小凈距隧道下穿高壓鐵塔施工控制技術(shù)

以西南地區(qū)某大跨小凈距下穿高壓線隧道為依托工程，該工程需要在小凈距條件下穿一條330 kV高壓輸電線路，對(duì)施工要求極高。針對(duì)隧道埋深較淺、與高壓線鐵塔凈距較小等困難，采用多次開挖爆破的方式，并綜合利用光面爆破、控制裝藥量、設(shè)置減震孔等方式減小對(duì)高壓線鐵塔及結(jié)構(gòu)的影響。為保證工程的順利進(jìn)行，利用大型有限元分析軟件對(duì)開挖全工程進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比全斷面法及中隔壁法（CD法）施工對(duì)圍巖和高壓電鐵塔的影響，發(fā)現(xiàn)CD法可以有效地控制圍巖以其上鐵塔的位移以及不均勻沉降。

隧道； 高壓鐵塔； 施工控制

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-12-10

［作者簡(jiǎn)介］邵子萌（1997—），男，碩士，主要從事隧道管片結(jié)構(gòu)與圍巖穩(wěn)定研究工作。

隧道的施工過程是巖體與隧道重新構(gòu)建平衡的過程，在此過程中伴隨應(yīng)力的改變周圍既有建筑物不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如何盡量地降低由施工帶來的不利影響，并保證已有建筑物的安全和使用性能是隧道施工中所著重考慮的問題。高壓輸電線路在國(guó)家電網(wǎng)中有著極為重要的地位，是向偏遠(yuǎn)地區(qū)輸電的主力，一旦受到隧道開挖的影響產(chǎn)生傾斜和沉降，將直接影響其輸電功能的實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)用電問題［1-2］。對(duì)于此類情況一般采取避讓的策略，使隧道與高壓鐵塔保持一定的凈距，從而保證高壓線路的安全，但由于線路選擇的局限，部分隧道與高壓鐵塔凈距較小，鑒于此，必須對(duì)小凈距下穿高壓線路的情形進(jìn)行全過程的施工模擬以及監(jiān)控，從而保證施工的安全性。

目前，在此方面已經(jīng)有部分專家進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對(duì)于高速公路隧道下穿高壓線路方面，胡煥校等［3］以及沈增輝［4］，以李家沖公路隧道為案例進(jìn)行了施工模擬，探究了以地表注漿的方式控制高壓鐵塔沉降的效果。陽(yáng)軍生等［5-6］則從技術(shù)以及方案等方面對(duì)于大斷面下穿高壓線鐵塔進(jìn)行了深入研究，分析了各種施工策略的利弊，為后續(xù)施工研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。徐茂兵［7］及張文等［8］從數(shù)值分析進(jìn)行切入，研究各種施工方法對(duì)鐵塔中變形以及各種內(nèi)力的影響，從而揭示鐵塔的變形以及破壞規(guī)律。此類研究多針對(duì)于大斷面的高速公路隧道，對(duì)于新奧法原理施工的小凈距隧道仍然缺少一整套的施工模擬以及控制技術(shù)研究，對(duì)此本文以西南地區(qū)某大跨小凈距下穿高壓線隧道為案例，結(jié)合數(shù)值模擬與施工實(shí)測(cè)分析隧道對(duì)其上的高壓鐵塔的影響。

1 工程概況

本文以西南地區(qū)某大跨小凈距下穿高壓線隧道為依托工程，隧道設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h，雙向四車道高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。隧道左線長(zhǎng)261 m，右線長(zhǎng)280 m，洞頂為短隧道，隧道建筑限界采用與路基段同寬：硬路肩進(jìn)洞設(shè)計(jì)。隧道左洞最大埋深約57 m，右洞最大埋深約49.5 m。隧道單洞建筑限界寬為12.75 m，限界高為5.0 m，單洞開挖寬度約為15.6 m，隧道左右設(shè)計(jì)線間距15.68 m，采用復(fù)合式襯砌，屬小凈距隧道。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及本階段地勘資料揭露，并結(jié)合工程地質(zhì)測(cè)繪資料，隧址區(qū)第四系覆蓋層主要由第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉土、圓礫、碎石等組成；隧道下穿段下伏巖層為白堊系下統(tǒng)河口群上段砂巖、礫巖與泥巖不等厚互層巖層組成。

隧道左線下穿高壓鐵塔，下穿區(qū)段隧道與高壓鐵塔最小豎向凈距為53 m。隧道下穿高壓鐵塔區(qū)段襯砌結(jié)構(gòu)布置情況如圖1所示。圍巖為強(qiáng)、中等風(fēng)化礫巖、砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育、Vp=2430～2800 m/s、巖體較破碎，呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)或中、巨厚層結(jié)構(gòu)，巖層走向與隧道走向呈約25°相交、傾角在5°～10°之間。地下水類型為基巖裂隙水，富水性弱。

2 開挖方法

隧道按照新奧法原理施工，應(yīng)遵循“弱爆破、短開挖、早閉合、勤量測(cè)、襯砌緊跟”的原則，并結(jié)合反饋信息及時(shí)優(yōu)化調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，信息化施工。為盡量減少對(duì)高壓鐵塔的影響使用CD法進(jìn)行開挖，并對(duì)比模擬全斷面開挖方法以獲取施工控制效果。

下穿高壓鐵塔段開挖過程中，盡量降低隧道爆破振動(dòng)影響，綜合采用光面爆破技術(shù)，并控制裝藥量、設(shè)置減震孔，減小對(duì)高壓鐵塔及周圍結(jié)構(gòu)的影響，爆破震動(dòng)速度應(yīng)不大于1.5 cm/s。其具體開挖過程可以表述為：

（1）施工前應(yīng)進(jìn)一步調(diào)查、核實(shí)隧道影響范圍內(nèi)電力設(shè)施、高壓鐵塔分布情況、位置關(guān)系及其基礎(chǔ)等相關(guān)資料。

（2）施工前應(yīng)根據(jù)《中華人民共和國(guó)電力法》《電力設(shè)施保護(hù)條例》《電力設(shè)施保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》等法律法規(guī)，結(jié)合地方實(shí)際情況編制專項(xiàng)施工保護(hù)方案及施工監(jiān)測(cè)專項(xiàng)方案，經(jīng)相關(guān)主管部門審批后方可實(shí)施。

（3）下穿高壓鐵塔段隧道應(yīng)采用短進(jìn)尺開挖，及時(shí)支護(hù)，嚴(yán)格控制地表沉降。根據(jù)DL/T 5219-2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》，按不同桿塔高度，控制地基變形最大傾斜率，對(duì)于桿塔高度小于50 m時(shí)，控制最大地基傾斜率為0.006。

（4）施工期加強(qiáng)鐵塔監(jiān)控量測(cè)。各時(shí)期鐵塔各腿沉降差均應(yīng)小于30 mm，各基礎(chǔ)水平位移應(yīng)小于10 mm；鐵塔基礎(chǔ)最大沉降應(yīng)小于200 mm，穩(wěn)定沉降速率應(yīng)小于0.3 mm/d。

3 數(shù)值模擬

為評(píng)估隧道開挖過程中，既有建筑結(jié)構(gòu)最不利受力及變形狀態(tài)，模擬計(jì)算中開挖過程與實(shí)際一致。CD法具體模擬步驟為：左洞右上導(dǎo)洞開挖、左洞右下導(dǎo)洞開挖、左洞左上導(dǎo)洞開挖、左洞左下導(dǎo)洞開挖、右洞左上導(dǎo)洞開挖、右洞左下導(dǎo)洞開挖、右洞右上導(dǎo)洞開挖、右洞右下導(dǎo)洞開挖；而全斷面開挖方法則使用程序模擬全斷面一次開挖。

輸電塔荷載大小與塔型選擇、導(dǎo)線截面、氣象條件、使用檔距、地理位置相關(guān)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，輸電鐵塔重量可取為12 t，加上導(dǎo)線荷載及其他無器件重度，為考慮最不利條件，此處取總計(jì)算荷載為20 t。

輸電塔基礎(chǔ)為4根獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)間距約為5.5 m，施工過程中，取輸電塔豎向荷載為平均荷載，荷載大小為8 kN/m2。

隧道暗挖施工模擬過程中，襯砌采用梁?jiǎn)卧?。模型各結(jié)構(gòu)尺寸均按設(shè)計(jì)參數(shù)采用。二維平面有限元模型如圖2所示。模型邊界條件：底邊為二向位移約束，側(cè)面為法相位移約束，頂面出基礎(chǔ)承受荷載外其余為自由面。

為對(duì)比施工過程中2種施工方式對(duì)高壓鐵塔的影響，左側(cè)硐室使用全斷面開挖以及CD法進(jìn)行施工圍巖及結(jié)構(gòu)位移如表1、圖3所示。

CD法施工左洞開挖完成后，洞周圍巖最大水平位移為6.0 mm，最大沉降為11.2 mm，最大隆起為14.6 mm，結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.4 mm，最大基礎(chǔ)下沉為3.4 mm，不均勻沉降為0.03 mm。隧道開挖過程中，基礎(chǔ)變形較小，滿足DL/T 5219-2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》控制最大地基傾斜率為0.006的要求。而全斷面法開挖，洞周圍巖最大水平位移為10.0 mm，最大沉降為18.2 mm，最大隆起為24.4 mm，結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.7 mm，最大基礎(chǔ)下沉為5.41 mm，不均勻沉降為0.04 mm。全斷面開挖的各項(xiàng)位移數(shù)據(jù)均大于CD法施工。為進(jìn)一步研究施工過程中施工方法對(duì)高壓電鐵塔的影響，在開挖完成后圍巖及結(jié)構(gòu)位移如表2、圖4所示。

開挖完成后，洞周圍巖最大水平位移為6.5 mm，最大沉降為13.5 mm，最大隆起為13.8 mm，結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.0 mm，最大基礎(chǔ)下沉為6.1 mm，最小基礎(chǔ)下沉為5.8 mm，不均勻沉降為0.39 mm。隧道開挖過程中，基礎(chǔ)變形較少，滿足DL/T 5219-2014《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》控制最大地基傾斜率為0.006的要求。而全斷面開挖雖然也滿足規(guī)范要求，但圍巖水平位移較CD法大4.3 mm，豎向位移大10.6 mm，高壓電鐵塔基礎(chǔ)的不均勻沉降達(dá)到0.64 mm，遠(yuǎn)大于CD法施工，綜上從施工的全過程來看，CD法施工可以很好地控制硐室圍巖和基礎(chǔ)的變形，減少隧道施工對(duì)其上高壓電鐵塔的影響。

4 結(jié)論

隧道由于小凈距下穿高壓線路，對(duì)隧道的施工要求極高，為保證其上330 kV高壓線路鐵塔的安全，在施工中制定一系列的安全保證措施，從硐室圍巖位移和高壓鐵塔的沉降2個(gè)方面進(jìn)行控制。為保證施工的順利進(jìn)行，使用大型有限元程序GTS進(jìn)行全過程全方位的施工模擬，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，為控制圍巖位移以及高壓電鐵塔沉降必須使用CD法進(jìn)行施工，在開挖過程中圍巖的位移可以控制在15 mm以內(nèi)，而高壓鐵塔的最大沉降為6.1 mm，滿足規(guī)范的相關(guān)要求。建議在此類大跨小凈距下穿高壓線隧道施工使用CD法進(jìn)行施工減少單次開挖面積，為進(jìn)一步減少由于爆破帶來的影響，利用光面爆破并對(duì)單次裝藥量進(jìn)行控制，進(jìn)而保護(hù)其上高壓輸電線路的安全。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張建強(qiáng). 采空區(qū)架空輸電線路安全性評(píng)估及預(yù)防技術(shù)研究［D］.北京：華北電力大學(xué)（北京），2008.

［2］ 徐霞飛，龔球，徐舟.大跨度隧道下穿敏感高壓電塔施工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制研究與應(yīng)用［J］.湖南交通科技，2015，41（2）：159-161.

［3］ 胡煥校，吳高權(quán)，沈增輝.淺埋大跨隧道穿高壓鐵塔的注漿效果研究［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2012，23（5）：85-88.

［4］ 沈增輝. 淺埋大跨隧道下穿高壓鐵塔的裂隙巖體注漿效果研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012.

［5］ 陽(yáng)軍生，楊元洪，晏莉，等.大斷面隧道下穿既有高壓輸電鐵塔施工方案比選及其應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31（6）：1184-1191.

［6］ 張震，鐘放平，陽(yáng)軍生.大跨度隧道下穿高壓輸電鐵塔施工技術(shù)研究［J］.公路工程，2013，38（4）：153-156+161.

［7］ 徐茂兵.區(qū)間隧道通過既有高壓鐵塔加固方案［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002（5）：48-53.

［8］ 張文，劉玉河，孫楹森.龍口洼里煤礦高壓線鐵塔下采煤的觀測(cè)與分析［J］.礦山測(cè)量，1999（4）：17-19.