暗挖电力隧道侧穿高压铁塔的技术研究与分析

韩春龙， 李翔宇

(1 上海电力设计院有限公司， 上海 200025;2 中国建筑科学研究院有限公司地基基础研究所， 北京 100013)

0 引言

随着我国城市化进程的不断深入及经济的快速发展，城市用电负荷急剧增加，同时由于土地资源稀缺，架空线走廊资源越来越受到限制，因此电力隧道应运而生。电力隧道是能容纳十几条甚至更多电缆线路的地下构筑物，它可以把城市变电站连接起来，用于改善城市中心商业区及其周围地区的电力系统。

许多电力隧道工程周边邻近建构筑物，如：老的房屋建筑、高压铁塔等，这些建构筑物大部分为天然地基，对地基土的沉降、位移较为敏感。因此相邻的隧道开挖施工过程中必须采取可靠的措施控制由于开挖卸载引起的周边地层变形，避免因为变形过大导致周边建构筑物的沉陷或倒塌。

本文以北京市某电力隧道工程为例，研究了如何保证隧道在开挖过程中邻近高压铁塔安全的技术方案，并通过运用PLAXIS有限元软件，分析了设置隔离桩方案后，隧道开挖对高压铁塔的基础影响。

1 工程实例

1.1 工程概况

为满足北京市某区新建和改造基础设施工程供电需要，需建设长约6.0km电力隧道。根据系统规划、电缆敷设需求，新建隧道内净尺寸:宽度为2.0m，高度为2.3m。

隧道在桩号K3+358～K3+378段东侧现存1座东西走向110kV架空输电线路铁塔，此条架空输电线路为该区供电的主动脉之一。铁塔基础由四个独立的钢筋混凝土板式基础组成，基础根开6.11m，底板尺寸为3.0m×3.0m，埋深2.6m，露头高0.2m。根据勘察报告，铁塔基础基底位于②砂质粉土～黏质粉土上。铁塔基础与隧道的位置关系详见图1、图2。

图1 铁塔与隧道平面位置关系

图2 铁塔与隧道剖面位置关系

1.2 地质条件

拟建场地属于平原地貌。场地范围内的土层分为人工堆积层、新近沉积层和一般第四纪沉积层三大类，并根据各土层岩性及工程性质指标暂划分为4个大层及亚层。自上而下分述如下：

(1)人工堆积层：表层为一般厚度为0.60～5.8m的人工堆积层，包括①层素填土。

(2)新近沉积层：人工堆积层以下为新近沉积的②层砂质粉土～黏质粉土、②2层黏土～重粉质黏土。

(3)一般第四纪沉积层：一般第四纪沉积层有③层砂质粉土～黏质粉土、③1层黏土～重粉质黏土、③2层粉质黏土、③3层粉细砂、④1层粉细砂。

本次勘察发现场地分布有地下水，地下水水位埋深约3.0m。

2 电力隧道概况

新建电力隧道采用复合式衬砌结构形式，断面为直墙、圆拱，平底板的净宽为2.0m、净高为2.3m，隧道断面详见图3。隧道初衬采用钢格栅结合喷射混凝土结构，厚度为0.25m，二衬采用现浇钢筋混凝土，厚度为0.25m，初衬、二衬之间采用柔性防水层。

图3 隧道断面图

电力隧道采用浅埋暗挖法施工，浅埋暗挖法是一种综合施工技术，其特点是在开挖中采用多种辅助施工措施加固围岩，合理调动围岩的自承能力，开挖后即时支护，封闭成环，使其余围岩共同作用形成联合支护体系，有效地抑制围岩过大变形[1-2]。

隧道开挖采用正台阶法，将隧道断面分为上下两个部分，预留核心土先开挖上半断面隧道，及时架设上部钢拱架、喷射混凝土，然后开挖下断面隧道，及时架设下部钢拱架、喷射混凝土，并及时对初衬背后进行注浆，待两工作竖井间初衬全部贯通后进行防水层、二衬施工，具体施工步骤详见图4。

3 保护标准

图4 电力隧道施工步骤图

本次侧穿的110kV高压铁塔为耐张塔，全高约36m，为保证高压铁塔结构安全，不影响线路安全运行，按照规程规范[3-5]的相关要求，杆塔及其基础变形控制要求如下：

(1)铁塔：倾斜，即垂直线路方向需小于3H/1 000，其中H为杆塔高度；顺线路方向需小于3H/1 000，即：塔顶两个方向偏移量均需小于108mm，且要求耐张塔不允许向内角偏移。

(2)基础：1)各基础垂直向下沉降累计变形不大于100mm；2)各相邻基础差异沉降累计变形不大于6L/1 000，其中L为铁塔基础根开；3)各相邻基础根开增大或减少值累计变形不得大于30mm。

4 保护技术方案

高压铁塔基础外侧距离电力隧道开挖面最近水平距离为3.92m，铁塔基础底距离隧道顶9.29m；此段暗挖隧道底板处覆土埋深15.22m，铁塔基础位于隧道塌方影响范围内，考虑到隧道在开挖过程中一旦发生坍塌或局部沉降，将造成铁塔倾斜而导致输电线路中断等严重后果，并危及到隧道施工人员的安全，在施工过程中，提出了以下保护技术方案。

(1)方案一：加强隧道初衬结构

隧道初衬钢格栅加密：将初衬钢格栅间距由原先0.75m缩短为0.5m，同时连接筋间距由原来1m加密至0.5m。

控制隧道开挖步距：缩小为0.5m，初衬及时封闭，控制掌子面暴露时间。

加强初衬背后注浆：施工过程中进行沉降观测跟踪，及时进行背后注浆，防止背后空洞，引起地层沉陷。

(2)方案二：袖阀管跟踪注浆，采用袖阀管对铁塔基础进行跟踪注浆加固。

(3)方案三：隔离桩保护，在靠近隧道侧的高压铁塔基础外边打设钢管桩，对铁塔进行隔离保护。

4.1 袖阀管跟踪注浆

袖阀管注浆，是目前被国内外公认的最可靠的注浆工法[6]，著名的英吉利海峡隧道，中、英、法、日、意地铁工程均采用该注浆工法[7]。

电力隧道施工前对铁塔的基础进行摸底，对基础周边预留注浆管，根据地层实际变形情况跟踪补偿注浆，控制铁塔差异沉降。

地面跟踪注浆采用3排φ50×3.5袖阀管，注浆范围为铁塔周围，从铁塔2.6m外开始沿铁塔四周布置3排袖阀管，排距为0.8m，袖阀管环向间距为1.5m。注浆范围平面、剖面详见图5、图6。

注浆浆液扩散半径1.0m；孔径100mm，孔底间距按1.5m(环向)×0.8m(纵向1.0m)控制；设计注浆压力(终压值)为2倍实测水压力。浆液材料采用水泥浆，水泥水灰比W∶C=0.6∶1～1.5∶1，水灰比可根据实际地质情况及注浆的不同时段现场试验确定。

4.2 隔离桩保护

在城市轨道交通以及房屋建筑基坑工程中，有较多采用隔离桩保护方案的实例[8-11]，成功控制了基坑与隧道在开挖施工过程中，周边建构筑物的变形。

图5 注浆孔平面布置图

图6 注浆孔剖面布置图

图7 隔离桩平面布置图

图8 隔离桩剖面布置图

采用的隔离桩需在暗挖隧道前施工，主要起抗滑作用，考虑到暗挖隧道施工可能出现土体塌方，钢管桩能够可以起到一定的抗土体滑移作用。

本工程在靠近隧道侧的高压铁塔基础外边打设钢管隔离桩，共打设2排，钢管采用φ124无缝钢管，壁厚6mm，桩纵向间距为500mm(轴线)，桩长为20m，下部15m范围内设置梅花形注浆孔，开孔距离0.6m，开孔φ20在钢管内部注入水泥浆，注浆压力≤0.3MPa,水灰比为0.45～0.5，水泥采用PO42.5，隔离桩平面与剖面布置详见图7、图8。

隔离桩采用引孔法施工。先根据设计图纸定位使用钻机进行间隔法钻孔；然后下放钢管，每节标准钢管9m长，节与节之间通过焊接方式连接，钢管下放采用绳索法下放，依次下放至孔底；然后注浆，最后施工顶圈梁。

考虑到袖阀管跟踪注浆是一种被动防护方式，为保证高压铁塔的绝对安全，最终采用了方案一和方案三相结合的保护方案，即对隧道初衬结构进行加强的同时，采用钢管桩对铁塔基础进行隔离保护。

5 有限元计算分析

为研究隔离桩加固处理效果，采用有限元软件进行数值模拟分析。模拟分析主要考虑设置隔离桩后隧道开挖对既有铁塔基础的变形影响。

5.1 模型及计算软件

本文采用岩土工程PLAXIS 2D有限元分析软件进行施工全过程数值模拟。地层采用Hardening-Soil(简称HS)实体单元进行模拟，HS是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型，它是一个弹塑性模型，能有效地模拟土体压缩以及开挖问题中的卸载再压缩情况。HS模型是一种高级土体模型，极限应力状态是由摩擦角φ、黏聚力c及剪胀角ψ来描述。这种模型充分考虑了土体刚度随应力状态的变化，包括小应变情况下剪切模量的衰减行为，较适用于分析敏感环境下隧道开挖对周围环境的影响。有限元分析模型详见图9。

图9 有限元分析模型

5.2 模型参数

(1)土体模型参数

地勘报告等相关资料提供的土体物理力学性能参数为土体模型参数的选取提供了依据。模型中涉及的土层及其相关的一些参数如表1所示。

土体物理力学参数 表1

(2)铁塔基础及隧道衬砌参数

铁塔基础隧道衬砌均用板单元模拟，基础上部添加高压线塔自重荷载。

1)高压铁塔基础材料为C20级混凝土，基础底板尺寸为3m×3m，底板厚度为1.2m。基础采用板单元来模拟，C20级混凝土弹性模量为2.55×107kN/m2，基础轴向刚度和抗弯刚度分别为：

EA=2.55×107×1.2×1=3.06×107kN

EI=2.55×107×1×1.23/12=3.672×106kN·m2

高压铁塔自重按20t来计算，则每个基础承受线荷载为：

q=20×10 000/4/3=16 667N/m=16.7 kN/m

2)隧道初衬为250mm厚C20级喷射混凝土，采用板单元来模拟，初衬的轴向刚度及抗弯刚度分别为：

EA=2.55×107×1×0.25=6.375×106kN

EI=2.55×107×1×0.253/12=3.32×104kN·m2

3)隔离桩用板单元模拟，钢管桩弹性模量E=210GPa，密度为7 850kg/m3，注浆体弹性模量E=25.5GPa，密度为1 824kg/m3。注浆隔离桩等效板厚约0.18m。板的轴向刚度及抗弯刚度分别为：

EA=1.2×108×1×0.18=2.16×107kN

EI=1.2×108×1×0.183/12=5.832×104kN·m2

隔离桩实际施工时是内外注浆的，因此模型中板单元的轴向刚度、抗弯刚度等参数计算均综合考虑了钢管和注浆体的作用，是钢管和注浆体参数的叠加计算的结果。

5.3 模拟步骤

计算由三个施工阶段组成。在第一施工阶段，激活高压铁塔基础及上部荷载；第二施工阶段为施工钢管桩。第三施工阶段为施工电力隧道。

5.4 分析结果

经有限元模拟分析，最终地表沉降为4.6mm左右，拱顶沉降为9.54mm，高压铁塔基础最大沉降为3.9mm，高压铁塔基础顶面最大差异沉降为3.2mm，沉降累积值与差异沉降值均在允许变形范围内，满足规程规范[3-5]要求。图10为有限元计算分析的地层竖向位移云图。

图10 地层竖向位移云图/(×10-3m)

6 监测

自电力隧道开挖之日起至电力隧道二衬结构施工完毕，对铁塔进行沉降和位移监测，监测点布置在高压铁塔基础上(4个塔基均设置)以及隧道上方土体内，塔基沉降及位移监测频率为4次/d。监测点布置如图11所示。

图11 监测点布置图

从施工过程中的监测数据可知：距离隧道最近的铁塔基础沉降最为严重，距离隧道较远的铁塔基础沉降不明显。当隧道掘进至距离铁塔中心约10.0m处，距离隧道最近的铁塔基础开始发生沉降；当隧道掘进至铁塔中心前方约15.0m处时，四个铁塔基础塔腿开始趋于稳定。

最终监测数据显示，最大土体位移沉降为6.5mm，塔腿最大差异沉降为4.5mm，满足规程规范[3-5]累计沉降与差异沉降的要求。

最大土体位移沉降值、塔腿最大差异沉降均大于有限元分析的计算结果值，这主要是由于土体本构模型与实际存在一定差异所致。

7 结论

(1)采用隔离桩，能有效减小暗挖电力隧道对高压铁塔的影响，使其沉降能够控制在规范允许范围内。

(2)与袖阀管注浆进行地基加固相比，由于袖阀管注浆地基加固范围仍然位于隧道塌方土体范围内，一旦隧道出现冒顶、塌方，无法保证铁塔能够安全运行，而采用隔离桩的保护方式则能够满足工程安全需要。

(3)考虑到隧道工程对周边地表土层扰动较大，因此应先施工隔离桩，以减小前期的施工扰动。

(4)在暗挖电力隧道工程实践中，侧穿高压铁塔的工程实例较少，通过本文的分析研究，可以为今后类似工程提供借鉴。