單線淺埋隧道下穿高壓鐵塔施工方案研究

田魯魯 郭永發 劉正初

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南昆明 650200)

淺埋隧道下穿輸電、通信等鐵塔施工存在較高的安全風險。目前，已有部分學者對隧道下穿鐵塔進行了相關研究，沈增輝[1]、胡煥校[2]依托淺埋大跨李家沖公路隧道下穿500 kV高壓輸電鐵塔的工程實例，研究了地表預注漿對高壓鐵塔和淺埋隧道的影響。陽軍生等分別從施工方案比選、施工控制技術等方面研究了大斷面公路隧道下穿既有高壓鐵塔的課題，分析了不同洞內外加固措施對高壓鐵塔的影響[3-6]。在盾構隧道方面，徐茂兵[7]從受力分析，施工技術，工程投資以及結構的安全、可靠性等方面，對地鐵區間隧道下穿高壓鐵塔基礎加固方案進行了研究；張社榮等[8]采用三維數值模型，分析了盾構雙線隧道對下穿通信鐵塔的影響，并將地表沉降計算值與地表實測值進行對比，以驗證盾構模擬的合理性。以往研究多基于大斷面公路隧道和盾構隧道，但對單線鐵路淺埋隧道下穿鐵塔(礦山法)的研究較少，尚缺乏針對其施工控制技術的研究。

中石油云南石化鐵路專用線權莆隧道下穿既有35 kV王龍線55號高壓鐵塔，需采用暗挖隧道下穿鐵塔的施工方案。

以下采用數值模擬方法對施工全過程進行分析，通過不同施工方案的比較，分析不同加固措施及開挖工法對沉降的控制效果。

1 概述

1.1 工程概況

該鐵路隧道為單線隧道，全長1 700 m，最大開挖高度為9.26 m，跨度為7.82 m。全隧淺埋，上覆第四系粉質黏土，下伏全-強風化泥巖夾泥質粉砂巖，節理裂隙發育，圍巖級別為Ⅴ級，屬于軟弱圍巖。在權莆隧道ZDK0+606.56線路中線右側4.98 m處有一座王龍線高壓鐵塔，鐵塔樁基底距隧道拱頂開挖輪廓線凈距約18.51 m，兩者空間關系如圖1和圖2所示。鐵塔高20 m，采用∠3號、∠5號、∠10號鍍鋅角鋼拼裝搭建，塔身坐落于4個獨立的混凝土樁上，樁尺寸(長×寬×高)為0.8 m×0.8 m×4.0 m。

圖1 鐵塔基礎與隧道平面相對關系(單位：m)

圖2 鐵塔基礎與隧道剖面相對關系(單位：m)

1.2 下穿段擬選施工方案

根據場區地形、地質條件及鐵塔現狀，制定了三種洞內外加固處理施工方案。

方案一：采用φ42小導管進行超前支護，并采用臺階法加臨時橫撐(I18鋼架)開挖。

方案二：下穿鐵塔正下方采用一環30 m長φ159高精度大管棚超前支護，其余段落采用φ42小導管超前支護，臺階法加臨時仰拱(I18鋼架、φ8鋼筋網及噴射混凝土)開挖。

方案三：在方案二基礎上，采用H形框架梁進行加固處理，梁斷面為1.5 m×1.5 m。

2 隧道施工的模擬

2.1 計算模型

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件，建立隧道支護結構-巖土體-鐵塔基礎耦合三維模型。考慮邊界效應和計算時效性，計算模型取(寬)100 m×(高)80 m×(長)50 m。鐵塔塔身簡化為作用在樁基礎上的集中力，單樁豎向集中力為2 325 kN。模型邊界條件為左、右側約束橫向位移，前、后側約束隧道軸向位移，下部約束豎向位移，上部為自由面。計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型(單位：m)

2.2 基本假定及計算參數

(1)圍巖及支護結構的模擬

巖土體和注漿加固區均采用摩爾-庫倫準則的空間實體單元模擬，H形框架梁采用理想彈性本構關系的空間實體單元模擬，初期支護及臨時仰拱采用能承受軸向彎矩的平面板單元模擬，臨時橫撐采用線彈性本構桁架單元模擬，樁基采用線彈性本構梁單元模擬，錨桿采用線彈性本構植入式桁架單元模擬。

(2)支護結構-土體-鐵塔基礎耦合

將支護結構、H形框架、巖土體接觸面上的節點設為耦合，與周圍土體始終緊密接觸，不產生相對滑動或脫離，即單元間自由度的協調性通過自由度的耦合來實現。

(3)地層計算參數

可將小導管或大管棚超前支護加固的力學作用等效為處理范圍內圍巖力學性能的提高[9-12]。結合地質勘察資料，給巖土體及管棚注漿加固圈單元分別賦予不同的容重、彈性模量、泊松比、黏聚力及內摩擦角等參數，其計算參數如表1所示。

表1 地層計算參數

管棚注漿加固圈厚度D由式(1)確定[13]，計算可得管棚注漿加固圈厚約1.1 m。

(1)

式中D——管棚注漿加固圈厚度/m；

R——漿液的擴散半徑/m；

d——相鄰兩注漿孔間距/m。

(4)支護結構及樁基等計算參數

H形鋼架初期支護類似管棚超前支護的彈性模量折減，支護結構及樁基等的計算參數如表2所示。

表2 支護結構及樁基等計算參數

2.3 施工過程的模擬方法

使用單元的激活鈍化功能來模擬隧道的開挖和支護，圍巖的初始應力主要由重力引起。通過以下簡化步驟模擬隧道臺階法加臨時仰拱(臺階法加臨時橫撐)施工的下穿過程，一個完整的分析步包括：①施作超前小導管或大管棚注漿加固；②開挖上臺階，每次開挖長度2.0 m，每次上臺階開挖后施作前一循環的上臺階徑向錨桿、初期支護及臨時仰拱(臨時橫撐)；③開挖下臺階，每次開挖長度亦為2.0 m(下臺階滯后6 m)，每次下臺階開挖后施作前一循環的下臺階徑向錨桿、初期支護及臨時仰拱；④下臺階開挖長度超過6 m時，拆除臨時仰拱(臨時橫撐)。以此循環，直至開挖完成。

3 隧道下穿鐵塔數值計算結果分析

3.1 獨立樁基沉降規律分析

分別對小導管超前支護方案(方案一)和大導管超前支護方案(方案二)的獨立樁基沉降量、鄰近樁基沉降差進行評價分析。從圖4和圖5中可以看出，各樁基沉降量均隨隧道開挖而不斷增大，兩個方案的4個樁基累計最大沉降量均發生在樁基T1處，最小沉降量均發生在樁基T3處，離隧道中線越近的樁基沉降量越大；相鄰樁基的最大沉降差發生在樁基T1和樁基T3之間。

采用“小導管超前支護+臺階法+臨時橫撐”施工時(方案一)，鐵塔樁基最大沉降量達到了34.6 mm，相鄰支墩最大沉降差為3.0 mm，其沉降量較大，可能會影響鐵塔的安全穩定；而采用“大管棚超前支護+臺階法+臨時仰拱”開挖時(方案二)，鐵塔樁基最大沉降量為14.4 mm，相鄰支墩最大沉降差為1.3 mm，其沉降量明顯減小，說明 “大管棚超前支護+臺階法+臨時仰拱” 的開挖方案可以有效控制鐵塔樁基沉降。

圖4 方案一鐵塔基礎沉降曲線

圖5 方案二鐵塔基礎沉降曲線

3.2 H形框架梁加固后基礎的沉降規律

采用H形框架梁對鐵塔樁基進行加固處理(方案三)，將四個獨立樁基連接成一個整體，以下從總沉降量及傾斜率方面進行評價。

圖6 方案三鐵塔基礎沉降曲線

方案三的測點T1～T4位置與方案一、方案二相同。從圖6可知，方案三和方案二的測點沉降規律相同，方案三最大沉降量為14.5 mm，與方案二的最大沉降量幾乎無差別，說明H形框架梁加固對隧道開挖引起的鐵塔基礎總沉降無影響。從圖7可知，加固后整體基礎的傾斜率不斷增大，在隧道工作面距鐵塔約1.5倍洞徑時達到最大值(0.04%)，其后趨于穩定。

圖7 方案三鐵塔基礎傾斜率的變化曲線

3.3 施工方案評價

(1) 從鐵塔基礎沉降量方面進行分析

方案一沉降量較大，方案二和方案三最大沉降量基本相同，均比方案一少約58%。目前，尚無規范對高壓鐵塔獨立樁基沉降量有具體要求，隧道下穿鐵塔實施案例[3，7-8]表明，鐵塔基礎最大沉降量宜控制在10～20 mm。結合電力管理部門意見，確定20 mm作為沉降量控制標準。因此，方案二(最大沉降量為14.5 mm)和方案三(最大沉降量為14.4 mm)可以滿足鐵塔基礎總沉降量要求。

(2) 從鐵塔相鄰樁基沉降差方面進行分析

鐵塔樁基的不均勻沉降對塔身超靜定構件將產生次應力，如果鐵塔構件存在缺陷或次應力增加較大，可能造成鐵塔構件失效，危及輸電線路運營安全。可按《高聳結構設計規范》(GB50135—2006)[14]中的規定對方案一和方案二相鄰基礎間的沉降差進行評價。該規范第7.2.6條規定：鐵塔等高聳結構在中低壓縮性土地基上的不均勻沉降差限值為0.002L(L為相鄰基礎的中心距離/mm)。因此，鐵塔相鄰基礎沉降差應小于8 mm。方案一計算得到的相鄰獨立樁基最大沉降差為3.0 mm，方案二計算得到的相鄰獨立樁基最大沉降差為1.3 mm，均滿足要求。方案二比方案一的相鄰樁基間沉降差少57%，取沉降差8 mm作為控制標準時，方案二安全系數為6.2。

(3)從鐵塔基礎傾斜率方面進行分析

采用H形框架梁對鐵塔4個樁基進行加固后(方案三)，形成了一個類似承臺基礎的結構，應按基礎沉降傾斜率進行評價。《架空輸電線路基礎設計技術規程》(DL/T5219—2014)[15]5.3.1條規定：塔高小于50 m時基礎傾斜率允許值為0.6%。方案三的基礎沉降傾斜率為0.04%，取0.6%的傾斜率作為控制標準時，安全系數為15。

綜上所述，方案二較方案一可以明顯減小鐵塔基礎的沉降。在方案二的基礎上，采用H形框架梁對鐵塔樁基進行加固(方案三)，將鐵塔獨立樁基連成整體，可以明顯提高鐵塔基礎沉降控制的安全系數。另外，地基的不均勻變形對塔身超靜定構件容易產生次應力，這種次應力的作用程度會因塔腿基礎結構形式不同而各異，采用H形框架梁加固能更好地減小塔身構件的次應力。因此，方案三為最優方案。

4 現場監測結果及施工效果評價

最終選擇方案三為實施方案，對塔基采用H形框架梁加固，隧道洞內采用“大管棚超前支護+臺階法+臨時仰拱”施工(如圖8所示)。H形框架梁于2015年5月2日前施工完成，2015年5月12日開始下穿鐵塔段開挖，2015年6月16日完成下穿鐵塔段施工。

圖8 大管棚超前注漿支護照片

鐵塔基礎沉降及傾斜率時程曲線分別如圖9和圖10所示，鐵塔基礎累計最大沉降量為16 mm，傾斜率為0.05%，實測基礎沉降趨勢與數值計算結果基本符合(實測值比計算值稍大)，均滿足相關規范要求，未發現鐵塔構件產生異常，經電力管理部門評定，隧道施工未影響鐵塔結構安全。

圖9 鐵塔基礎累計沉降時程曲線

圖10 鐵塔基礎傾斜率時程曲線

5 結論

(1) “大管棚超前支護+臺階法+臨時仰拱”方案較“小導管超前支護+臺階法+臨時橫撐”方案減少了鐵塔樁基58%的沉降量和57%的沉降差，支護效果明顯改善。

(2) 通過增加H形框架梁，將獨立樁基差異沉降問題轉化為整體基礎的傾斜率問題，提高了鐵塔基礎沉降控制安全系數，增強了鐵塔超靜定構件對不均勻沉降的適應能力。

(3) 結合規范和數值模擬計算結果，對于單線淺埋隧道下穿鐵塔，可以取樁基最大沉降20 mm、H形框架梁加固后整體基礎傾斜率0.6%作為控制標準。

(4) 鐵塔基礎沉降最大實測值為16 mm，與計算值結果和趨勢基本相符，可認為綜合處理的方案合理有效，能夠保證鐵塔的結構安全。