雙線小凈距隧道正下穿高壓電塔影響研究

張建國

摘 要：城市地鐵雙線小凈距隧道下穿高壓電塔，施工風險較高，研究盾構隧道近距離穿越高壓電塔影響，對于保證施工過程中高壓電塔及區間隧道安全穩定具有重要意義。文章以巖石地層小凈距盾構區間下穿南吳線 66kV 高壓電塔為背景，通過數值分析計算，模擬盾構下穿高壓電塔施工工況，對高壓電塔基礎沉降進行計算分析，將計算值與地表監測值進行對比，驗證計算結果，最終雙線凈距僅 2.8m 的 2 條隧道安全順利通過高壓電塔。

關鍵詞：地鐵;小凈距隧道;下穿電塔;掘進參數

中圖分類號：U455.43

1 引言

高壓輸電線是城市發展不可或缺的基礎設施，城市地鐵建設線路應盡量規避正下穿高壓電塔基礎結構，當區間隧道與高壓電塔產生交叉甚至下穿情況時，需重點研究下穿高壓電塔的風險程度，由于高壓輸電塔是電力系統輸電線路的主要受力構件且為高聳空間結構，高壓電塔塔基相互獨立，對基礎沉降、傾斜要求極其嚴格，變形過大容易發生傾覆[1]，影響人民生產生活用電。張社榮等[2]通過ABAQUS計算提出天津地鐵6號線左右線相距17 m的盾構隧道開挖過程對高壓電塔影響，得出隧道兩側2倍洞徑范圍為主要影響區;徐茂兵[3]研究了深圳地鐵車公廟站—竹子林站區間隧道（線間距24.23 m）下穿既有220 kV高壓電塔的加固方案，從受力分析、施工技術等方面進行了分析，最終采用樁基托換+洞內超前及徑向注漿止水并加固土層的加固方案，使得高壓電塔累計沉降小于10 mm、不均勻沉降小于3 mm;胡長明[4]以成都地鐵3號線盾構隧道工程為背景，研究地鐵盾構穿越高壓電塔掘進施工工況，認為采用洞內施工措施和地面加固均可以有效控制地層沉降，但在渣土改良、有效控制掘進參數的基礎上，采用洞內注漿等施工措施比地面加固措施效果要好;張華林[5]分析了上覆高壓電塔和隧道之間影響及規律，以及高壓電塔的變形控制指標;彭浩[6]結合暗挖中隔壁CRD法隧道下穿高壓電塔案例提出對高壓電塔進行整體基礎加固方案，以滿足高壓電塔基準變形要求;陳周斌[7]以杭州某盾構隧道穿越建筑群為背景，經過理論分析和數值模擬，得出穿越段土倉壓力、推進速度和同步注漿率的控制范圍。合理的施工參數配以相關輔助措施，能夠保證穿越工程的安全[8-10]。總體來看，盾構下穿高壓電塔案例研究較多，各地區地質條件千差萬別，多為軟弱圍巖，且盾構隧道左右線線間距較大（超過12 m），采取的加固措施以地面加固、樁基托換、控制掘進參數為主，然而巖石地層條件下小凈距隧道下穿高壓電塔并無先例，因此，有必要對該條件下盾構穿越高壓電塔變形情況進一步研究，以便提出更有針對性、可操作性的加固方案，既滿足高壓電塔安全要求，又保證工程措施經濟合理，同時總結出有針對性的盾構掘進控制參數，為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

大連地鐵5號線某區間垂直下穿南吳線塔66kV9號高壓電塔，線間距9 m，結構凈距2.8 m為小凈距盾構隧道。隧道豎向距離南吳線9號高壓電塔基礎12.8m，且位于中風化白云巖層中，高壓電塔基礎間凈距為7.62m，隧道與高壓電塔基礎位置關系如圖1所示。高壓電塔結構主要由塔身、塔頭、塔腿3 部分組成，上方由導線、絕緣子及其附件組成，塔身為四角鋼桁架結構，基礎為4個獨立臺階式混凝土擴大基礎，塔身及電線重量由4個電力高壓電塔基礎分別承擔，基礎形式如圖1b所示，基礎埋深H = 2.8m，基礎底面寬D = 3.48 m。

3 高壓電塔變形控制要求

高壓電塔對沉降及傾斜反應敏感，高壓電塔基礎不均勻沉降，容易引起塔桿變形或局部破壞，甚至整體傾覆。

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-

2013）、《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）要求，建（構）筑物變形控制指標如表1所示，表1中L 為相鄰基礎的中心距離。

考慮本工程下穿高壓電塔的重要性及風險等級，基礎沉降控制值為10 mm，差異沉降不超過5 mm;根據輸電高壓電塔設計規范，高壓電塔主材角鋼抗拉或抗壓強度計算承載能力取268MPa;高壓電塔自身水平位移的衡量指標主要是塔身傾斜度I，塔身傾斜度I是指高壓電塔頂部中心節點偏移的水平位移U（橫向水平位移Ul和縱向水平位移U2的合位移）與總塔高H的比值，I = U / H，當高壓電塔高度在50m以上時，高壓電塔的容許傾斜值[I] = 0.5%。

4 數值計算分析

采用地層結構法模擬隧道開挖全過程，圍巖采用摩爾-庫倫模型，土體采用實體單元模擬，管片采用板單元模擬，高壓電塔采用梁單元模擬。本計算模型縱向長度為120 m，橫向長度為100 m，模型下部取至隧道結構底緣下30 m深，共劃分單元154 671個，節點84 693個。計算模型如圖2所示。

4.1 計算假定

隧道于K24 + 510處垂直下穿南吳線66kV9號高壓電塔，豎向距離南吳線9號高壓電塔基礎12.8 m，位于中風化白云巖層中。對施工階段過程有限元數值模擬進行一定假設和模型簡化，具體的假定如下：

（1）土層為各向同性，結構體的變形、受力均在彈性范圍內;

（2）模擬計算盾構施工過程，主要考慮采取階段性土體開挖與鋼筋混凝土管片施加激活，不考慮土體變化時間效應以及土體與管片之間的摩阻力。

4.2 計算參數確定

土層采用摩爾-庫倫模型，結構采用線彈性模型，根據勘察地質資料，確定計算模型的基本參數，材料參數見表2～表4。

4.3 數值計算結果分析

4.3.1 高壓電塔基礎沉降計算分析

隧道雙線采用分部開挖、先開挖左線后開挖右線的方法進行盾構模擬施工，隧道雙線貫通后的計算結果如圖3～圖8所示。

（1）高壓電塔T1基礎4個角部豎向位移與開挖步序關系曲線如圖5所示，由圖5可以發現，隨著隧道開挖進行，高壓電塔T1基礎4個角點豎向位移在盾構刀盤到達基礎前幾個開挖步序有微小的隆起，主要是由于盾構刀盤前方對土體的擠壓作用，隨著隧道的開挖，地層出現損失，導致基礎出現急劇的豎向位移;開挖步序10～步序25時，隨著盾構管片拼裝完成，盾構開挖引起地層損失導致的豎向位移趨于穩定;開挖步序25后盾構機盾尾通過高壓電塔，導致基礎豎向位移又進一步增加，待整個盾構機通過高壓電塔基礎后，基礎的豎向位移趨于穩定。開挖過程中最大豎向位移為0.35 mm。

（2）高壓電塔T2基礎4個角部豎向位移與開挖步序關系曲線如圖6所示，由圖6可以發現，隨著隧道開挖進行，高壓電塔T2基礎4個角點豎向位移在盾構刀盤到達基礎前幾個開挖步序同T1基礎一樣有微小的隆起，開挖至步序10～步序27時，隨著盾構管片拼裝完成，盾構開挖引起地層損失導致的豎向位移趨于穩定;開挖步序27后盾構機盾尾通過高壓電塔，導致基礎豎向位移又進一步增加，待整個盾構機通過高壓電塔基礎后，基礎的豎向位移趨于穩定。開挖過程中最大豎向位移為0.36 mm。

（3）高壓電塔T3基礎4個角部豎向位移與開挖步序關系曲線如圖7所示，由圖7可以發現，開挖至步序25時局部出現隆起，最大隆起高度為0.14 mm;高壓電塔T3基礎在左線隧道開挖過程中由于T1基礎沉降引起T3產生隆起，隨著右線隧道的開挖，T3基礎距離右線隧道較近，受地層損失影響，豎向位移急劇增加，最大達到0.18 mm。

（4）高壓電塔T3基礎4個角部豎向位移與開挖步序關系曲線如圖8所示，由圖8可以發現，高壓電塔T4基礎豎向位移變化規律與T1、T2類似，但是由于其位于左右線隧道中間，因此左線隧道開挖引起的豎向位移與右線隧道開挖引起的豎向位移大小基本相當，隧道開挖完成后均趨于穩定。開挖工程中最大豎向位移為0.37 mm。

以上計算結果表明，盾構開挖完成后高壓線塔基礎累計最大沉降為0.37 mm，滿足相關控制標準要求。

4.3.2 高壓電塔內力計算分析

圖9為左右線隧道開挖完成后高壓電塔桿件應力分布圖，由圖9可見，4根主桿始終受壓，橫桿上部受壓、下部受拉。主桿與橫桿相比截面較大，橫桿的最大拉應力為17.7 MPa，最大壓應力23.4 MPa，應力最大值均在角鋼的承載能力范圍之內，表明高壓電塔基本處于安全狀態。

4.3.3 高壓電塔傾斜計算分析

圖10為高壓電塔X及Y方向水平位移云圖，由圖10可見，X方向最大水平位移為8.59 mm，Y方向最大水平位移為2.4 mm，經計算最終傾斜度達到0.02%，滿足高壓電塔控制要求。但也應該注意到，高壓電塔傾斜度對隧道開挖更敏感，也更接近控制值，因此，建議提前做好高壓電塔基礎保護的應急預案。

5 施工監測

為監控盾構下穿高壓電塔過程中高壓電塔位移和傾斜情況，在高壓電塔布設了監測點。高壓電塔豎向位移監測結果如圖11所示，由圖11可見，高壓電塔基礎偶爾出現隆起現象，同樣隨著隧道的開挖，豎向位移逐漸增加，最后趨于穩定，4個高壓電塔基礎監測的豎向位移分別為0.99 mm、0.96 mm、0.99 mm、1.16mm，滿足10 mm控制要求。

6 結論及建議

（1）數值分析軟件模擬左右線2.8 m小凈距隧道下穿高壓電塔基礎的施工過程表明，計算分析結果與實際監測結果趨勢一致，盾構開挖引起的地層損失所產生的高壓電塔基礎豎向位移最大為0.37mm，滿足高壓電塔正常工作的沉降要求。

（2）隨著左右線隧道開挖，高壓電塔T1～T44 個基礎的豎向位移變化趨勢具有典型特征，即靠近盾構刀盤開挖面時，基礎有略微隆起，隨著盾構的掘進，基礎產生明顯豎向沉降，待盾構通過后沉降趨于緩和，靠近開挖隧道一側的高壓電塔基礎受影響程度大于遠離開挖面一側的基礎，遠離左右線隧道的T4基礎則在左右線開挖過程中先產生一定程度的隆起再沉降。

（3）高壓電塔塔桿的內力變化及最大傾斜度均在高壓電塔控制值范圍內。

（4）硬巖地層中下穿類似高壓電塔至少應保證地鐵盾構隧道豎向埋深1倍洞徑以上，且施工前施作試驗段，優化盾構掘進參數，嚴格控制盾構出土量及推進速度，在盾構掘進過程中，要及時進行管片背后注漿，必要時可采取多次壓漿，加強實時監測，根據監測反饋的信息及時優化調整掘進參數。

參考文獻

[1]陽軍生，楊元洪，晏莉，等.大斷面隧道下穿既有高壓輸電高壓電塔施工方案比選及其應用[J].巖石力學與工程學報，2012，31（6）：l184-1191.

[2]張社榮，馮曉成，于茂，等.盾構雙線隧道下穿通信高壓電塔近接影響分析[J]. 鐵道標準設計，2016，60（6）：100-105.

[3]徐茂兵.區間隧道通過既有高壓電塔加固方案[J].現代隧道技術，2002，39（5）：48-52.

[4]胡長明，張延杰，袁一力，等.盾構隧道臨近河流始發及過電塔掘進技術[J].長安大學學報（自然科學版），2017，37（6）：83-91.

[5]張華林.隧道施工對上覆高壓輸電高壓電塔的影響分析與應用研究[D].湖南長沙：中南大學，2012.

[6]彭浩.大跨隧道下穿高壓輸電高壓電塔施工技術[J].國防交通工程與技術，2016，14（3）：59-61.

[7]陳周斌.土壓平衡式盾構穿越建筑群施工控制技術[J].城市軌道交通研究，2010，13（11）：69-73.

[8]陳福全，李大勇，王暉.地鐵盾構機掘進對周圍環境影響的現場測試研究[J].鐵道工程學報，2007（9）：46-50.

[9]吳為義，孫宇坤，張士喬.盾構隧道施工對鄰近地下管線影響分析[J].中國鐵道科學，2008，29（3）：58-62.

[10] 楊廣武，關龍，劉軍，等.盾構法隧道下穿既有結構三維數值模擬分析[J].中國鐵道科學，2009，30（6）：54-60.

[11] 傅江華. 盾構隧道近距離下穿武廣高鐵橋梁變形監測分析[J]. 現代城市軌道交通，2018（7）：34-37.

[12] 王秀格，喬蘭，孫歆碩.地下采空區上輸電塔基穩定性的數值模擬[J].金屬礦山，2008（3）：110-113.

[12] ?GB 50135-2006 高聳結構設計規范[S]. 2006.

[13] 彭暢，伋雨林，駱漢賓，等.雙線盾構施工對鄰近建筑物影響的數值分析[J]. 巖石力學與工程學報，2008，27（S2）：3868-3874.

[14] 張天明. 淺談盾構下穿建筑物掘進參數控制[J].現代隧道技術，2012，49（2）：92-98.

[15] 賀美德，劉軍，樂貴平，等.盾構隧道近距離側穿高層建筑的影響研究[J]. 巖石力學與工程學報，2010，29（3）：603-608.

[16] 張華林，楊元洪，陽軍生，等.傳感器在監測隧道開挖對上方高壓電塔影響的應用[J].傳感器與微系統，2011，30（10）：150-152.

[17] 查劍鋒，郭廣禮，狄麗娟，等.高壓輸電線路下采煤防護措施探討[J].礦山壓力與頂板管理，2005，22（1）：112-114.

[18] 史振華.采空區輸電線路直線自立塔基礎沉降及處理方案[J].山西電力技術，1997，17（3）：18-20.

[19] ?DL/T 741-2010架空輸電線路運行規程[S]. 2010.

[20] GB 50545-2010 110-750 kV架空輸電線路設計規范[S]. 2010.

收稿日期 2010-06-29

責任編輯 朱開明