大跨隧道下穿高压输电铁塔施工技术

彭 浩

(中铁十一局集团第一工程公司，湖北 襄阳 441104)



大跨隧道下穿高压输电铁塔施工技术

彭 浩

(中铁十一局集团第一工程公司，湖北 襄阳 441104)

摘要：三车道大跨度周山隧道下穿高达36.5 m的高压输电铁塔。为保证高压电塔的安全，采用将电塔原独立基础用钢筋混凝土板连接成整体、洞内采用双层小导管注浆超前支护、加强初期支护，并结合CRD分部开挖法施工方案。采用三维数值模拟方法验证了施工方案的可行性。施工过程中铁塔基础沉降位移监测结果表明，所采用施工方案既保证隧道安全，又保证了铁塔安全。

关键词：大跨隧道；下穿施工；高压电塔；CRD法

1 工程概况

洛阳西环路周山隧道是为改善既有孙辛路的纵坡通行条件及保护周山森林公园环境并结合二环路而建，位于洛阳市高新区后五龙沟村与周山森林公园之间。隧道为三车道分离式双洞结构，隧道左洞长1 908 m，右洞长1 891 m。隧道最大埋深72 m，平均埋深40 m，主洞最大开挖跨度16.2 m。

隧址区为黄土丘陵地貌单元，地形起伏较大。地表植被发育，多为耕地及果园。隧道下穿多座民房、工业厂房，两次下穿公路及9座高压电塔。其中7# 220 kV高压铁塔位于隧道左线中线左侧6.5 m，为九都到龙门的输电线路，承担洛阳市近1/6的供电负荷，施工难度最大。

隧址区为黄土丘陵地貌。下穿7#电塔段(中心里程：ZK2+628)地质情况为：地表为0.50～2.3 m的杂填土，粉质粘土、细砂、钙质胶结层、全～强风化泥质砂岩及粉砂岩，洞身所在地层为粉质粘土层等。隧址区地表水不发育，勘探期间勘探深度内未见地下水。此处隧道埋深约40 m。

2 电力铁塔基础变形控制基准

2.1 高压铁塔基础情况

根据电力部门提供的资料，电力铁塔塔身为四角钢架结构，电力铁塔基础为4个独立的台阶式混凝土扩大基础，塔身及电线重量由4个电力铁塔基础分别承担(图1)，基础形式如图2所示。其中基础埋深H=4.25 m，基础底面宽D=4.9 m，基础根开A=B=8.32 m，塔高36.5 m，塔重1 128 kN。

图1 电力铁塔基础形式图

图2 电力铁塔基础尺寸示意图

2.2 高压电塔变形控制基准

虽然也出现过多次隧道下穿高压铁塔的施工案例[1-3]，但均未给出铁塔基础的沉降控制基准。《架空输电线路运行规程》给出了高度在50 m以下直线杆角钢塔倾斜度允许值的规定为1%，但未对绝对沉降量明确规定，因此根据该规程要求周山隧道施工引起7#电塔的倾斜度允许值为1%。但袁广林等采用有限元数值模拟分析得出采用Q235角钢构件组成的铁塔在仅单个基础发生沉降位移达到5%根开时构件未出现屈服。鉴于此处铁塔已经服役多年，可以按仅有一侧基础发生沉降量为1%根开时作为隧道施工引起的最大允许沉降，即[U]=1%A=82 mm。由此可以制订施工管理基准如下：

3 施工方案

3.1 电塔基础加固

将高压铁塔4个独立基础连接为整体，原塔基与整体基础连接处钻孔，钻孔呈梅花型布置，然后植入钢筋并采用锚固剂加固，钢筋与基础钢筋焊接。整体基础采用C30钢筋混凝土，厚度为100 cm，铁塔加固方案如图3所示。

图3 整体基础加固示意图

3.2 隧道洞内控制措施

在7#号电塔前后共40 m范围内进行洞内加强超前支护和初期支护，控制隧道变形。

3.2.1 超前支护

采用沿隧道拱部150°范围内布置壁厚3.5 mm的∅42 mm注浆小导管做超前支护。小导管采用热轧无缝钢管，管壁四周钻∅8 mm的压浆孔，孔距20 cm，梅花形布置，钢管前端10 cm 加工成圆锥形，钢管尾部1 m不设注浆孔。小导管长5 m，环向间距40 cm，层距50 cm，外插角10～13°，采用YT-28 型汽腿式凿岩机钻孔；注水灰比1∶1的水泥浆，注浆压力0.5～1.0 MPa，相邻两环搭接2 m。

3.2.2 施工方法及支护参数

为了控制地表沉降，采用CRD法进行隧道施工，各部台阶长度控制在4.2 m。支护采用HW175型钢拱架，间距0.6 m，相邻两榀钢架之间用∅22 mm螺纹钢筋在钢架内、外交错连接，钢架接头处均搭设∅42 mm注浆钢管进行锚固，喷C25钢纤维混凝土，厚度28 cm。临时支护采用I20b，间距0.6 m，并喷厚度24 cm的C25混凝土。

3.3 施工方案的可行性数值模拟

3.3.1 计算模型及参数

计算模型范围按左右边界距隧道中心线距离3～5倍洞径考虑[4]，底部边界距隧道底部的距离按3～5倍隧道高度考虑。指定沿隧道轴线开挖方向为y轴正向，竖直向上为z轴正向，隧道掘进横断面向右方向为x 轴正向，整个计算模型在x、y、z三个方向尺寸为150 m×60 m×90 m(隧道拱顶到模型上表面的距离为40.3 m)，模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为自由边界。围岩及初期支护结构均采用八节点六面体单元来模拟，模型共划分了83 640个节点和79 100个单元。三维计算模型及局部网格见图4。每个开挖计算步为0.6 m，开挖下一步时施作上一步支护，台阶长度4.2 m，右线隧道超前30 m。将电塔自重作为集中力等分施加在4个基础之上。

图4 计算模型图

地层及超前支护注浆加固区均视为摩尔—库仑理想弹塑性材料，支护结构均视为弹性材料。钢架在计算模拟时根据抗弯刚度等效原理来提高初期支护的弹性模量。地层物理力学参数参照地勘资料确定。地层和支护的物理力学指标见表1。

3.3.2 计算结果及分析

(1) 隧道施工完成后隧道拱顶沉降及各开挖分部断面收敛如图5所示，电塔基础沉降云图如图6所示。

从图5可知，隧道施工过程中拱顶沉降显著大于各分部水平收敛，拱顶右侧沉降大于左侧，拱顶最大沉降量为82.5 mm。电塔基础最大沉降出现在右下角，最大沉降值为43.5 mm，小于上述管理基准Ⅱ的上限，因此采用此施工方案可以保证隧道施工安全。

表1 地层和支护的物理力学性能指标

图5 隧道拱顶沉降及断面收敛

图6 基础沉降云图

(2) 图7和图8分别为隧道施工完成后支护结构及临时支护的最大拉应力及压应力。

图7 支护结构及临时支护最大拉应力(单位：Pa)

图8 支护结构及临时支护最大压应力(单位：Pa)

从图7和图8可以看出，支护最大拉应力出现在拱部左侧与临时竖向支撑连接部位，最大拉应力为5.48 MPa，由于钢架刚度大，安装早，所以拉应力主要由钢架承担；竖向临时支护及两侧墙中处压应力较大，最大压应力在竖向临时支护处，为14.84 MPa，由此可见隧道支护结构受力也是安全的。

4 施工效果

在隧道施工过程中在高压电塔原4个基础上布设4个沉降测点，监测其沉降位移以指导施工，电塔基础四角沉降位移曲线如图9所示。

图9 基础的4个角点的沉降曲线

从图9可以看出，高压电塔的4个角点的最终沉降位移大小依次为右后、右前、左后和左前，与计算结果基本一致。基础最大沉降位移在右后角，为40.3 mm，小于管理基准Ⅱ上限，与计算结果比较接近。基础最大倾斜0.52%，小于前述倾斜允许值。

5 结论

在隧道施工过程中对电塔基础沉降位移进行监测，结果表明：电塔基础的最大沉降位移40.3 mm，最大倾斜为0.52%，均在安全范围之内，保证了隧道施工及高压电塔的安全。

参考文献

[1]张震, 钟放平,阳军生.大跨度隧道下穿高压输电铁塔施工技术研究[J].公路工程，2013,38(4)：153-156

[2]徐茂兵．区间隧道通过既有高压铁塔加固方案[J]．现代隧道技术，2002，39(5)：48-52

[3]张宁.浅埋大跨隧道下穿110 kV 高压电塔控制沉降技术[J].现代隧道技术，2013,50(6):184-188

[4]袁广林，杨庚宇，张云飞．地表变形对输电铁塔内力和变形的影响规律[J]．煤炭学报，2009，34(8)：1043-1047

Construction Techniques for Large-Span Tunnels Under-Crossing the High-Voltage Transmission Tower

Peng Hao

(The 1st Engineering Co. Ltd. of the 11th Bureau Group of China Railway,Xiangyang 44114,China)

Abstract:The 3-lane,large-span Zhoushan Tunnel is designed to run underneath a high-voltage transmission tower with the height of 36.5 m.In order to ensure the security of the tower,the following construction schemes are carried out in which the original four independent foundation blocks of the tower are combined into a whole with reinforced slabs,the double-layer small grouting pipes and initial strengthening support structures are adopted for construction inside the tunnel and the CRD sectioned excavation is performed.The three-dimensional numerical method is used to verify the effectiveness of the schemes.The monitored results of the settlement and displacement of the tower foundation in the course of the construction show that the chosen construction schemes ensures the security of both the tower and the tunnel itself.

Key words:large-span tunnel;under-crossing construction;high-voltage tower;CRD excavation method

收稿日期：2016-01-18

作者简介：彭浩(1982—)，男，工程师，主要从事铁路、公路施工及技术管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.016

中图分类号：U455

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0059-04