鄰近明挖隧道施工及運營對高壓電塔的影響分析

蔣昌鋒

（廣州市政府投資項目研究評審中心，廣東 廣州 510500）

0 引言

高壓電塔為典型的高聳結構，具有整體剛度小、基礎相互獨立、對傾斜度非常敏感等特點。鄰近高壓電塔隧道建設時，若地層位移控制不當，易導致電塔塔基發生不均勻沉降，甚至導致電塔倒塌，危及電力線路的正常運營和生命財產安全[1-2]，因此開展鄰近工程建設對高壓電塔的影響研究，并制定合理可行的實施方案至關重要。現有鄰近高壓電塔的各類工程誘發的影響研究中，大多探索下穿隧道施工對上覆電塔的穩定性分析[3-5]，對于側向隧道施工及運營對高壓電塔的影響卻鮮見報道。

基于此，以廣州某鄰近220 kV 高壓電塔明挖隧道實例為依托，提出了隧道實施高壓電塔可能存在的風險，借助數值法建立隧道基坑開挖和運營車輛荷載作用的靜、動模型，計算分析隧道施工和運營擾動下高壓電塔的力學響應特征，評價隧道實施方案的可靠性。研究取得的認識可為類似工程提供良好的借鑒。

1 工程概況及風險分析

1.1 工程簡介

廣州某明挖單向兩車道隧道，設計時速40 km/h，在里程K0+186～K0+193 范圍，鄰近隧道結構邊約4.7 m 位置有220 kV 高37 m 的電塔，具體位置關系見圖1。隧道建設和運營對電塔勢必造成擾動，且主要體現在隧道基坑開挖過程和運營過程。

圖1 隧道基坑與電塔位置關系

基坑寬約10.6 m，深4 m，采用?1 m＠1.2 m 的支護樁和?0.6 m 的樁間旋噴止水。高壓電塔為鐵塔，基礎為?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。由現場勘察資料可得場地土層物理力學參數，見表1。

表1 土層物理力學參數

1.2 高壓電塔風險分析

考慮到電塔對位移，尤其是不均勻位移的敏感性，隧道施工與運營可能引起的鐵塔風險包括：

（1）電塔傾斜。鄰近隧道基坑開挖卸載和運營車輛荷載作用，對坑外與電塔間的土層產生應力擾動，從而影響土層的位移場，促使電塔基礎位移；由于隧道施工運營擾動特征為由近向四周擴散衰減，近隧道側電塔樁基位移大于較遠側，導致電塔出現傾斜；

（2）整體失穩。基坑開挖支護過程，整體穩定性不足會引起電塔地基滑動，誘發電塔整體失穩破壞，造成極壞的社會影響和重大的經濟損失；

（3）局部失穩。鐵塔自身設計、施工質量等可能的缺陷，以及長期運營荷載作用，局部面臨失穩破壞的風險，隧道運營循環的車輛振動荷載會增大電塔局部失穩的風險。

通過上述分析可知，隧道施工和運營過程中，鄰近高壓電塔存在風險。因此，準確評價隧道施工與運營過程自身穩定性及鄰近電塔的力學響應特征是十分必要的。

2 隧道施工階段高壓電塔力學響應分析

借助數值法探索新建隧道對鄰近高壓電塔的影響，且由于新建隧道對電塔的影響通過地基土傳遞至電塔樁基，進而影響到電塔上部結構，電塔樁基的力學行為表征了實際電塔的響應特征，故計算重點考察電塔樁基的力學響應，以評價電塔整體應用性狀。

2.1 計算模型與工況

模型中支護樁可等效為板樁，按下式計算板樁彈性模量[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。將參數代入式（1），計算得到等效后的彈性模量為2.0×107kPa。

模型計算范圍選取充分考慮了基坑開挖和樁基引起的邊界效應，參考相關文獻[7-8]，結合工程實踐經驗，計算模型幾何尺寸X、Y 方向分別為27 m、22 m。模型中土層利用二維平面應變單元模擬，內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，且上述相關結構則采用彈性本構模型。整體計算模型見圖2，模型側向加水平位移和對稱約束，底部加豎向約束，頂面為自由面。

圖2 計算模型

本次計算含6 個工況，即6 個計算步，地面標高取±0.00 m，見表2。

表2 計算工況

2.2 計算結果與分析

圖3 為基坑開挖后整體位移云圖，定義位移指向坐標正軸為正，反之為負。由位移云圖可知，基坑開挖后，在不平衡壓力和卸載作用下，產生的最大側移、沉降分別為3 mm 和5 mm，均明顯小于基坑規范位移限值，且基坑開挖后整體穩定系數為1.825，也明顯大于規范要求，說明基坑支護方案能夠滿足自身穩定要求。

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，均出現在樁頂，由此產生的傾斜為0.011%，顯著小于規范[9]規定的1%限值。

圖4 基坑開挖誘發的電塔樁基位移

3 隧道運營階段高壓電塔力學響應分析

3.1 計算模型與工況

動力計算中邊界施加彈簧阻尼邊界，利用單位面積上的阻尼常數施加邊界，使截取的有限土體與外部無限土體之間進行能量交換，滿足波透過虛擬邊界輻射至無窮遠處的輻射條件。 阻尼采用Rayleigh 阻尼表達式為[10]：

式中：[C]為阻尼矩陣；[M]為質量矩陣，[K]為剛度矩陣；α 質量阻尼系數；β 為剛度相關阻尼系數。由結構動力學知識可知阻尼系數Cs=ρνs，Cp=ρνp，式中νs、νp分別表示剪切波和縱波的波速，ρ 為介質密度。由彈性力學知識可知，介質中波的傳播速度是常數，它取決于介質的彈性模量E、泊松比ν 及密度ρ，可表示為：

通過計算得到不同土層對應的阻尼系數。對于動力計算模型中的彈性邊界，借助地基彈簧實現，采用經驗公式（5）計算，式中k0為土層側壓力系數，Es為土層的壓縮模量，通過計算得到不同土層k 值。

采用描述車輛波動的諧波穩態荷載來進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 為動荷載系數；T 為荷載作用周期；V 為車輛速度；L 為輪胎接觸面積半徑，通過計算得到車輛荷載見圖5。車輛通過時間一般為0.01～0.1 s，取單點作用時間為0.05 s。由前所述可知，列車移動荷載經過模型范圍（X 方向長度）所需時間為20/36/3.6=2 s。

圖5 車輛正弦荷載

計算模型幾何尺寸X、Y、Z 方向分別為38 m、20 m 及19 m。模型中土層和結構均利用三維實體單元模擬，基坑支護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，相關結構則用彈性本構模型，三維計算模型見圖6。

圖6 車輛荷載動力計算模型

動力計算含2 個工況，即2 個計算步，具體見表3。汽車移動荷載以節點動力荷載的形式加到路面上。

表3 計算工況

通過計算發現，1 s 時對應的樁基受到的擾動最明顯，因此取該時刻對應的位移進行分析。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，對應的電塔傾斜度為0.0007%，說明隧道運營階段車輛荷載對電塔影響細微，隧道運營能保證電塔的安全穩定。

圖7 1 s 對應的整體模型位移云圖

圖8 1 s 對應的電塔樁基位移云圖

4 結語

（1）基于鄰近隧道施工和運營力學擾動特征，可能誘發高壓電塔傾斜、整體失穩及局部失穩風險，有必要準確評價隧道施工和運營過程鄰近高壓電塔的力學響應特征；

（2）隧道基坑開挖產生的土層最大水平位移為8.5 mm，最大沉降為5 mm，整體安全系數為1.837，均滿足規范要求，說明基坑支護方案可行，能滿足整體穩定要求；

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

（4）隧道運營時，車輛循環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，電塔樁基出現的最大位移為0 . 13 mm ，對應傾斜度為0.000 7%，均顯著小于規范允許值。通過計算分析可判斷，新建隧道施工和運營階段對電塔的影響很細微，能保證電塔的安全穩定。

盡管隧道建設方案具備可靠性，但考慮到實際實施存在不可預知的其他風險，建議加強隧道建設過程實時監控，并在隧道與電塔間設置2 排?42 袖閥管跟蹤注漿，進一步確保電塔的安全穩定。