 m；強風(fēng)化上段混合花崗巖，極軟巖，層厚14.0 m。

擬建場地現(xiàn)狀如圖1 所示，隧道與110 kV 鐵塔平面和剖面關(guān)系以及土層分層情況如圖2、圖3所示。

圖1 擬建場地環(huán)境Fig.1 Proposed Site Environment

圖2 隧道基坑與110 kV直線塔平面關(guān)系Fig.2 Locations between Tunnel Foundation Pit and 110 kV Tower

圖3 隧道基坑與110 kV N7塔剖面關(guān)系Fig.3 Cross Section of Tunnel Excavation with 110 kV N7 Tower

2 數(shù)值分析模型及結(jié)果分析

2.1 計算模型及參數(shù)

考慮土體小應(yīng)變的剛度特性，尤其是小應(yīng)變狀態(tài)下的高模量和高度非線性，才能更加合理準(zhǔn)確地預(yù)測基坑開挖引起的土體變形［8］。本文采用Plaxis 有限元軟件進(jìn)行建模分析，模型中的土體采用Plaxis 有限元軟件中的小應(yīng)變硬化模型（HSS）進(jìn)行模擬，模型參數(shù)結(jié)合地勘報告及地區(qū)工程經(jīng)驗確定指標(biāo)［9］，各巖土層HSS模型剛度參數(shù)如表1所示。模型中基坑的開挖深度為9.9 m，開挖寬度為9.9 m，圍護(hù)采用φ800 鉆孔灌注樁+φ600 雙管旋噴樁，圍護(hù)樁嵌固深度6 m。模型的邊界條件為：頂部自由，左右側(cè)限制法向位移，底部固定。四周為透水邊界，底部為不透水邊界。2D 有限元模型如圖4所示。

表1 各巖土層HSS模型剛度參數(shù)Tab.1 Parameters of HSS Medol in All Soil

圖4 2D有限元模型Fig.4 2D Finite Element Model

模型基本分析過程如下：①生成初始地應(yīng)力場；②激活高壓塔樁基礎(chǔ)及樁頂荷載；③將初始位移清零，激活右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)板單元；④開挖左側(cè)土體，整平場地；⑤激活左側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)板單元；⑥第一道支撐；⑦基坑開挖；⑧激活第二道支撐；⑨繼續(xù)開挖至基底。

2.2 計算結(jié)果及分析

計算所得坑外地表沉降和水平位移曲線如圖5所示，符合基坑懸臂式變形模式變形規(guī)律［10］。

圖5 基坑右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)下-4 m處地層面變形曲線Fig.5 Curve of Ground Level at -4 m below the Retain?ing Structure on the Right Side of the Foundation Pit

地表沉降曲線的最大沉降點發(fā)生在緊鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，并隨距坑邊距離增大沉降值迅速減小，曲線表現(xiàn)為三角形分布形式，最大沉降值約為28.4 mm，且主要影響范圍集中在3 倍開挖深度以內(nèi)。

坑外地表水平位移分布同樣近似表現(xiàn)為三角形分布形式，由于基坑右側(cè)坡地土體，位移最大值11.54 mm，發(fā)生在距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)1倍深度處，且主要影響范圍集中在3倍開挖深度以內(nèi)。對于坑外存在地表建筑物及淺層結(jié)構(gòu)情況應(yīng)當(dāng)盡量避免此種變形的發(fā)生［11］。

110 kV 鐵塔樁基礎(chǔ)D 距圍護(hù)結(jié)構(gòu)凈距1.9 m，基礎(chǔ)A 與D 距離8 m，樁基礎(chǔ)A、D 位于基坑1 倍坑深主要影響范圍，且A、D 樁位于沉降曲線的不同位置，將產(chǎn)生不均勻沉降。

基坑采用灌注樁+兩道內(nèi)支撐情況下110 kV鐵塔樁基礎(chǔ)A、D沉降及水平位移如圖6所示。

圖6 110 kV鐵塔樁基礎(chǔ)A、D頂部沉降及水平位移Fig.6 Settlement and Horizontal Displacement of Pile Foundation A and D of 110 kV Iron Tower

樁基礎(chǔ)A樁頂沉降22.5 mm，水平位移14.2 mm，樁基礎(chǔ)D樁頂沉降33.4 mm，水平位移16.2 mm，110 kV鐵塔樁基沉降超過控制值0.010 m，差異沉降超過控制值0.010 m，水平位移超過控制值0.010 m。故應(yīng)考慮基坑支護(hù)加強和基礎(chǔ)加固措施。

2.3 考慮基坑支護(hù)加強及樁基托換計算結(jié)果及分析

基坑緊鄰110 kV鐵塔區(qū)段增設(shè)兩道預(yù)應(yīng)力錨索，并對110 kV鐵塔樁基礎(chǔ)C、D采取托換加固保護(hù)，樁基礎(chǔ)托換加固保護(hù)如圖7所示。

圖7 樁基托換三維示意圖Fig.7 3D Diagram of Pile Foundation Underpinning

基坑臨近110 kV 鐵塔區(qū)段增設(shè)兩道預(yù)應(yīng)力錨索情況下坑外地層變形計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 基坑右側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)下-4 m處地層面變形曲線Fig.8 Curve of Ground Level at -4 m below the Retain?ing Structure on the Right Side of the Foundation Pit

坑外地層沉降曲線分布呈凹槽形，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降幾乎為0，且其對坑外土體的約束作用，使得坑外地層沉降值遠(yuǎn)離圍護(hù)結(jié)構(gòu)，最大沉降值約為11.5 mm，發(fā)生在距圍護(hù)結(jié)構(gòu)0.5 倍開挖深度處，并且沉降槽主要影響范圍集中在2倍開挖深度以內(nèi)。

坑外地層水平位移分布形式與沉降類似，亦呈凹槽形分布，但是位移最大值相比于沉降值略小，約為0.5倍最大沉降值，即5.7 mm，出現(xiàn)在坑外約1倍挖深處。

基坑采用灌注樁+2 道內(nèi)支撐+2 道預(yù)應(yīng)力錨索且考慮樁基托換情況下110 kV 鐵塔樁基礎(chǔ)A、D 沉降及水平位移如圖9所示。

圖9 110 kV鐵塔樁基礎(chǔ)A、D頂部沉降及水平位移Fig.9 Settlement and Horizontal Displacement of Pile Foundation A and D of 110 kV Iron Tower

樁基礎(chǔ)A樁頂沉降8.5 mm，水平位移4.8 mm，樁基礎(chǔ)D樁頂沉降9.7 mm，水平位移3.7 mm，110 kV鐵塔樁基沉降、差異沉降、水平位移均在變形控制值以內(nèi)。

綜上所述，對于坡地基坑中而言，圍護(hù)樁+內(nèi)支撐相當(dāng)于一個整體式懸臂結(jié)構(gòu)，迎坡側(cè)坑外地層沉降、水平位移較大，坑外地層沉降、水平位移變形規(guī)律符合懸臂式變形模式，迎坡側(cè)基坑支護(hù)考慮增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加強后，坑外地層沉降和水平位移得到了有效控制，其變形規(guī)律由懸臂式變形模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)凸式變形模式。

坡地既有110 kV鐵塔基礎(chǔ)經(jīng)新建3根挖孔樁托換加固，并結(jié)合基坑支護(hù)加強措施，沉降、差異沉降及水平位移得到有效控制，加固保護(hù)費用可控制在200萬元內(nèi)。

110 kV 鐵塔遷改方案需建新N7、N8 桿塔及一回路臨時供電路由，進(jìn)而確保遷改期間原雙回線路能夠確保僅停一回線路，投資估算約1 500 萬元。遷改線路如圖10所示。

圖10 110 kV N7鐵塔遷改平面Fig.10 Relocation Plan View of 110 kV N7 Tower

基坑支護(hù)加強及110kV鐵塔樁基托換加固方案與遷改方案與相比，技術(shù)安全可行并可節(jié)約工程投資。

3 結(jié)語

以深圳某擬建隧道基坑為背景，采用考慮土體小應(yīng)變特性的有限元方法，對坡地基坑不同支錨方案下地表沉降及坑邊110 kV鐵塔變形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究坡地基坑不同支錨形式下迎坡側(cè)地層及110 kV鐵塔樁基加固前和加固后變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

⑴坡地基坑不同支錨形式下迎坡側(cè)地層變形規(guī)律：圍護(hù)樁+內(nèi)支撐相當(dāng)于一個整體式懸臂結(jié)構(gòu)，迎坡側(cè)坑外地層沉降、水平位移較大，坑外地層沉降、水平位移變形規(guī)律符合懸臂式變形模式，迎坡側(cè)基坑支護(hù)考慮增設(shè)預(yù)應(yīng)力錨索加強后，坑外地層沉降和水平位移得到了有效控制，其變形規(guī)律由懸臂式變形模式轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)凸式變形模式。

⑵110 kV 鐵塔考慮樁基托換加固后基礎(chǔ)沉降、水平位移相比不考慮兩道錨索、樁基托換加固情況下分別減小23.7 mm（14.1 mm）、9.4 mm（12.5 mm），使110 kV 鐵塔沉降、水平位移在預(yù)警控制值范圍內(nèi)，從而降低傾覆倒塌風(fēng)險，確保了輸電線路運營安全。

⑶110 kV 鐵塔考慮樁基托換加固后基礎(chǔ)沉降、水平位移得到了有效控制，但由于基坑開挖緊鄰110 kV鐵塔保護(hù)區(qū)，應(yīng)制定涉電區(qū)施工專項方案，并報電力權(quán)屬及監(jiān)管部門審批審核。

⑷在110 kV 鐵塔樁基托換加固、基坑支護(hù)及開挖施工中，因場地環(huán)境、地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)場施工工藝等諸多因素影響，會對110 kV鐵塔變形產(chǎn)生不同程度的影響，施工期間應(yīng)加強動態(tài)監(jiān)測，采取信息化施工，以確保110 kV鐵塔出現(xiàn)險情，及時采取應(yīng)急措施。

⑸相比110 kV 鐵塔遷改方案，基坑支護(hù)加強和樁基托換加固組合方案技術(shù)可行，且可節(jié)約投資。