浅埋铁路隧道下穿高压输电铁塔的工法研究

轩俊杰，赵天明

（1.西北民族大学,甘肃 兰州 730000;2.中铁十七局二公司，陕西 西安 710043）

浅埋铁路隧道下穿高压输电铁塔的工法研究

轩俊杰1，赵天明2

（1.西北民族大学,甘肃 兰州 730000;2.中铁十七局二公司，陕西 西安 710043）

以九景衢铁路的汪桥隧道为工程依托，以风险分析为基础，结合监控量测和数值模拟手段对施工方案进行了综合分析计算，对之前提出的“地表注浆加固+机械开挖+加强设计支护参数+沉降监测”的综合性施工方案进行了可靠性论证。实践证明，该工法条件下，隧道拱部沉降及山体高压电塔的变形都在合理范围之内，技术经济效果十分明显，可为今后类似工程提供借鉴。

浅埋大跨；隧道；下穿；监控量测；数值模拟；工法

0　引　言

在山岭隧道施工过程当中，会不可避免地遇到下穿山体表面既有建（构）筑物的情况，例如山顶的房屋建筑、引水渠、高压输送电铁塔等。高压输电铁塔作为一种高耸空间结构，是输电线路中的主要承力构件，其具有自身刚度较小、独立基础塔基、对地基不均匀沉降异常敏感等特点。隧道邻近高压输电铁塔施工时，地层开挖引起的位移易导致铁塔塔基发生不均匀沉降，严重时可致铁塔倾斜或倒塌，危及国家电网的正常运营和生命财产安全，施工风险极高。

本文的依托工程九景衢铁路汪桥隧道开挖跨度超过12m，下穿220kV高压输电铁塔，下穿处最大埋深25.16m。若拆移铁塔则会导致造价高、风险大、工期长等问题。故在不改移铁塔的前提下，如何减小隧道开挖对输电铁塔受力及变形的影响，保证其正常运营是该工程的难点。

1　工程概况[1]

1.1隧道概况

汪桥隧道位于鄱阳县金盘岭镇附近，穿越残丘区，起始里程DK92+005，终止里程DK92+233，为双线隧道，全长228m。隧道最大埋深27.42m，围岩整体性较差，以粉质黏土、砂质板岩、变质砂岩为主。隧道范围内表层土为第四系粉质黏土，厚度约0.5～1.5m，下伏基岩为元古界双桥群砂质板岩，全～弱风化，薄～中厚层状，岩芯较破碎，岩体节理裂隙发育。

隧道在DK92+097～+103段下穿220kV高压铁塔，埋深26m。洞身穿越段埋深浅、岩体破碎、节理发育，局部含水，施工中可能会出现坍塌、变形等风险事件。

1.2高压输电铁塔概况

根据现场踏勘，隧道上方高压电铁塔塔形为220kV双回路直线塔，铁塔高度约33m，铁塔重量约15t，铁塔底基的根开为6m×6m，基础形式为独立桩基础，基础顶为1m×1m方形截面，桩长8m。铁塔基础在隧道横断面方向左右高差为3.2～3.7m。隧道与铁塔基础之间关系如图1所示。

图1　隧道与高压铁塔位置横断面示意图（单位：m）

1.3隧道开挖及支护方案

设计超前支护措施为Φ89洞身长管棚+Ⅱ型超前小导管预支护，四步CD工法开挖，开挖后采用3m径向注浆。初期支护厚度28cm，二衬厚度50cm。喷射混凝土：拱墙喷射C25混凝土，仰拱喷射C25混凝土；钢筋网：HPB300钢筋，直径6mm；锚杆：边墙采用C22砂浆锚杆；拱墙：C35钢筋混凝土：仰拱：C35钢筋混凝土。详细开挖步骤及衬砌断面结构如图2所示。

图2　开挖步骤及衬砌断面结构图

2　工程风险分析

2.1局部失稳破坏风险

铁塔在自身结构设计、钢材抗疲劳性能、使用年限、外载作用（风载、暴雨、地震动载）等方面可能存在有隐患，将会面临局部失稳破坏的风险，现又在其下方进行大断面隧道施工，这将会进一步加剧铁塔局部失稳的风险。

2.2整体倾斜和沉降变形风险

隧道上方覆层薄、跨度大，开挖行为对铁塔的稳定性影响将会十分明显，外负荷载不对称且铁塔基础为独立桩基础。故塔基极易发生不均匀沉降，导致铁塔倾斜变形，引起杆件变形或局部破坏过大，可能导致铁塔的整体倾覆。另外，隧道开挖对地层的扰动势必会导致铁塔整体下沉，若铁塔沉降过大，档距、运行张力、对地距离等输电线路元素状况将发生改变，导致线路无法安全输电[2]。

铁塔倾斜过度甚或倒塌，都将会使输电线路中断，造成极坏的社会影响，造成无法估量的经济损失。目前对于高压输电铁塔这样的高耸结构物的抗变形能力和受力机理又尚不明确，加之汪桥隧道埋深浅、跨度大，施工开挖势必多次扰动围岩稳定性，从而对铁塔稳定性产生巨大影响。

3　监控量测方案及结果

3.1监测方案

（1）观测依据采用的国家标准和规范

规范及规程采用了以下要求：《国家一、二等水准测量规范》（GB12897-2006）；《建筑变形测量规程》（JGJ8-2007）；《110～750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）[3]。

（2）技术方案

沿高压铁塔的基础纵横轴线设点，每一个基础布设了1个监测点，隧道拱部设置3了个点。本次沉降观测从外业数据采集，到内业数据处理，均按国家二等水准测量的相关规定来执行，各项限差及精度要求均满足国家二等水准测量规范。

3.2监测结果分析

将塔基上4处测点TT1、TT2、TT3、TT4在2015年5月至6月底的沉降量大小绘制出位移时态曲线，如图3所示。

图3　高压电塔沉降观测时态曲线图

曲线表明：4个监测点在开挖初期的沉降量较大，个别的反弯点可能是由于四步CD法中开挖后支护的强度尚未达到所致。随后进入缓慢变形阶段，持续大概20d后，进入基本稳定状态，沉降量发展极小。此时隧道的开挖工作面已经穿越山体表面的高压铁塔，空间效应影响日趋减小。4处塔基的沉降值均值为10.65mm，远远小于规范要求。

4　有限元模拟分析（MIDAS/GTS）

4.1计算模型

选取隧道横向各40m、隧道下部30m、隧道拱顶距地表面25.16m的区域，利用MIDAS/GTS软件建立有限元模型，如图4所示。模型顶面为自由面，底面为竖向约束，左右边界为水平约束。计算中隧道围岩及支护结构采用二维实体单元，围岩按两层考虑，上层为粉质黏土，下层为风化砂质板岩。

施工阶段步骤为：初始应力阶段→左上开挖→左上支护→左上喷混凝土硬化→左下开挖→左下支护→左下喷混凝土硬化→右上开挖→右上支护→右上喷混凝土硬化→右下开挖→右下支护→右下喷混凝土硬化→拆除临时支撑。

4.2计算假定

本模型受力及变形情况异常复杂，为便于计算，本文在此做简化处理：高压铁塔简化为梁桁混合模型，即下部4根主材简化为梁单元，截面尺寸与实际完全相同，上部结构全部简化为桁架单元；塔基为桩基础单元，锚杆为植入式桁架单元。铁塔所受外载简化为电线挂点处的纵向、横向和垂向的集中力分量；注浆及管棚加固方面，在计算中以等效原则通过提高周边围岩参数来实现模拟；塔身、塔基与地层通过绑定与耦合实现接触[2]；计算模型的本构模型采用莫尔–库仑屈服准则。根据以往经验，二次衬砌阶段荷载释放比例不到10%，故在本文的计算模型中不考虑二衬，计算模型在开挖时荷载释放系数设定为0.4，初期支护阶段设定为0.4，初支混凝土硬化阶段设定为0.2[4]。

4.3计算参数

计算参数依据以往类似工程的经验数据，并结合汪桥隧道现场的土工试验综合得到（见表1）。

表1　模型计算参数表

4.4计算结果

4.4.1塔身结构受力分析

由图5可以发现，塔身下部左侧主材承受压力，压力值为485kN，取角钢的有效截面面积为0.0025m2，即应力强度为194MPa；右侧主材承受拉力，拉力值为320kN，即应力强度为128MPa。取塔材角钢的设计强度为265MPa[3]，发现杆材的受力情况均在承载能力范围之内，不会导致钢材应力疲劳而发生断裂。

4.4.2塔基变形及受力分析

以下是铁塔桩基的受力及变形情况如图6、图7所示。

图5　塔身下部结构轴力图

图6　桩基轴力分布图

图7　桩基垂直位移结果标记图

由图6可以看出，塔基的受力并不大，均为压应力。取截面面积为1m2，则左侧桩基的平均轴力为1.486MPa，右侧桩基的平均轴力为0.891MPa，桩基为钢筋混凝土，受力均在承受范围之内。

由图7可以看出，桩基的位移值较小，其中桩底的水平位移为左侧2.4mm、右侧1.6mm；垂直位移为左侧8.4mm、右侧8.7mm。参考《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）中对高度在50～100m建筑物的变形控制量，最大沉降允许值为400mm，倾斜允许值为5‰[5]。由此可见，本隧道的开挖对地表的高压电铁塔带来的影响很小，铁塔处于安全状态。4处塔基的现场实测沉降值均值为10.65mm，与模拟值相比较，二者基本处于一个数量级。

4.4.3隧道变形分析

从图8可以看出，在CD四步开挖法中采用的“地表注浆加固+机械开挖+加强设计支护参数+沉降监测”的综合性施工方案行之有效，严格控制了隧道拱部的沉降变形。图中拱部3个计算点的均值为12.33mm，边墙处的净空收敛值左侧为0.7mm，右侧为1.0mm。这些都满足《公路隧道设计规范》（JTJD70-2004）[6]中对围岩开挖变形量的要求。

图8　隧道拱部沉降结果标记图

5　结论

（1）通过对汪桥隧道下穿220kV高压输电铁塔施工方案可靠性论证，，结果显示出CD四步开挖法中采用的“地表注浆加固+机械开挖+加强设计支护参数+沉降监测”的综合性施工方案十分有效，减小了铁塔的不均匀沉降，铁塔受力与变形均在容许的范围之内，铁塔整体结构安全，避免了隧道开挖导致铁塔沉降和变形破坏。

（2）隧道的监测数据情况与数值模拟计算结果比较发现：大多数数据十分拟合，位于同一个数量级，但也有个别数据存在较大差异。拟合之处主要是隧道与铁塔在仅考虑平面应变问题时的变形发展趋势近似，对影响结果的判定大致相同；差异之处可能是现场施工的干扰和影响因素较多，导致监测数据出现了误差，又可能因为数值模拟所采用的岩土体的物性参数与实际情况有些许误差。关于物性参数反分析工作将会在今后展开。

[1]中铁上海设计院集团有限公司.九景衢铁路两阶段施工设计图[Z].上海：中铁上海设计院集团有限公司.

[2]阳军生，杨元洪，等.大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用 [J].岩石力学与工程学报，2012，31（6）：1186-1188.

[3]GB50545—2010，110～750kV架空输电线路设计规范[S].

[4]轩俊杰.黄土隧道变形规律研究[D].西安：长安大学，2008.

[5]GB50135-2006，高耸结构设计规范[S].

[6]JTJD70-2004，公路隧道设计规范[S].

U455

B

1009-7716（2016）11-0150-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.11.043

2016-07-20

轩俊杰（1981-），男，青海西宁人，讲师，从事岩土与地下工程教学与研究工作。