双线小净距隧道正下穿高压电塔影响研究

张建国

摘 要：城市地铁双线小净距隧道下穿高压电塔，施工风险较高，研究盾构隧道近距离穿越高压电塔影响，对于保证施工过程中高压电塔及区间隧道安全稳定具有重要意义。文章以岩石地层小净距盾构区间下穿南吳线 66kV 高压电塔为背景，通过数值分析计算，模拟盾构下穿高压电塔施工工况，对高压电塔基础沉降进行计算分析，将计算值与地表监测值进行对比，验证计算结果，最终双线净距仅 2.8m 的 2 条隧道安全顺利通过高压电塔。

关键词：地铁;小净距隧道;下穿电塔;掘进参数

中图分类号：U455.43

1 引言

高压输电线是城市发展不可或缺的基础设施，城市地铁建设线路应尽量规避正下穿高压电塔基础结构，当区间隧道与高压电塔产生交叉甚至下穿情况时，需重点研究下穿高压电塔的风险程度，由于高压输电塔是电力系统输电线路的主要受力构件且为高耸空间结构，高压电塔塔基相互独立，对基础沉降、倾斜要求极其严格，变形过大容易发生倾覆[1]，影响人民生产生活用电。张社荣等[2]通过ABAQUS计算提出天津地铁6号线左右线相距17 m的盾构隧道开挖过程对高压电塔影响，得出隧道两侧2倍洞径范围为主要影响区;徐茂兵[3]研究了深圳地铁车公庙站—竹子林站区间隧道（线间距24.23 m）下穿既有220 kV高压电塔的加固方案，从受力分析、施工技术等方面进行了分析，最终采用桩基托换+洞内超前及径向注浆止水并加固土层的加固方案，使得高压电塔累计沉降小于10 mm、不均匀沉降小于3 mm;胡长明[4]以成都地铁3号线盾构隧道工程为背景，研究地铁盾构穿越高压电塔掘进施工工况，认为采用洞内施工措施和地面加固均可以有效控制地层沉降，但在渣土改良、有效控制掘进参数的基础上，采用洞内注浆等施工措施比地面加固措施效果要好;张华林[5]分析了上覆高压电塔和隧道之间影响及规律，以及高压电塔的变形控制指标;彭浩[6]结合暗挖中隔壁CRD法隧道下穿高压电塔案例提出对高压电塔进行整体基础加固方案，以满足高压电塔基准变形要求;陈周斌[7]以杭州某盾构隧道穿越建筑群为背景，经过理论分析和数值模拟，得出穿越段土仓压力、推进速度和同步注浆率的控制范围。合理的施工参数配以相关辅助措施，能够保证穿越工程的安全[8-10]。总体来看，盾构下穿高压电塔案例研究较多，各地区地质条件千差万别，多为软弱围岩，且盾构隧道左右线线间距较大（超过12 m），采取的加固措施以地面加固、桩基托换、控制掘进参数为主，然而岩石地层条件下小净距隧道下穿高压电塔并无先例，因此，有必要对该条件下盾构穿越高压电塔变形情况进一步研究，以便提出更有针对性、可操作性的加固方案，既满足高压电塔安全要求，又保证工程措施经济合理，同时总结出有针对性的盾构掘进控制参数，为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

大连地铁5号线某区间垂直下穿南吴线塔66kV9号高压电塔，线间距9 m，结构净距2.8 m为小净距盾构隧道。隧道竖向距离南吴线9号高压电塔基础12.8m，且位于中风化白云岩层中，高压电塔基础间净距为7.62m，隧道与高压电塔基础位置关系如图1所示。高压电塔结构主要由塔身、塔头、塔腿3 部分组成，上方由导线、绝缘子及其附件组成，塔身为四角钢桁架结构，基础为4个独立台阶式混凝土扩大基础，塔身及电线重量由4个电力高压电塔基础分别承担，基础形式如图1b所示，基础埋深H = 2.8m，基础底面宽D = 3.48 m。

3 高压电塔变形控制要求

高压电塔对沉降及倾斜反应敏感，高压电塔基础不均匀沉降，容易引起塔杆变形或局部破坏，甚至整体倾覆。

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-

2013）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）要求，建（构）筑物变形控制指标如表1所示，表1中L 为相邻基础的中心距离。

考虑本工程下穿高压电塔的重要性及风险等级，基础沉降控制值为10 mm，差异沉降不超过5 mm;根据输电高压电塔设计规范，高压电塔主材角钢抗拉或抗压强度计算承载能力取268MPa;高压电塔自身水平位移的衡量指标主要是塔身倾斜度I，塔身倾斜度I是指高压电塔顶部中心节点偏移的水平位移U（横向水平位移Ul和纵向水平位移U2的合位移）与总塔高H的比值，I = U / H，当高压电塔高度在50m以上时，高压电塔的容许倾斜值[I] = 0.5%。

4 数值计算分析

采用地层结构法模拟隧道开挖全过程，围岩采用摩尔-库伦模型，土体采用实体单元模拟，管片采用板单元模拟，高压电塔采用梁单元模拟。本计算模型纵向长度为120 m，横向长度为100 m，模型下部取至隧道结构底缘下30 m深，共划分单元154 671个，节点84 693个。计算模型如图2所示。

4.1 计算假定

隧道于K24 + 510处垂直下穿南吴线66kV9号高压电塔，竖向距离南吴线9号高压电塔基础12.8 m，位于中风化白云岩层中。对施工阶段过程有限元数值模拟进行一定假设和模型简化，具体的假定如下：

（1）土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内;

（2）模拟计算盾构施工过程，主要考虑采取阶段性土体开挖与钢筋混凝土管片施加激活，不考虑土体变化时间效应以及土体与管片之间的摩阻力。

4.2 计算参数确定

土层采用摩尔-库伦模型，结构采用线弹性模型，根据勘察地质资料，确定计算模型的基本参数，材料参数见表2～表4。

4.3 数值计算结果分析

4.3.1 高压电塔基础沉降计算分析

隧道双线采用分部开挖、先开挖左线后开挖右线的方法进行盾构模拟施工，隧道双线贯通后的计算结果如图3～图8所示。

（1）高压电塔T1基础4个角部竖向位移与开挖步序关系曲线如图5所示，由图5可以发现，随着隧道开挖进行，高压电塔T1基础4个角点竖向位移在盾构刀盘到达基础前几个开挖步序有微小的隆起，主要是由于盾构刀盘前方对土体的挤压作用，随着隧道的开挖，地层出现损失，导致基础出现急剧的竖向位移;开挖步序10～步序25时，随着盾构管片拼装完成，盾构开挖引起地层损失导致的竖向位移趋于稳定;开挖步序25后盾构机盾尾通过高压电塔，导致基础竖向位移又进一步增加，待整个盾构机通过高压电塔基础后，基础的竖向位移趋于稳定。开挖过程中最大竖向位移为0.35 mm。

（2）高压电塔T2基础4个角部竖向位移与开挖步序关系曲线如图6所示，由图6可以发现，随着隧道开挖进行，高压电塔T2基础4个角点竖向位移在盾构刀盘到达基础前几个开挖步序同T1基础一样有微小的隆起，开挖至步序10～步序27时，随着盾构管片拼装完成，盾构开挖引起地层损失导致的竖向位移趋于稳定;开挖步序27后盾构机盾尾通过高压电塔，导致基础竖向位移又进一步增加，待整个盾构机通过高压电塔基础后，基础的竖向位移趋于稳定。开挖过程中最大竖向位移为0.36 mm。

（3）高压电塔T3基础4个角部竖向位移与开挖步序关系曲线如图7所示，由图7可以发现，开挖至步序25时局部出现隆起，最大隆起高度为0.14 mm;高压电塔T3基础在左线隧道开挖过程中由于T1基础沉降引起T3产生隆起，随着右线隧道的开挖，T3基础距离右线隧道较近，受地层损失影响，竖向位移急剧增加，最大达到0.18 mm。

（4）高压电塔T3基础4个角部豎向位移与开挖步序关系曲线如图8所示，由图8可以发现，高压电塔T4基础竖向位移变化规律与T1、T2类似，但是由于其位于左右线隧道中间，因此左线隧道开挖引起的竖向位移与右线隧道开挖引起的竖向位移大小基本相当，隧道开挖完成后均趋于稳定。开挖工程中最大竖向位移为0.37 mm。

以上计算结果表明，盾构开挖完成后高压线塔基础累计最大沉降为0.37 mm，满足相关控制标准要求。

4.3.2 高压电塔内力计算分析

图9为左右线隧道开挖完成后高压电塔杆件应力分布图，由图9可见，4根主杆始终受压，横杆上部受压、下部受拉。主杆与横杆相比截面较大，横杆的最大拉应力为17.7 MPa，最大压应力23.4 MPa，应力最大值均在角钢的承载能力范围之内，表明高压电塔基本处于安全状态。

4.3.3 高压电塔倾斜计算分析

图10为高压电塔X及Y方向水平位移云图，由图10可见，X方向最大水平位移为8.59 mm，Y方向最大水平位移为2.4 mm，经计算最终倾斜度达到0.02%，满足高压电塔控制要求。但也应该注意到，高压电塔倾斜度对隧道开挖更敏感，也更接近控制值，因此，建议提前做好高压电塔基础保护的应急预案。

5 施工监测

为监控盾构下穿高压电塔过程中高压电塔位移和倾斜情况，在高压电塔布设了监测点。高压电塔竖向位移监测结果如图11所示，由图11可见，高压电塔基础偶尔出现隆起现象，同样随着隧道的开挖，竖向位移逐渐增加，最后趋于稳定，4个高压电塔基础监测的竖向位移分别为0.99 mm、0.96 mm、0.99 mm、1.16mm，满足10 mm控制要求。

6 结论及建议

（1）数值分析软件模拟左右线2.8 m小净距隧道下穿高压电塔基础的施工过程表明，计算分析结果与实际监测结果趋势一致，盾构开挖引起的地层损失所产生的高压电塔基础竖向位移最大为0.37mm，满足高压电塔正常工作的沉降要求。

（2）随着左右线隧道开挖，高压电塔T1～T44 个基础的竖向位移变化趋势具有典型特征，即靠近盾构刀盘开挖面时，基础有略微隆起，随着盾构的掘进，基础产生明显竖向沉降，待盾构通过后沉降趋于缓和，靠近开挖隧道一侧的高压电塔基础受影响程度大于远离开挖面一侧的基础，远离左右线隧道的T4基础则在左右线开挖过程中先产生一定程度的隆起再沉降。

（3）高压电塔塔杆的内力变化及最大倾斜度均在高压电塔控制值范围内。

（4）硬岩地层中下穿类似高压电塔至少应保证地铁盾构隧道竖向埋深1倍洞径以上，且施工前施作试验段，优化盾构掘进参数，严格控制盾构出土量及推进速度，在盾构掘进过程中，要及时进行管片背后注浆，必要时可采取多次压浆，加强实时监测，根据监测反馈的信息及时优化调整掘进参数。

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收稿日期 2010-06-29

责任编辑 朱开明