新建隧道紧邻既有高压铁塔的加固研究

(成都华川公路建设集团有限公司, 四川 成都 610091)

0 引言

新建公路隧道紧邻既有高压铁塔，隧道开挖会对铁塔产生影响，通常铁塔改迁成本过高或受条件限制，这时一般会选择对铁塔进行加固处理。处理之前要对铁塔进行详细的调查，包括铁塔与隧道的位置关系、地质情况、铁塔基础布置情况、铁塔重量等。常用的加固方式有托换方案和隔离方案，托换方案就是增加托梁、桩基，与铁塔基础形成一个稳固强大的受力体系；而隔离方案是在铁塔周边打入桩基，桩基顶部采用冠梁连接，形成一个完整的隔离体系。大泽隧道紧邻220 kV高压铁塔，为了保证铁塔的安全稳定，本文提出了托换、隔离2种处理方案，通过比选决定采用隔离方案，并对隔离方案进行了详细的设计，对隧道开挖进行了三维数值计算，结果显示隧道洞周最大相对位移、铁塔倾斜、沉降都在安全允许范围之内。

1 工程概况

大泽隧道为一座双向6车道连拱隧道，从大泽园区穿过，区域地质以黏土、全风化泥质板岩为主，隧道K7+830位置左侧存在220 kV高压铁塔，平面位置关系见图1，立面位置关系见图2，塔基布置型式见图3。铁塔塔基为4个独立的钢混混凝土扩大基础，塔基中心间距6.5 m，隧道外侧距塔基底部最小距离5.41 m，距离最近塔基中心距离7.28 m，高压铁塔重2 400 kg左右，高9 m。

图1 铁塔平面位置(单位: m)

图2 铁塔立面(单位： cm)

图3 高压铁塔基础(单位： cm)

2 铁塔加固设计

大泽隧道距离高压铁塔较近，为减少隧道开挖对高压铁塔的影响，需要对铁塔进行加固，提出2种加固方案：托换方案(见图4)和隔离方案(见图5)。

2.1 方案介绍

2.1.1托换方案

图4为托换方案。电塔塔基均采用1.2 m的挖孔桩进行托换，桩与塔基采用托梁连接，托梁之间采用连梁进行连接，托换梁和塔基之间进行植筋处理。托换体系中，荷载将通过塔基传到托换梁上,再由梁传到新加的托换桩上,从而达到托换的目的。为保证塔基上的荷载能够传到梁上,就必须保证塔基与梁的有效连接，为此,除在施工措施中对原有塔基进行新旧混凝土界面处理外,还在设计中不考虑新旧混凝土间的抗剪力,其荷载完全由塔基上的植筋来承担，对植筋的要求较高。植筋施工应满足以下要求：①植筋胶要求有50 a的长期性能报告及1.5 h以上的耐火测试报告；②植筋胶应具有塞焊性能,当植筋与钢筋焊接时产生的热辐射能不会影响植筋胶的性能。

图4 托换方案(单位： cm)

图5 隔离方案(单位： cm)

2.1.2隔离方案

图5为隔离方案。在塔基和隧道之间设置挖孔桩，当隧道开挖导致土体产生滑移变形时 ,隔离桩通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力以限制桩后土体的变形发展 ,减小电塔的沉降。在塔基南面、东西两侧分别设置直径为1.2 m的挖孔桩，桩顶采用冠梁进行连接。

2.2 方案的确定

托换方案预计造价45万元，设置了4根挖孔桩，工期较短，托梁与塔基采用植筋的方式进行连接，对植筋的工艺要求高，往往难以做到有效连接，且对塔基会造成一定的破坏，与电力部门协调难度大；隔离方案预计造价90万元，工期稍长，加固桩与塔基相互独立，施工流程简单，协调难度小。经过综合比较，决定采用隔离方案。

2.3 隔离方案设计

具体加固设计见图6、图7。图6中显示出了铁塔基础的平面布置，由于挖孔桩必须要在铁塔基础外侧布置，在南、东、西3个方向布置挖孔桩，与塔基的距离为3.5 m，穿过破裂面的长度不小于8 m，南侧一共布置9根挖孔桩(长度20 m)，东西两侧各布置3根挖孔桩(长度分别为17、14、11 m)。挖孔桩与铁塔外边缘之间采用Φ 89 mm钢花管进行注浆加固，长13 m，间距1.4 m，注浆压力按0.5～1.0 MPa进行控制。

图6 加固设计平面 (单位: cm)

图7 加固设计立面(单位: cm)

3 数值计算

3.1 计算模型及参数

采用Midas数值计算软件对隧道开挖进行计算，隧道采用三导坑施工方式进行开挖，衬砌结构支护参数见图8。采用地层结构法计算，并考虑结构自重，围岩中荷载释放系数可以考虑为：围岩及初期支护承担50%，二次衬砌承担50%。高压铁塔自重替换为均布荷载对塔基施加压力，每个塔基所受压力为16.7 kN/m2。计算中二次衬砌、初期支护采用板单元模拟，隔离桩采用梁单元模拟，本构关系为弹性；围岩及塔基采用实体单元进行模拟，本构关系为摩尔-库伦。围岩参数按隧道地质资料进行取值，具体材料参数见表1。

图8 隧道衬砌

表1 材料参数表材料容重γ/(kN·m-3)弹性模量E/MPa泊松比μ黏聚力c/kPa摩擦角φc/(°)单元类型本构模型初期支护2423 0000.2——板单元弹性二次衬砌2528 0000.2——板单元弹性黏土19.51 2000.44021实体单元摩尔-库伦全风化泥质板岩201 4000.383821实体单元摩尔-库伦隔离桩2528 0000.3——梁单元弹性冠梁2530 0000.3——实体单元弹性塔基2530 0000.3——实体单元弹性

计算模型：拱顶覆土厚度按真实情况模拟，左侧隧道拱顶覆土厚度6.2 m，右侧隧道拱顶覆土厚度9.8 m；隔离桩直径1.2 m，桩顶用冠梁连接，计算模型长100 m、宽100 m、高50 m。计算模型见图9，所示边界条件为前后左右固定和底部固定，开挖采用三导坑开挖方式，塔基及隔离桩见图10。

图9 计算模型图

图10 塔基及隔离桩大样图

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)要求，对隧道开挖完成之后塔基倾斜值和不均匀沉降值进行检算。根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)给出的隧道周边允许相对位移值(表2)对隧道的稳定性进行评价。

表2 隧道周边允许相对位移值围岩类别不同覆盖层厚度(m)时的允许相对位移值/%﹤5050～300﹥300Ⅲ0.10～0.300.20～0.500.40～1.20Ⅳ0.15～0.500.40～1.200.80～2.00Ⅴ0.20～0.800.60～1.601.00～3.00

3.2 计算结果及评价

隧道顶部沉降见图11，塔基沉降云图见图12。对每个塔基4个顶点竖向沉降值取平均数得到每个塔基的沉降位移值，见表3。

图11 隧道顶部沉降

图12 塔基顶部沉降

表3 塔基竖向位移表mm塔基1塔基2塔基3塔基4不均匀沉降最大值-3.2-2.12.1-3.10.001 1

从图11中可以看出，隧道右侧洞周变形大一些，拱顶沉降为5.9 mm，拱底隆起13.6 mm，相对位移为(5.9+13.6)mm=19.5 mm，本处隧道埋深9.8 m，根据表2可以得出,允许位移相对值(按中间值0.5%考虑)为:(9.8×0.5%×1 000)mm=49 mm，大于19.5 mm，隧道处于稳定状态。

从图12中可以看出,根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)表5.3.4 建筑物的地基变形允许值中高耸结构基础(Hg≤20 m)的倾斜最大值为0.008(倾斜值为沉降差除以距离)，最大沉降值400 mm。塔基间距为6.5 m，则最大倾斜值为(0.003 2-0.002 1)/6.5=0.000 2，小于0.008；表中最大沉降3.2 mm,小于400 mm，高压铁塔是安全的，加固方案可行。

4 结论

1) 本文针对高压铁塔加固提出了托换、隔离2种处理方案，通过比选决定采用隔离方案，在南、东、西3个方向布置挖孔桩，与塔基的距离为3.5 m，穿过破裂面的长度不小于8 m，南侧一共布置9根挖孔桩(长度20 m)，东西两侧各布置3根挖孔桩(长度分别为17、14、11 m)。挖孔桩与铁塔外边缘之间采用Φ89 mm钢花管进行注浆加固，长13 m，间距1.4 m，注浆压力按0.5～1.0 MPa进行控制。

2) 对隧道开挖进行了三维数值模拟，得出了隧道开挖之后最大相对位移为19.5 mm，小于规范允许值，隧道处于稳定状态。塔基最大倾斜值为0.0002，小于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)表5.3.4规定的允许值0.008；塔基最大沉降为3.2 mm，小于规范允许值400 mm，高压铁塔是安全的，加固方案可行。