鄰近明挖隧道施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)高壓電塔的影響分析

蔣昌鋒

（廣州市政府投資項(xiàng)目研究評(píng)審中心，廣東 廣州 510500）

0 引言

高壓電塔為典型的高聳結(jié)構(gòu)，具有整體剛度小、基礎(chǔ)相互獨(dú)立、對(duì)傾斜度非常敏感等特點(diǎn)。鄰近高壓電塔隧道建設(shè)時(shí)，若地層位移控制不當(dāng)，易導(dǎo)致電塔塔基發(fā)生不均勻沉降，甚至導(dǎo)致電塔倒塌，危及電力線路的正常運(yùn)營(yíng)和生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]，因此開展鄰近工程建設(shè)對(duì)高壓電塔的影響研究，并制定合理可行的實(shí)施方案至關(guān)重要。現(xiàn)有鄰近高壓電塔的各類工程誘發(fā)的影響研究中，大多探索下穿隧道施工對(duì)上覆電塔的穩(wěn)定性分析[3-5]，對(duì)于側(cè)向隧道施工及運(yùn)營(yíng)對(duì)高壓電塔的影響卻鮮見報(bào)道。

基于此，以廣州某鄰近220 kV 高壓電塔明挖隧道實(shí)例為依托，提出了隧道實(shí)施高壓電塔可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，借助數(shù)值法建立隧道基坑開挖和運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用的靜、動(dòng)模型，計(jì)算分析隧道施工和運(yùn)營(yíng)擾動(dòng)下高壓電塔的力學(xué)響應(yīng)特征，評(píng)價(jià)隧道實(shí)施方案的可靠性。研究取得的認(rèn)識(shí)可為類似工程提供良好的借鑒。

1 工程概況及風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

廣州某明挖單向兩車道隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h，在里程K0+186～K0+193 范圍，鄰近隧道結(jié)構(gòu)邊約4.7 m 位置有220 kV 高37 m 的電塔，具體位置關(guān)系見圖1。隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)電塔勢(shì)必造成擾動(dòng)，且主要體現(xiàn)在隧道基坑開挖過程和運(yùn)營(yíng)過程。

圖1 隧道基坑與電塔位置關(guān)系

基坑寬約10.6 m，深4 m，采用?1 m＠1.2 m 的支護(hù)樁和?0.6 m 的樁間旋噴止水。高壓電塔為鐵塔，基礎(chǔ)為?1 m 的灌注樁， 樁基受到的最大水平力為220.4 kN，最大豎向壓力為1 530.9 kN、最大拔力為1 190.4 kN。由現(xiàn)場(chǎng)勘察資料可得場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 高壓電塔風(fēng)險(xiǎn)分析

考慮到電塔對(duì)位移，尤其是不均勻位移的敏感性，隧道施工與運(yùn)營(yíng)可能引起的鐵塔風(fēng)險(xiǎn)包括：

（1）電塔傾斜。鄰近隧道基坑開挖卸載和運(yùn)營(yíng)車輛荷載作用，對(duì)坑外與電塔間的土層產(chǎn)生應(yīng)力擾動(dòng)，從而影響土層的位移場(chǎng)，促使電塔基礎(chǔ)位移；由于隧道施工運(yùn)營(yíng)擾動(dòng)特征為由近向四周擴(kuò)散衰減，近隧道側(cè)電塔樁基位移大于較遠(yuǎn)側(cè)，導(dǎo)致電塔出現(xiàn)傾斜；

（2）整體失穩(wěn)。基坑開挖支護(hù)過程，整體穩(wěn)定性不足會(huì)引起電塔地基滑動(dòng)，誘發(fā)電塔整體失穩(wěn)破壞，造成極壞的社會(huì)影響和重大的經(jīng)濟(jì)損失；

（3）局部失穩(wěn)。鐵塔自身設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量等可能的缺陷，以及長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)荷載作用，局部面臨失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)，隧道運(yùn)營(yíng)循環(huán)的車輛振動(dòng)荷載會(huì)增大電塔局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過上述分析可知，隧道施工和運(yùn)營(yíng)過程中，鄰近高壓電塔存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道施工與運(yùn)營(yíng)過程自身穩(wěn)定性及鄰近電塔的力學(xué)響應(yīng)特征是十分必要的。

2 隧道施工階段高壓電塔力學(xué)響應(yīng)分析

借助數(shù)值法探索新建隧道對(duì)鄰近高壓電塔的影響，且由于新建隧道對(duì)電塔的影響通過地基土傳遞至電塔樁基，進(jìn)而影響到電塔上部結(jié)構(gòu)，電塔樁基的力學(xué)行為表征了實(shí)際電塔的響應(yīng)特征，故計(jì)算重點(diǎn)考察電塔樁基的力學(xué)響應(yīng)，以評(píng)價(jià)電塔整體應(yīng)用性狀。

2.1 計(jì)算模型與工況

模型中支護(hù)樁可等效為板樁，按下式計(jì)算板樁彈性模量[6]。

式中：Ep為混凝土彈性模量；Es為土體壓縮模量；u為相鄰樁之間的距離；d 為樁徑。將參數(shù)代入式（1），計(jì)算得到等效后的彈性模量為2.0×107kPa。

模型計(jì)算范圍選取充分考慮了基坑開挖和樁基引起的邊界效應(yīng)，參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-8]，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算模型幾何尺寸X、Y 方向分別為27 m、22 m。模型中土層利用二維平面應(yīng)變單元模擬，內(nèi)支撐采用錨定桿模擬，灌注樁通過嵌入式樁模擬。模型中第一層土采用HS 模型，下面土層用HSS 模型，且上述相關(guān)結(jié)構(gòu)則采用彈性本構(gòu)模型。整體計(jì)算模型見圖2，模型側(cè)向加水平位移和對(duì)稱約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。

圖2 計(jì)算模型

本次計(jì)算含6 個(gè)工況，即6 個(gè)計(jì)算步，地面標(biāo)高取±0.00 m，見表2。

表2 計(jì)算工況

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖3 為基坑開挖后整體位移云圖，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負(fù)。由位移云圖可知，基坑開挖后，在不平衡壓力和卸載作用下，產(chǎn)生的最大側(cè)移、沉降分別為3 mm 和5 mm，均明顯小于基坑規(guī)范位移限值，且基坑開挖后整體穩(wěn)定系數(shù)為1.825，也明顯大于規(guī)范要求，說(shuō)明基坑支護(hù)方案能夠滿足自身穩(wěn)定要求。

圖3 基坑開挖完位移云圖

圖4 為隧道基坑開挖誘發(fā)的電塔樁基位移，可見，靠近基坑第一排樁最大位移為4.13 mm，第二排樁最大位移2.5 1 mm，均出現(xiàn)在樁頂，由此產(chǎn)生的傾斜為0.011%，顯著小于規(guī)范[9]規(guī)定的1%限值。

圖4 基坑開挖誘發(fā)的電塔樁基位移

3 隧道運(yùn)營(yíng)階段高壓電塔力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 計(jì)算模型與工況

動(dòng)力計(jì)算中邊界施加彈簧阻尼邊界，利用單位面積上的阻尼常數(shù)施加邊界，使截取的有限土體與外部無(wú)限土體之間進(jìn)行能量交換，滿足波透過虛擬邊界輻射至無(wú)窮遠(yuǎn)處的輻射條件。 阻尼采用Rayleigh 阻尼表達(dá)式為[10]：

式中：[C]為阻尼矩陣；[M]為質(zhì)量矩陣，[K]為剛度矩陣；α 質(zhì)量阻尼系數(shù)；β 為剛度相關(guān)阻尼系數(shù)。由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知阻尼系數(shù)Cs=ρνs，Cp=ρνp，式中νs、νp分別表示剪切波和縱波的波速，ρ 為介質(zhì)密度。由彈性力學(xué)知識(shí)可知，介質(zhì)中波的傳播速度是常數(shù)，它取決于介質(zhì)的彈性模量E、泊松比ν 及密度ρ，可表示為：

通過計(jì)算得到不同土層對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)。對(duì)于動(dòng)力計(jì)算模型中的彈性邊界，借助地基彈簧實(shí)現(xiàn)，采用經(jīng)驗(yàn)公式（5）計(jì)算，式中k0為土層側(cè)壓力系數(shù)，Es為土層的壓縮模量，通過計(jì)算得到不同土層k 值。

采用描述車輛波動(dòng)的諧波穩(wěn)態(tài)荷載來(lái)進(jìn)行車輛荷載的變化分析，具體表示如下[12]：

式中：P 為恒定荷載，取輪壓；λ 為動(dòng)荷載系數(shù)；T 為荷載作用周期；V 為車輛速度；L 為輪胎接觸面積半徑，通過計(jì)算得到車輛荷載見圖5。車輛通過時(shí)間一般為0.01～0.1 s，取單點(diǎn)作用時(shí)間為0.05 s。由前所述可知，列車移動(dòng)荷載經(jīng)過模型范圍（X 方向長(zhǎng)度）所需時(shí)間為20/36/3.6=2 s。

圖5 車輛正弦荷載

計(jì)算模型幾何尺寸X、Y、Z 方向分別為38 m、20 m 及19 m。模型中土層和結(jié)構(gòu)均利用三維實(shí)體單元模擬，基坑支護(hù)樁通過剛度等效為板樁[6]，通過殼單元模擬。模型中土層采用M-C 模型，相關(guān)結(jié)構(gòu)則用彈性本構(gòu)模型，三維計(jì)算模型見圖6。

圖6 車輛荷載動(dòng)力計(jì)算模型

動(dòng)力計(jì)算含2 個(gè)工況，即2 個(gè)計(jì)算步，具體見表3。汽車移動(dòng)荷載以節(jié)點(diǎn)動(dòng)力荷載的形式加到路面上。

表3 計(jì)算工況

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，1 s 時(shí)對(duì)應(yīng)的樁基受到的擾動(dòng)最明顯，因此取該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的位移進(jìn)行分析。圖7 為工況2，即車輛荷載引起的總體模型位移云圖，水平、豎向在車輛荷載作用下最大位移為0.41 mm、0.66 mm。圖8 為工況2 樁基位移云圖，由車輛荷載引起的樁基最大水平和豎向位移分別為0.13 mm、0.04 mm，對(duì)應(yīng)的電塔傾斜度為0.0007%，說(shuō)明隧道運(yùn)營(yíng)階段車輛荷載對(duì)電塔影響細(xì)微，隧道運(yùn)營(yíng)能保證電塔的安全穩(wěn)定。

圖7 1 s 對(duì)應(yīng)的整體模型位移云圖

圖8 1 s 對(duì)應(yīng)的電塔樁基位移云圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于鄰近隧道施工和運(yùn)營(yíng)力學(xué)擾動(dòng)特征，可能誘發(fā)高壓電塔傾斜、整體失穩(wěn)及局部失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，有必要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道施工和運(yùn)營(yíng)過程鄰近高壓電塔的力學(xué)響應(yīng)特征；

（2）隧道基坑開挖產(chǎn)生的土層最大水平位移為8.5 mm，最大沉降為5 mm，整體安全系數(shù)為1.837，均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明基坑支護(hù)方案可行，能滿足整體穩(wěn)定要求；

（3）隧道開挖時(shí)，誘發(fā)的前、后排電塔樁基最大位移為4.13 mm、2.51 mm，均出現(xiàn)在樁頂，由此產(chǎn)生的傾斜為0.011%，顯著小于50 m 以下高度規(guī)范規(guī)定的1%限值；

（4）隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)，車輛循環(huán)荷載引起的土層最大水平、豎向位移分別為0.41 mm 與0.66 mm，電塔樁基出現(xiàn)的最大位移為0 . 13 mm ，對(duì)應(yīng)傾斜度為0.000 7%，均顯著小于規(guī)范允許值。通過計(jì)算分析可判斷，新建隧道施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)電塔的影響很細(xì)微，能保證電塔的安全穩(wěn)定。

盡管隧道建設(shè)方案具備可靠性，但考慮到實(shí)際實(shí)施存在不可預(yù)知的其他風(fēng)險(xiǎn)，建議加強(qiáng)隧道建設(shè)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在隧道與電塔間設(shè)置2 排?42 袖閥管跟蹤注漿，進(jìn)一步確保電塔的安全穩(wěn)定。