轨道明挖基坑对邻近高压输电铁塔的影响分析

吴晓明

（重庆市勘测院 ，重庆 401121）

0 引言

随着城市地下空间的发展，在既有高压输电设施周围进行工程建设不可避免，而电力设施存在保护红线，且对沉降变形相对敏感，稍不注意将造成重大的安全事故和财产损失。

仓乃瑞［1］通过数值模拟，以上海轨道交通明挖基坑为背景，采用三维有限元等方法分析了基坑与电力设施距离及开挖深度等因素对输电铁塔的影响；陈衡［2］采用有限元分析方法，分析了在采用旋喷隔离桩条件下，基坑开挖对电力铁塔的影响；张荣［3］同样采用有限元方法，分析了重庆地区轨道交通在考虑支护方式条件下，输电铁塔的变形特征，提出了铁塔加固措施和监测方案；李浩鹏等［4］通过数值分析，得出了隧道开挖引起高压铁塔变形规律，并对两种加固方式进行了比选；杨元洪［5］通过监测反演岩土参数，采用有限元软件对浅埋隧道邻近的高压铁塔进行分析，计算出隧道围岩变形与支护结构受力，铁塔内力与铁塔沉降等的变化大小及其变化规律，为铁塔加固方法提供了参考。

本文的研究对象是轨道暗挖车站的明挖出入口通道基坑紧邻既有的 110 kV 输电铁塔。由于轨道设施和电力设施都属于重要的民生工程，在轨道车站明挖出入口建设及运营过程中可能对输电铁塔引起变形破坏，影响两者的安全。本文在充分利用既有勘察资料，收集铁塔及基坑设计资料的基础上，对基坑开挖引起的铁塔变形进行了分析，提出了较为合理的支护措施和监测建议。

1 工程概况

高滩岩站 3A 出入口位于车站东侧，在都市花园西路 123# 地块内接入地面，目前该地块房屋已拆除；出入全段总长为 185.8 m，其中明挖段长 45 m，暗挖段长140.8 m，通道内设置两处安全出口，其中 4 号安全出口位于暗挖段，5 号安全出口位于明挖段；出入口断面净宽标准段为 6.5 m，暗挖段断面采用直墙拱型断面，台阶法施工，复合式衬砌进行隧道支护；明挖段断面采用 U 型和矩形框架断面，基坑北侧采用放坡或肋板式挡墙支护，南侧采用肋板式挡墙支护（见图 1、图 2）。

图1 输电铁塔与拟建 3 A 出入口相对位置关系

图2 3 A 号出入口与铁塔及隧道相对位置关系（单位：m）

3 A 出入口明挖段基坑长度 45 m，南侧采用肋板式锚杆挡墙，冠梁基础尺寸 400 mm×450 mm，面板厚度 200 mm，肋柱尺寸 300 mm×450 mm，混凝土等级 C 30。其中 0～A～B～C 段基坑深度 0～6.34 m，3Φ18 砂浆锚杆，间距 2.5 m×2.5 m，锚固长度 3.0 m；C～D 段基坑深度 9 m，3Φ22 砂浆锚杆，间距 2.5 m×2.5 m，锚固长度 3.0 m。北侧采用肋板式锚杆挡墙或放坡开挖，其中 E～F 段基坑深度 9.2 m，3Φ22 砂浆锚杆，间距 2.5 m×2.5 m，锚固长度 3.0 m；F～H 段基坑深度 6～9.2 m，因土层较厚采用坡率法放坡开挖，岩层按照 1∶0 放坡，锚喷支护，C25 砂浆锚杆，间距 2.0 m×2.0 m，锚固长度 3.0 m，土层按照 1∶0.5 放坡，C22 土钉，间距 1.5 m×1.5 m，长度 6.5 m［6］。

2 水文地质与工程地质条件

拟开挖的基坑附近为既有建成区，原始地貌为构造剥蚀丘陵地貌。地形经人工改造较为平缓，局部存在陡坎或支挡结构，海拔高程 276.5～297.5 m，相对高约 21 m。场地位于观音峡背斜东翼，岩层构造为单斜状构造，区域內无断层通过，地质构造条件简单，岩层产状为 80°～98°< 6°～11°，优势层面产状为 90°∠6°，岩体层面结合很差局部可见泥化夹层，属软弱结构面。根据场地周围岩石露头的调查，场地内岩体发育两组裂隙：J 1 裂隙产状为 263°～278°<69°～72°，优势 J1 裂隙产状为 275°∠71°，延伸长 5～10 m，张开约 1～3 mm，间距为 1.0～2.0 m，局部有钙质填充，结合性较差，属于硬性结构面。J 2 裂隙倾向 356°～5°，倾角 68°～73°，J2 裂隙优势产状为 357°∠68°，延伸长约 1～5 m，闭合～微张，舒缓波状，局部有倒转现象，间距约为 5～8 m，填充为黏土，结合性差，属于硬性结构面。通过对场地进行地质勘探并综合分析区域已有的地质成果，场地內出露的地层主要是第四系全新统人工填土（Q4ml），下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）的砂泥岩。拟建场地位于构造剥蚀的丘陵区，地表为城市中心区域，第四系土层厚度较小；基岩出露为砂泥岩互层陆相碎屑岩，含水量少。地下水主要受地形地貌、岩性及裂隙发育程度的控制，主要由降雨和城市地下生活排水、给水管线的渗漏补给。根据区域内地下水的赋存条件、水理性质和水力特征，区域内地下水可划分为第四系松散土层孔隙水，砂泥岩互层陆相碎屑岩类孔隙裂隙水。根据走访调查，拟建场地地质条件较好，区域内未发现有滑坡、危岩、崩塌、泥石流等不良地质现象和采空区、岩溶、地裂缝、地面沉降、有害气体等不良地质作用［7］。

3 岩土参数及地质评价

3 A 出入口拟采用明挖方式施工，根据设计底标高明挖施工后，按现地面高程计算，本段将形成高约 -0.77～6.4 m（负数代表局部回填垫高部分，按现有建筑拆迁后整平至现有人行道标高计），宽 30.38 m 的明挖边坡，现评价如下：西北侧边坡，左侧边坡为岩土混合型边坡，上部土质边坡高度为 -0.77～5 m，下部岩质边坡高度为 0～4.1 m，坡向 151°。上部土质边坡下伏基岩面倾向坡外，边坡土体不易沿岩土界面滑塌，但由于局部土质边坡高度较大，其易沿内部潜在滑动面破坏。 边坡岩质部分见赤平投影如图 3 所示，下部岩质边坡坡向与层面、J 1 大角度斜交，与 J 2 反向，本侧边坡无外倾结构面，边坡稳定性主要由岩土体强度控制。该边坡的岩体类型为第 III 类岩体，岩体等效内摩擦角 52°，岩体破裂角 62°；东南侧边坡左侧边坡为岩土混合边坡，上部土质边坡高度为 -0.77～5 m，下部岩质边坡高度为 0～4.1 m，坡向 33°。该段土质边坡下伏基岩面虽倾向坡外但其倾角较平缓（＜ 7°），边坡土体不易沿岩土界面滑塌，但由于局部土质边坡高度较大，其易沿内部潜在滑动面破坏。边坡岩质部分见赤平投影图 3 分析，下部岩质边坡坡向与层面、J 1 大角度斜交，与 J 2 小角度斜交，本侧边坡 J 2 为外倾结构面，边坡稳定性主要由 J 2 控制。边坡的岩体类型为第 III 类岩体，岩体等效内摩擦角为 52°，岩体破裂角为 62°。

图3 基坑边坡赤平投影分析图

4 岩土工程数值分析

基坑在开挖过程中不可避免会对岩土体造成扰动，岩土体存在应力释放、产生向基坑内侧的位移，由于岩土体与相邻建（构）筑物间存在复杂的岩土-结构相互作用，从而对已有建（构）筑物产生影响。根据拟建 3A 出入口基坑的设计方案和施工步序，预测基坑修建对梨巴东路 6# 高压铁塔桩基产生的附加位移和变形，评定梨巴东路 6# 高压铁塔的桩基础位移和变形是否满足规范要求，并给出相应建议。另外，计算结果还可为后期施工过程中的监控量测控制指标提供一定理论依据。因此，本文研究的内容还包括：车站 3A 号出入口基坑对梨巴东路 6# 高压铁塔桩基的位移和变形影响分析。由于梨巴东路 6# 高压铁塔与 3A 出入口基坑的空间关系复杂，二维平面应变模型不能真实反映两者的空间效应，故采用三维有限元模型进行分析。

依据 GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，对于框架结构和单层排架结构应由相邻柱基的沉降差控制（对中、低压缩性土，取为 0.002 l，l 为相邻柱基的中心距离）。依据 GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》，基坑周边的邻近建筑水平位移量达到 10～60mm 时应报警。考虑到梨巴东路 6# 高压铁塔损坏或倒塌可能危及过往人群安全、影响片区供电需求，破坏后果很严重，故安全控制标准比上述规范规定严格，铁塔相邻桩基的沉降差为 4.7 mm，沉降为 8 mm，水平位移为 8 mm。对于本次计算，岩土体材料模型采用 M-C 模型，M-C 本构模型是模拟岩土体材料最为常用的一种模型，该模型包含剪切模型破坏准则和拉伸模型破坏准则，且分别对应不同的流动法则，适合模拟岩土体材料的应力-应变特征；对于既有建（构）筑物、基坑围护结构在实际工作状态下，一般不会出现塑性状态，采用弹性本构模型。

在模型设立中，岩土材料采用六面体八节点实体 3D 单元进行模拟；既有隧道结构及其附属设施二衬、挂网喷射混凝土基坑支护等通过板单元模拟；铁塔桩基础、基坑肋柱通过梁单元模拟；采用植入式梁单元模拟锚杆。整个模拟以通过地层结构法的地层合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟及施工中结构与周边地质体相互作用模拟为基础。

计算模型中，岩土体采用六面体八节点 3D 实体单元模拟；已建的区间隧道、风井风道二次衬砌采用板单元模拟；铁塔桩基采用梁单元模拟；基坑支护中喷射混凝土采用板单元模拟，肋柱采用梁单元模拟，锚杆采用植入式梁单元模拟。地层结构法主要包括地层合理化模拟、结构模拟、施工过程模拟、施工过程中结构与周围地层的相互作用模拟。在满足变形协调的条件下，将结构与周边岩土体当作整体，计算结构与周边地层内力及变形，以此计算地层稳定性和进行结构设计。相较于荷载结构法，地层结构法能更好考虑结构与周边岩土体的相对作用，考虑了在施工过程中结构和周边岩土体应力应变的改变。对于复杂空间结构的情况，三维有限元分析方法比二维分析模型更能反应各既有建（构）筑物的相对位置关系。对于基坑数值模拟中，三维有限元分析也更有利于获得相对准确的应力应变（见图 4、图 5）。

图4 计算模型轴式图

图5 结构物相对位置关系

根据地勘剖面进行岩土层划分，根据 3A 出入口基坑的设计方案和施工步序，建立三维有限元模型，预测基坑修建对梨巴东路 6 # 高压铁塔桩基产生的附加位移和变形，评定梨巴东路 6 # 高压铁塔的桩基础位移和变形是否满足规范要求，评价基坑支护设计参数的合理性，并给出相应建议。

基坑开挖支护完成后，由于基坑开挖深度小，基坑周边位移值总体上较小，X轴方向的位移为 6.44mm，Y轴方向位的位移为 -3.0 mm，Z轴方向位移为 6.23 mm/ -0.81 mm。开挖完成后，铁塔桩基向X轴方向位移了 0.43 mm，向Y轴方向位位移了 -0.23 mm，向Z轴方向位移了 0.30 mm，相邻桩基的最大沉降差：（0.30～0.20）=0.10 mm≤4.7 mm，故沉降差也满足要求（见图 6）。

图6 桥梁桩基 Z 轴水平位移图

根据项目特征和施工过程监控量测数据，对高压铁塔的变形均未超过控制值。

5 结论和建议

建议调查清楚已拆建筑物周边的既有挡墙，有条件时可加固后（如在既有挡墙上增设锚杆等方式）合理利用。建议土层中φ22 锚杆调整为φ42 注浆钢花管，以通过注浆固结土体，提高土体强度指标，增强土质边坡沿圆弧滑动的稳定性和坡面土体稳定性；基坑应采取自上而下、分段分层、边开挖边支护的逆作法施工；重视减少对基坑周边岩土体的扰动。岩土体开挖应采用非爆破开挖，采用人工或者机械切割的开挖方法，避免大型机械设备或者其他因素对铁塔和周边地层的振动和扰动；基坑开挖至坑底时应及时封底，避免岩土体风化；重视水的处理。考虑场地地表封闭性较差且填土透水性好，雨季或暴雨后场地可能形成临时性地下水，故建议采用 C20 混凝土对场地地表进行硬化处理，防止雨水下渗；同时完善场地周边的排水系统，将地表水有序、集中排走；由于出入口基坑存在倒坡排水问题，建议施工单位备足抽水设备，以便及时抽排坑底积水；核查清楚地表管线，特别是雨污水管，防止其渗漏影响基坑稳定性；重视场地内其他相关建（构）筑物的保护。场地内有一根 10 kV 的电线杆，施工时应防止其被施工机械碰撞；基坑开挖也应减少对既有都市花园西路人行道挡墙的扰动。

基坑边坡应采用信息化设计、动态施工，施工中加强监测以反馈设计、指导施工。施工监测应建立信息反馈机制，当监测值达到报警值或接近允许值时，应加密监测并立即停止施工，同时向设计、监理、业主通报，在分析原因并妥善处理后方可继续施工；项目施工前，建议业主委托有资质的第三方监测单位编制专项方案，对梨巴东路 6 # 高压铁塔影响安全评估进行相关监测作业。监测内容至少应包含梨巴东路 6# 高压铁塔 4 根桩基础的水平位移和沉降；监测频率应满足相关规范要求；基坑回填前均应加强高压铁塔桩基础的监测；本项目施工完成后，施工单位应配合相关产权单位对既有结构物进行整体检测，如出现因本项目施工造成的破损情况，应按产权单位要求进行修复。Q