小凈距隧道下穿高壓鐵塔施工控制技術

以西南地區某大跨小凈距下穿高壓線隧道為依托工程，該工程需要在小凈距條件下穿一條330 kV高壓輸電線路，對施工要求極高。針對隧道埋深較淺、與高壓線鐵塔凈距較小等困難，采用多次開挖爆破的方式，并綜合利用光面爆破、控制裝藥量、設置減震孔等方式減小對高壓線鐵塔及結構的影響。為保證工程的順利進行，利用大型有限元分析軟件對開挖全工程進行仿真模擬，對比全斷面法及中隔壁法（CD法）施工對圍巖和高壓電鐵塔的影響，發現CD法可以有效地控制圍巖以其上鐵塔的位移以及不均勻沉降。

隧道； 高壓鐵塔； 施工控制

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-12-10

［作者簡介］邵子萌（1997—），男，碩士，主要從事隧道管片結構與圍巖穩定研究工作。

隧道的施工過程是巖體與隧道重新構建平衡的過程，在此過程中伴隨應力的改變周圍既有建筑物不可避免會產生一定的影響，如何盡量地降低由施工帶來的不利影響，并保證已有建筑物的安全和使用性能是隧道施工中所著重考慮的問題。高壓輸電線路在國家電網中有著極為重要的地位，是向偏遠地區輸電的主力，一旦受到隧道開挖的影響產生傾斜和沉降，將直接影響其輸電功能的實現，從而導致部分地區出現用電問題［1-2］。對于此類情況一般采取避讓的策略，使隧道與高壓鐵塔保持一定的凈距，從而保證高壓線路的安全，但由于線路選擇的局限，部分隧道與高壓鐵塔凈距較小，鑒于此，必須對小凈距下穿高壓線路的情形進行全過程的施工模擬以及監控，從而保證施工的安全性。

目前，在此方面已經有部分專家進行了系統研究，對于高速公路隧道下穿高壓線路方面，胡煥校等［3］以及沈增輝［4］，以李家沖公路隧道為案例進行了施工模擬，探究了以地表注漿的方式控制高壓鐵塔沉降的效果。陽軍生等［5-6］則從技術以及方案等方面對于大斷面下穿高壓線鐵塔進行了深入研究，分析了各種施工策略的利弊，為后續施工研究打下了堅實的基礎。徐茂兵［7］及張文等［8］從數值分析進行切入，研究各種施工方法對鐵塔中變形以及各種內力的影響，從而揭示鐵塔的變形以及破壞規律。此類研究多針對于大斷面的高速公路隧道，對于新奧法原理施工的小凈距隧道仍然缺少一整套的施工模擬以及控制技術研究，對此本文以西南地區某大跨小凈距下穿高壓線隧道為案例，結合數值模擬與施工實測分析隧道對其上的高壓鐵塔的影響。

1 工程概況

本文以西南地區某大跨小凈距下穿高壓線隧道為依托工程，隧道設計時速為80 km/h，雙向四車道高速公路建設標準。隧道左線長261 m，右線長280 m，洞頂為短隧道，隧道建筑限界采用與路基段同寬：硬路肩進洞設計。隧道左洞最大埋深約57 m，右洞最大埋深約49.5 m。隧道單洞建筑限界寬為12.75 m，限界高為5.0 m，單洞開挖寬度約為15.6 m，隧道左右設計線間距15.68 m，采用復合式襯砌，屬小凈距隧道。

根據區域地質資料及本階段地勘資料揭露，并結合工程地質測繪資料，隧址區第四系覆蓋層主要由第四系上更新統沖洪積粉土、圓礫、碎石等組成；隧道下穿段下伏巖層為白堊系下統河口群上段砂巖、礫巖與泥巖不等厚互層巖層組成。

隧道左線下穿高壓鐵塔，下穿區段隧道與高壓鐵塔最小豎向凈距為53 m。隧道下穿高壓鐵塔區段襯砌結構布置情況如圖1所示。圍巖為強、中等風化礫巖、砂巖，節理裂隙較發育、Vp=2430～2800 m/s、巖體較破碎，呈裂隙塊狀結構或中、巨厚層結構，巖層走向與隧道走向呈約25°相交、傾角在5°～10°之間。地下水類型為基巖裂隙水，富水性弱。

2 開挖方法

隧道按照新奧法原理施工，應遵循“弱爆破、短開挖、早閉合、勤量測、襯砌緊跟”的原則，并結合反饋信息及時優化調整設計參數，信息化施工。為盡量減少對高壓鐵塔的影響使用CD法進行開挖，并對比模擬全斷面開挖方法以獲取施工控制效果。

下穿高壓鐵塔段開挖過程中，盡量降低隧道爆破振動影響，綜合采用光面爆破技術，并控制裝藥量、設置減震孔，減小對高壓鐵塔及周圍結構的影響，爆破震動速度應不大于1.5 cm/s。其具體開挖過程可以表述為：

（1）施工前應進一步調查、核實隧道影響范圍內電力設施、高壓鐵塔分布情況、位置關系及其基礎等相關資料。

（2）施工前應根據《中華人民共和國電力法》《電力設施保護條例》《電力設施保護條例實施細則》等法律法規，結合地方實際情況編制專項施工保護方案及施工監測專項方案，經相關主管部門審批后方可實施。

（3）下穿高壓鐵塔段隧道應采用短進尺開挖，及時支護，嚴格控制地表沉降。根據DL/T 5219-2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》，按不同桿塔高度，控制地基變形最大傾斜率，對于桿塔高度小于50 m時，控制最大地基傾斜率為0.006。

（4）施工期加強鐵塔監控量測。各時期鐵塔各腿沉降差均應小于30 mm，各基礎水平位移應小于10 mm；鐵塔基礎最大沉降應小于200 mm，穩定沉降速率應小于0.3 mm/d。

3 數值模擬

為評估隧道開挖過程中，既有建筑結構最不利受力及變形狀態，模擬計算中開挖過程與實際一致。CD法具體模擬步驟為：左洞右上導洞開挖、左洞右下導洞開挖、左洞左上導洞開挖、左洞左下導洞開挖、右洞左上導洞開挖、右洞左下導洞開挖、右洞右上導洞開挖、右洞右下導洞開挖；而全斷面開挖方法則使用程序模擬全斷面一次開挖。

輸電塔荷載大小與塔型選擇、導線截面、氣象條件、使用檔距、地理位置相關，根據相關設計施工經驗，輸電鐵塔重量可取為12 t，加上導線荷載及其他無器件重度，為考慮最不利條件，此處取總計算荷載為20 t。

輸電塔基礎為4根獨立基礎，基礎間距約為5.5 m，施工過程中，取輸電塔豎向荷載為平均荷載，荷載大小為8 kN/m2。

隧道暗挖施工模擬過程中，襯砌采用梁單元。模型各結構尺寸均按設計參數采用。二維平面有限元模型如圖2所示。模型邊界條件：底邊為二向位移約束，側面為法相位移約束，頂面出基礎承受荷載外其余為自由面。

為對比施工過程中2種施工方式對高壓鐵塔的影響，左側硐室使用全斷面開挖以及CD法進行施工圍巖及結構位移如表1、圖3所示。

CD法施工左洞開挖完成后，洞周圍巖最大水平位移為6.0 mm，最大沉降為11.2 mm，最大隆起為14.6 mm，結構最大水平位移為0.4 mm，最大基礎下沉為3.4 mm，不均勻沉降為0.03 mm。隧道開挖過程中，基礎變形較小，滿足DL/T 5219-2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》控制最大地基傾斜率為0.006的要求。而全斷面法開挖，洞周圍巖最大水平位移為10.0 mm，最大沉降為18.2 mm，最大隆起為24.4 mm，結構最大水平位移為0.7 mm，最大基礎下沉為5.41 mm，不均勻沉降為0.04 mm。全斷面開挖的各項位移數據均大于CD法施工。為進一步研究施工過程中施工方法對高壓電鐵塔的影響，在開挖完成后圍巖及結構位移如表2、圖4所示。

開挖完成后，洞周圍巖最大水平位移為6.5 mm，最大沉降為13.5 mm，最大隆起為13.8 mm，結構最大水平位移為1.0 mm，最大基礎下沉為6.1 mm，最小基礎下沉為5.8 mm，不均勻沉降為0.39 mm。隧道開挖過程中，基礎變形較少，滿足DL/T 5219-2014《架空輸電線路基礎設計技術規程》控制最大地基傾斜率為0.006的要求。而全斷面開挖雖然也滿足規范要求，但圍巖水平位移較CD法大4.3 mm，豎向位移大10.6 mm，高壓電鐵塔基礎的不均勻沉降達到0.64 mm，遠大于CD法施工，綜上從施工的全過程來看，CD法施工可以很好地控制硐室圍巖和基礎的變形，減少隧道施工對其上高壓電鐵塔的影響。

4 結論

隧道由于小凈距下穿高壓線路，對隧道的施工要求極高，為保證其上330 kV高壓線路鐵塔的安全，在施工中制定一系列的安全保證措施，從硐室圍巖位移和高壓鐵塔的沉降2個方面進行控制。為保證施工的順利進行，使用大型有限元程序GTS進行全過程全方位的施工模擬，通過仿真分析發現，為控制圍巖位移以及高壓電鐵塔沉降必須使用CD法進行施工，在開挖過程中圍巖的位移可以控制在15 mm以內，而高壓鐵塔的最大沉降為6.1 mm，滿足規范的相關要求。建議在此類大跨小凈距下穿高壓線隧道施工使用CD法進行施工減少單次開挖面積，為進一步減少由于爆破帶來的影響，利用光面爆破并對單次裝藥量進行控制，進而保護其上高壓輸電線路的安全。

參考文獻

［1］ 張建強. 采空區架空輸電線路安全性評估及預防技術研究［D］.北京：華北電力大學（北京），2008.

［2］ 徐霞飛，龔球，徐舟.大跨度隧道下穿敏感高壓電塔施工結構穩定控制研究與應用［J］.湖南交通科技，2015，41（2）：159-161.

［3］ 胡煥校，吳高權，沈增輝.淺埋大跨隧道穿高壓鐵塔的注漿效果研究［J］.水資源與水工程學報，2012，23（5）：85-88.

［4］ 沈增輝. 淺埋大跨隧道下穿高壓鐵塔的裂隙巖體注漿效果研究［D］.長沙：中南大學，2012.

［5］ 陽軍生，楊元洪，晏莉，等.大斷面隧道下穿既有高壓輸電鐵塔施工方案比選及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（6）：1184-1191.

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［7］ 徐茂兵.區間隧道通過既有高壓鐵塔加固方案［J］.現代隧道技術，2002（5）：48-53.

［8］ 張文，劉玉河，孫楹森.龍口洼里煤礦高壓線鐵塔下采煤的觀測與分析［J］.礦山測量，1999（4）：17-19.