盾构施工对邻近高压铁塔安全影响数值分析

朱奕曜，谷任国

（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州510640）

0 引言

在充分利用城市空间、缓解交通压力方面，地铁在城市中起到越来越重要的作用。城市地铁在建设过程中，不可避免地会造成周围岩土体的扰动，进而影响城市地表密集的建筑物，甚至会造成建筑物出现裂缝、过大倾斜甚至倒塌等安全事故。故在地铁隧道开挖过程中，应时刻关注隧道开挖对既有建筑物的影响并做好防护措施。

在隧道开挖对邻近既有建筑物的影响方面，国内外学者也进行了相关研究。张姗磊[1]运用数值模拟的方法对北京地铁10号线盾构隧道施工对既有建筑物的影响进行评估分析；董敏[2]以浏阳河隧道下穿既有高速公路为背景，研究施工过程中的围岩稳定性；周翔[3]研究了大断面隧道施工对既有隧道安全的影响；吴瑞等[4]通过有限元分析软件模拟双线隧道先后盾构滞后距离的远近研究其对侧穿桥墩桩基的影响；MROUEH H等[5]研究了在软土中开挖隧道与邻近建筑物之间的相互作用。目前对盾构施工对高压铁塔的安全影响研究相关文献较少，本文结合广州市某城际铁路隧道开挖下穿既有邻近电塔工程实践，运用三维数值分析软件建立足尺三维模型，计算盾构隧道施工过程引起的电塔地基、塔基、塔身应力分布及位移分布特征等，分析评估电塔的安全性。

1 工程概况

根据某城际铁路隧道施工图及所下穿既有邻近电塔设计资料，该塔所在的隧道施工区间为单洞双线盾构隧道（外径12.8m），采用泥水平衡盾构机施工。塔脚与隧道最近距离为5.25m，距离较小，如图1所示。盾构施工过程将会引起塔基、塔身变形及输电线路应力发生变化，当地层变形较大时，甚至可能出现输电线路断线、电塔倒塌等危险，故需评估该邻近电塔在盾构施工过程中的安全性。

该隧道下穿的既有邻近电塔为转角杆塔（见图2），塔型为220SJ3-33，塔高51m，呼称高33m，铁塔根开为9.578m，塔基为桩基础。该塔地基土主要为淤泥、粉砂、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。

图1 电塔与盾构隧道位置关系（单位：m）

图2 塔身结构

2 盾构施工对邻近高压铁塔安全影响建模方法

根据场地周边情况和地质条件，采用ABAQUS有限元软件模拟盾构邻近下穿情况下电塔塔基及高压电塔的变形和受力情况，进而评估高压电塔结构的安全状态。

2.1 三维有限元模型建立

结合场地周边情况和地质条件，采用有限元计算软件建立的三维计算模型如图3所示，分析高压电塔发生变形过程（图中y轴正方向为盾构机掘进方向）。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部z方向、模型左右x方向、模型前后y方向的位移约束。

2.2 材料本构关系及参数取值

塔基材料参数按C20混凝土进行设定，考虑电塔修建时间较早，故将塔基刚度折减10%。岩土本构模型取修正剑桥模型和摩尔-库伦模型，塔基、盾构管片、注浆层本构模型取线弹性模型（见表1）。盾构管片考虑纵横接头的作用，故将其刚度折减30%。

2.3 计算工况

高压电塔在盾构邻近下穿情况下的三维动态模拟能否准确反映现场实际情况的前提是计算工况与现场实际工况相对应。三维有限元计算分析工况如表2所示。

2.4 荷载条件

如图3d所示，将塔身由上至下划分为6段，分别计算每段高度范围内等效风载集中力。同理，分别计算横担风载。塔身风荷载计算结果如表3所示。

所下穿电塔与前后相邻电塔塔线路导线采用2×LGJ630/45钢芯铝绞线，每相导线为双分裂；地线采用LGJ-95/55钢芯铝绞线。结合设计资料计算得第1级导线总风载为8 838.31N；第2级导线总风载为9 361.73N；第3级导线总风载为9 829.41N；地线总风载为2 546.34N。各级导线、地线张拉力如表4所示。

根据《电力工程高压送电线路设计手册》计算档距变化后的地线、导线张拉力，计算结果如表5所示。

图3 三维有限元模型

表1 材料参数

3 模拟结果分析及安全评估

3.1 地层应力与位移

计算结果主要基于开挖面有正常平衡压力情况，通过地层总位移云图可知，最终地层总位移74.90mm。

表2 计算工况

表3 塔身风载值

表4 导线、地线张拉力

表5 档距变化时档内地线、导线张拉力计算

3.2 塔基及高压电塔变形

由塔基总位移云图可知：桩基1总位移增量16.17mm；桩基2总位移增量14.92mm；桩基3总位增量21.17mm；桩基4总位移增量20.90mm（增量位移是指相对于工况1产生的位移）。

由电塔总位移云图可知：最终电塔顶总位移为462.89mm，相对于工况1最大增量为95.62mm，塔身往受力方向倾斜度为0.18%。

3.3 输电线路安全性验算

根据GB 50545—2010《110～750kV架空输电线路设计规范》第5.0.7条，结合电塔设计资料，输电线路（导、地线）悬挂点处抗拉安全系数计算如表6所示，塔导、地线悬挂点处抗拉安全系数均满足要求。

表6 输电线路抗拉安全系数

3.4 塔基安全性验算

根据三维有限元模拟结果，可得盾构邻近下穿电塔引起的塔基桩顶附加作用力，由于三维有限元模型中未考虑输电线路的重力作用，故塔基桩顶的作用力应加上导、地线自重。塔基桩顶总作用力计算结果如表7所示。

表7 塔基顶总作用力计算

根据DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规程》，结合设计资料得到单桩上拔力设计值为865.19kN，单桩下压承载力设计值为917.34kN。桩基1上拔力为-613.310kN，小于单桩上拔力设计值，故上拔稳定满足要求；桩基2上拔力为-951.728kN，大于单桩上拔力设计值，故上拔稳定不满足要求；桩基3下压力为819.354kN，小于单桩下压承载力设计值，故下压承载力满足要求；桩基4下压力为1 166.801kN，大于单桩下压承载力设计值，故下压承载力不满足要求。

3.5 地基变形验算

对于诸如输电线路塔等高耸结构，其地基变形的主要特征是建筑物的整体倾斜。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》第5.3.4条和DL/T 5219—2014《架空输电线路基础设计技术规程》第5.3.1条，电塔塔高约51m，故基础倾斜允许值为0.005，基础沉降允许值为400mm。由三维有限元模型计算结果分析得，所下穿电塔塔基最大沉降量为14.60mm（＜400mm），塔基最大倾斜为0.001（＜0.005），故该电塔塔基变形能满足要求。

4 结语

针对隧道开挖对既有建筑物的影响，结合广州市某城际铁路隧道开挖下穿既有高压电塔，运用三维数值分析软件建立足尺三维模型，模拟分析盾构邻近下穿情况下电塔塔基及高压电塔的变形和受力情况，进而评估高压电塔结构的安全状态。现将主要分析结果归纳如下。

1）有限元模拟结果显示地层位移极值为74.90mm。

2）在盾构法施工模拟过程中，电塔塔基桩基1总位移增量16.17mm；桩基2总位移增量14.92mm；桩基3总位移增量21.17mm；桩基4总位移增量20.90mm。电塔塔基桩基1上拔稳定验算满足要求，桩基2上拔稳定验算不满足要求，桩基3下压承载力验算满足要求，桩基4下压承载力验算不满足要求。电塔塔基地基变形、桩身承载力验算满足要求。

3）在盾构法施工模拟过程中，塔顶总位移为462.89mm，最大增量为95.62mm；塔身往受力方向倾斜度为0.18%。电塔塔基最大倾斜为0.001（＜0.005），塔基变形能满足要求。

4）电塔导、地线悬挂点处抗拉安全系数均满足要求。