暗挖電力隧道側穿高壓鐵塔的技術研究與分析

韓春龍， 李翔宇

(1 上海電力設計院有限公司， 上海 200025;2 中國建筑科學研究院有限公司地基基礎研究所， 北京 100013)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷深入及經濟的快速發展，城市用電負荷急劇增加，同時由于土地資源稀缺，架空線走廊資源越來越受到限制，因此電力隧道應運而生。電力隧道是能容納十幾條甚至更多電纜線路的地下構筑物，它可以把城市變電站連接起來，用于改善城市中心商業區及其周圍地區的電力系統。

許多電力隧道工程周邊鄰近建構筑物，如：老的房屋建筑、高壓鐵塔等，這些建構筑物大部分為天然地基，對地基土的沉降、位移較為敏感。因此相鄰的隧道開挖施工過程中必須采取可靠的措施控制由于開挖卸載引起的周邊地層變形，避免因為變形過大導致周邊建構筑物的沉陷或倒塌。

本文以北京市某電力隧道工程為例，研究了如何保證隧道在開挖過程中鄰近高壓鐵塔安全的技術方案，并通過運用PLAXIS有限元軟件，分析了設置隔離樁方案后，隧道開挖對高壓鐵塔的基礎影響。

1 工程實例

1.1 工程概況

為滿足北京市某區新建和改造基礎設施工程供電需要，需建設長約6.0km電力隧道。根據系統規劃、電纜敷設需求，新建隧道內凈尺寸:寬度為2.0m，高度為2.3m。

隧道在樁號K3+358～K3+378段東側現存1座東西走向110kV架空輸電線路鐵塔，此條架空輸電線路為該區供電的主動脈之一。鐵塔基礎由四個獨立的鋼筋混凝土板式基礎組成，基礎根開6.11m，底板尺寸為3.0m×3.0m，埋深2.6m，露頭高0.2m。根據勘察報告，鐵塔基礎基底位于②砂質粉土～黏質粉土上。鐵塔基礎與隧道的位置關系詳見圖1、圖2。

圖1 鐵塔與隧道平面位置關系

圖2 鐵塔與隧道剖面位置關系

1.2 地質條件

擬建場地屬于平原地貌。場地范圍內的土層分為人工堆積層、新近沉積層和一般第四紀沉積層三大類，并根據各土層巖性及工程性質指標暫劃分為4個大層及亞層。自上而下分述如下：

(1)人工堆積層：表層為一般厚度為0.60～5.8m的人工堆積層，包括①層素填土。

(2)新近沉積層：人工堆積層以下為新近沉積的②層砂質粉土～黏質粉土、②2層黏土～重粉質黏土。

(3)一般第四紀沉積層：一般第四紀沉積層有③層砂質粉土～黏質粉土、③1層黏土～重粉質黏土、③2層粉質黏土、③3層粉細砂、④1層粉細砂。

本次勘察發現場地分布有地下水，地下水水位埋深約3.0m。

2 電力隧道概況

新建電力隧道采用復合式襯砌結構形式，斷面為直墻、圓拱，平底板的凈寬為2.0m、凈高為2.3m，隧道斷面詳見圖3。隧道初襯采用鋼格柵結合噴射混凝土結構，厚度為0.25m，二襯采用現澆鋼筋混凝土，厚度為0.25m，初襯、二襯之間采用柔性防水層。

圖3 隧道斷面圖

電力隧道采用淺埋暗挖法施工，淺埋暗挖法是一種綜合施工技術，其特點是在開挖中采用多種輔助施工措施加固圍巖，合理調動圍巖的自承能力，開挖后即時支護，封閉成環，使其余圍巖共同作用形成聯合支護體系，有效地抑制圍巖過大變形[1-2]。

隧道開挖采用正臺階法，將隧道斷面分為上下兩個部分，預留核心土先開挖上半斷面隧道，及時架設上部鋼拱架、噴射混凝土，然后開挖下斷面隧道，及時架設下部鋼拱架、噴射混凝土，并及時對初襯背后進行注漿，待兩工作豎井間初襯全部貫通后進行防水層、二襯施工，具體施工步驟詳見圖4。

3 保護標準

圖4 電力隧道施工步驟圖

本次側穿的110kV高壓鐵塔為耐張塔，全高約36m，為保證高壓鐵塔結構安全，不影響線路安全運行，按照規程規范[3-5]的相關要求，桿塔及其基礎變形控制要求如下：

(1)鐵塔：傾斜，即垂直線路方向需小于3H/1 000，其中H為桿塔高度；順線路方向需小于3H/1 000，即：塔頂兩個方向偏移量均需小于108mm，且要求耐張塔不允許向內角偏移。

(2)基礎：1)各基礎垂直向下沉降累計變形不大于100mm；2)各相鄰基礎差異沉降累計變形不大于6L/1 000，其中L為鐵塔基礎根開；3)各相鄰基礎根開增大或減少值累計變形不得大于30mm。

4 保護技術方案

高壓鐵塔基礎外側距離電力隧道開挖面最近水平距離為3.92m，鐵塔基礎底距離隧道頂9.29m；此段暗挖隧道底板處覆土埋深15.22m，鐵塔基礎位于隧道塌方影響范圍內，考慮到隧道在開挖過程中一旦發生坍塌或局部沉降，將造成鐵塔傾斜而導致輸電線路中斷等嚴重后果，并危及到隧道施工人員的安全，在施工過程中，提出了以下保護技術方案。

(1)方案一：加強隧道初襯結構

隧道初襯鋼格柵加密：將初襯鋼格柵間距由原先0.75m縮短為0.5m，同時連接筋間距由原來1m加密至0.5m。

控制隧道開挖步距：縮小為0.5m，初襯及時封閉，控制掌子面暴露時間。

加強初襯背后注漿：施工過程中進行沉降觀測跟蹤，及時進行背后注漿，防止背后空洞，引起地層沉陷。

(2)方案二：袖閥管跟蹤注漿，采用袖閥管對鐵塔基礎進行跟蹤注漿加固。

(3)方案三：隔離樁保護，在靠近隧道側的高壓鐵塔基礎外邊打設鋼管樁，對鐵塔進行隔離保護。

4.1 袖閥管跟蹤注漿

袖閥管注漿，是目前被國內外公認的最可靠的注漿工法[6]，著名的英吉利海峽隧道，中、英、法、日、意地鐵工程均采用該注漿工法[7]。

電力隧道施工前對鐵塔的基礎進行摸底，對基礎周邊預留注漿管，根據地層實際變形情況跟蹤補償注漿，控制鐵塔差異沉降。

地面跟蹤注漿采用3排φ50×3.5袖閥管，注漿范圍為鐵塔周圍，從鐵塔2.6m外開始沿鐵塔四周布置3排袖閥管，排距為0.8m，袖閥管環向間距為1.5m。注漿范圍平面、剖面詳見圖5、圖6。

注漿漿液擴散半徑1.0m；孔徑100mm，孔底間距按1.5m(環向)×0.8m(縱向1.0m)控制；設計注漿壓力(終壓值)為2倍實測水壓力。漿液材料采用水泥漿，水泥水灰比W∶C=0.6∶1～1.5∶1，水灰比可根據實際地質情況及注漿的不同時段現場試驗確定。

4.2 隔離樁保護

在城市軌道交通以及房屋建筑基坑工程中，有較多采用隔離樁保護方案的實例[8-11]，成功控制了基坑與隧道在開挖施工過程中，周邊建構筑物的變形。

圖5 注漿孔平面布置圖

圖6 注漿孔剖面布置圖

圖7 隔離樁平面布置圖

圖8 隔離樁剖面布置圖

采用的隔離樁需在暗挖隧道前施工，主要起抗滑作用，考慮到暗挖隧道施工可能出現土體塌方，鋼管樁能夠可以起到一定的抗土體滑移作用。

本工程在靠近隧道側的高壓鐵塔基礎外邊打設鋼管隔離樁，共打設2排，鋼管采用φ124無縫鋼管，壁厚6mm，樁縱向間距為500mm(軸線)，樁長為20m，下部15m范圍內設置梅花形注漿孔，開孔距離0.6m，開孔φ20在鋼管內部注入水泥漿，注漿壓力≤0.3MPa,水灰比為0.45～0.5，水泥采用PO42.5，隔離樁平面與剖面布置詳見圖7、圖8。

隔離樁采用引孔法施工。先根據設計圖紙定位使用鉆機進行間隔法鉆孔；然后下放鋼管，每節標準鋼管9m長，節與節之間通過焊接方式連接，鋼管下放采用繩索法下放，依次下放至孔底；然后注漿，最后施工頂圈梁。

考慮到袖閥管跟蹤注漿是一種被動防護方式，為保證高壓鐵塔的絕對安全，最終采用了方案一和方案三相結合的保護方案，即對隧道初襯結構進行加強的同時，采用鋼管樁對鐵塔基礎進行隔離保護。

5 有限元計算分析

為研究隔離樁加固處理效果，采用有限元軟件進行數值模擬分析。模擬分析主要考慮設置隔離樁后隧道開挖對既有鐵塔基礎的變形影響。

5.1 模型及計算軟件

本文采用巖土工程PLAXIS 2D有限元分析軟件進行施工全過程數值模擬。地層采用Hardening-Soil(簡稱HS)實體單元進行模擬，HS是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型的土體行為的先進模型，它是一個彈塑性模型，能有效地模擬土體壓縮以及開挖問題中的卸載再壓縮情況。HS模型是一種高級土體模型，極限應力狀態是由摩擦角φ、黏聚力c及剪脹角ψ來描述。這種模型充分考慮了土體剛度隨應力狀態的變化，包括小應變情況下剪切模量的衰減行為，較適用于分析敏感環境下隧道開挖對周圍環境的影響。有限元分析模型詳見圖9。

圖9 有限元分析模型

5.2 模型參數

(1)土體模型參數

地勘報告等相關資料提供的土體物理力學性能參數為土體模型參數的選取提供了依據。模型中涉及的土層及其相關的一些參數如表1所示。

土體物理力學參數 表1

(2)鐵塔基礎及隧道襯砌參數

鐵塔基礎隧道襯砌均用板單元模擬，基礎上部添加高壓線塔自重荷載。

1)高壓鐵塔基礎材料為C20級混凝土，基礎底板尺寸為3m×3m，底板厚度為1.2m。基礎采用板單元來模擬，C20級混凝土彈性模量為2.55×107kN/m2，基礎軸向剛度和抗彎剛度分別為：

EA=2.55×107×1.2×1=3.06×107kN

EI=2.55×107×1×1.23/12=3.672×106kN·m2

高壓鐵塔自重按20t來計算，則每個基礎承受線荷載為：

q=20×10 000/4/3=16 667N/m=16.7 kN/m

2)隧道初襯為250mm厚C20級噴射混凝土，采用板單元來模擬，初襯的軸向剛度及抗彎剛度分別為：

EA=2.55×107×1×0.25=6.375×106kN

EI=2.55×107×1×0.253/12=3.32×104kN·m2

3)隔離樁用板單元模擬，鋼管樁彈性模量E=210GPa，密度為7 850kg/m3，注漿體彈性模量E=25.5GPa，密度為1 824kg/m3。注漿隔離樁等效板厚約0.18m。板的軸向剛度及抗彎剛度分別為：

EA=1.2×108×1×0.18=2.16×107kN

EI=1.2×108×1×0.183/12=5.832×104kN·m2

隔離樁實際施工時是內外注漿的，因此模型中板單元的軸向剛度、抗彎剛度等參數計算均綜合考慮了鋼管和注漿體的作用，是鋼管和注漿體參數的疊加計算的結果。

5.3 模擬步驟

計算由三個施工階段組成。在第一施工階段，激活高壓鐵塔基礎及上部荷載；第二施工階段為施工鋼管樁。第三施工階段為施工電力隧道。

5.4 分析結果

經有限元模擬分析，最終地表沉降為4.6mm左右，拱頂沉降為9.54mm，高壓鐵塔基礎最大沉降為3.9mm，高壓鐵塔基礎頂面最大差異沉降為3.2mm，沉降累積值與差異沉降值均在允許變形范圍內，滿足規程規范[3-5]要求。圖10為有限元計算分析的地層豎向位移云圖。

圖10 地層豎向位移云圖/(×10-3m)

6 監測

自電力隧道開挖之日起至電力隧道二襯結構施工完畢，對鐵塔進行沉降和位移監測，監測點布置在高壓鐵塔基礎上(4個塔基均設置)以及隧道上方土體內，塔基沉降及位移監測頻率為4次/d。監測點布置如圖11所示。

圖11 監測點布置圖

從施工過程中的監測數據可知：距離隧道最近的鐵塔基礎沉降最為嚴重，距離隧道較遠的鐵塔基礎沉降不明顯。當隧道掘進至距離鐵塔中心約10.0m處，距離隧道最近的鐵塔基礎開始發生沉降；當隧道掘進至鐵塔中心前方約15.0m處時，四個鐵塔基礎塔腿開始趨于穩定。

最終監測數據顯示，最大土體位移沉降為6.5mm，塔腿最大差異沉降為4.5mm，滿足規程規范[3-5]累計沉降與差異沉降的要求。

最大土體位移沉降值、塔腿最大差異沉降均大于有限元分析的計算結果值，這主要是由于土體本構模型與實際存在一定差異所致。

7 結論

(1)采用隔離樁，能有效減小暗挖電力隧道對高壓鐵塔的影響，使其沉降能夠控制在規范允許范圍內。

(2)與袖閥管注漿進行地基加固相比，由于袖閥管注漿地基加固范圍仍然位于隧道塌方土體范圍內，一旦隧道出現冒頂、塌方，無法保證鐵塔能夠安全運行，而采用隔離樁的保護方式則能夠滿足工程安全需要。

(3)考慮到隧道工程對周邊地表土層擾動較大，因此應先施工隔離樁，以減小前期的施工擾動。

(4)在暗挖電力隧道工程實踐中，側穿高壓鐵塔的工程實例較少，通過本文的分析研究，可以為今后類似工程提供借鑒。