黄土隧道施工对上覆高压输电铁塔的影响分析

刘鹏飞

（中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西 西安 710054）

隧道开挖不可避免引起地层位移和变形，特别当隧道浅埋、开挖跨度又大时，扰动更加明显，严重可致地表建构筑物强度、刚度或稳定性的破坏，影响其正常使用。由于地域特点和走廊条件的限制，高压输电线路往往会与公路、铁路隧道等相交或平行，常常遇到高压输电铁塔正好位于隧道上方或在隧道上方附近的情况。隧道开挖对地层的扰动若导致铁塔的过大倾斜甚至倒塌，将迫使输电线路中断，造成无法挽回的经济损失。而目前对于敏感的高压输电铁塔高耸结构物的抗变形能力尚不明确[1]。因此，深入分析隧道开挖引起地层位移和变形对上覆高压输电铁塔的影响具有重要的意义。

1 工程概况

大杨—岭上牵330kV 输电线路工程从已建的330kV大杨变出线，接入拟建银西铁路330kV岭上牵引变，按两个单回路架设（L回、R回），线路长度21.5km+21.4km。岭上隧道为单洞双线，开挖宽度约14m，硐高约12m。隧道起讫里程：DK79+105～DK82+960，长3855.00m，隧道进口段最小埋深约5m，出口段最小埋深约5m，隧道最大埋深约60m。洞身穿越地层为第四系中更新统风积粘质黄土，隧道围岩分级全部为Ⅴ级，在隧道施工过程中易发生围岩失稳、地表沉降、冒顶等风险[2]。输电线路在ZL57～ZL58 和ZR57～ZR58 段与银西高铁岭上隧道相交，相交隧道里程为DK81～DK82，铁塔与隧道的相对位置关系见表1。

表1 铁塔与隧道的相对位置关系

隧道下穿的ZL57、ZR57、ZL58、ZR58 号塔为330kV单回路直线塔，塔身总高度57m，呼高27m，根开为7.5m，塔重1128kN。塔身结构由脚架杆和横担组成，4个支撑脚架杆为型钢结构，4层横担为型钢结构。支撑点基础为4个，随地形分别构建，顶底高程各异。4个支撑脚架杆基础中心的投影点略成正方形布局。铁塔基础形式采用掏挖基础，基础埋深4.2m，4个基础承担了塔身与电线的重量。

2 隧道开挖影响分析

2.1 模拟分析参数设置

以塔基中心与隧道中线距离最近的ZR57 号塔为分析对象，应用岩土工程计算分析软件中的地层损失分析模块进行地层的沉降分析。分析方法选择经典理论中的Peck理论，沉降槽形状选择Gauss曲线[3-4]，隧道开挖的截面尺寸简化为当量半径为13m的圆形。

隧道勘察报告提供的岩土物理力学参数如表2所示。

表2 隧道岩土物理力学参数表

计算中隧道当量半径B取13m，隧道拱顶以上土层重度γ取上更新统风积粘质黄土、中更新统风积粘质黄土两层的加权平均重度为16.7kN/m3，隧道拱顶以上土层内摩擦角φ取上更新统风积粘质黄土、中更新统风积粘质黄土两层的加权平均值22.8°。

2.2 沉降变形及破坏风险分析计算

软件沉降变形分析结果如表3、图1～4所示。铁塔破坏风险分析如图5所示。

图1 地表分析成果图

表3 沉降变形分析统计表

计算结果显示，隧道开挖引起的地层位移，导致了铁塔塔基的不均匀沉降，引发了铁塔的倾斜，并同时导致了作为超静定结构的塔身的内力变化。

图2 离地面深度3m处分析成果图

图3 离地面深度6m处分析成果图

图4 离地面深度10m处分析成果图

2.3 塔基变形判定准则

塔基的沉降由隧道施工导致，塔基的不均匀沉降改变了铁塔的受力状况。在钢材强度小于铁塔所受应力的最大值的情况下，会产生铁塔破坏现象。所以，应力最大值达到钢材强度值的设计值是塔基变形判定准则。

相邻的塔基沉降差值可以由直接监测到的数据计算得出，从而得到对应的相邻塔基倾斜值。通过直接监测到的沉降数据可以解决铁塔应力无法直接监测的问题[5]。因此，利用塔基沉降差和倾斜值作为变形判定准则是现行规范的通用规定。

《架空输电线路运行规程》（DL/T 741-2019）给出了高度在50m以下直线杆角钢塔倾斜度允许值的规定为1%，但未对绝对沉降量明确规定[6]。而根据《高耸结构设计标准》（GB 50135-2019）规定，铁塔基础的最大允许沉降量不能超过400mm，倾斜允许值不大于5‰[7]。

《架空送电线路基础设计技术规定》（DL/T 5219-2005）对高度为50～100m范围杆塔基础倾斜的允许值为0.005，对高度小于50m 杆塔基础倾斜的允许值为0.006[8]。

2.4 塔基稳定性分析结果

根据分析计算结果，铁塔底部基座在整体隧道开挖结束后发生沉降，最大沉降量为110.2mm，最大水平变形量为48.3mm，最大水平拉应变为3.44‰，最大沉降梯度为1/286，均小于规范给出的允许值。可推测铁塔在隧道开挖结束后不会发生倾覆，基础稳定。

铁塔的附加应力基本为压应力，这反映了隧道开挖对铁塔附加内力的影响。铁塔的破坏风险为无破坏，铁塔结构安全。

3 影响特征总结

（1）根据大致呈正态分布曲线的横向地表沉降槽分析，塔基的最终沉降与其位置有关，距离隧道中线所在竖直平面越近的塔基，其沉降越大。

（2）根据横向水平变形曲线分析，塔基在横向都是发生单向移动，向隧道中线所在竖直平面移动。横向水平变形先增大，达到一个最大值后，然后逐渐减小。

（3）根据铁塔风险破坏图分析，隧道开挖过程中铁塔在轴方向处于受压状态，铁塔结构受力安全。

（4）随着隧道洞径的增大及隧道埋深的减小，塔基沉降、倾斜变形和铁塔应力增量越大，风险增大。

4 监控量测方案

4.1 隧道监测方案

隧道洞内监测方案具体内容如下[9]：

（1）围岩收敛：在隧道掌子面接近铁塔的DK81+400～DK81+500、DK81+700～DK81+800段，布置收敛断面，断面间距为5m，通过在隧道两侧边墙部位布设的测点来监测洞内净空的变化量。

（2）拱顶下沉：断面布置同围岩收敛断面的位置及间距，拱顶位置埋设监测点，利用高精度的测量仪器进行拱顶部位的下沉量监测。

（3）初支内力量测：断面布置同围岩收敛断面的位置及间距，应变计焊接在断面拱顶、拱腰、拱脚和边墙部位的钢拱架上、下翼缘，每个断面布设9 组，每组2个，共计18个应变计。通过应变计监测到的应变数值，推算出初支钢拱架受到的内力。

4.2 铁塔监测方案

铁塔监测方案具体内容如下：

（1）塔基沉降与水平位移监测：监测点布设在铁塔踏脚与框架梁上，监测塔基总体沉降、不均匀沉降，铁塔水平位移利用全站仪进行观测。

（2）铁塔内力量测：应变计分别布置在铁塔下方的主材和斜材的中间部位，总计12 个，编号分别为L1-1～L1-3、L2-1～L2-3、L3-1～L3-3、L4-1～L4-3，铁塔内力由应变计监测的应力值来反映。

5 结语

（1）隧道开挖引起的地层位移，导致了铁塔塔基的不均匀沉降，引发了铁塔的倾斜，并同时导致了作为超静定结构的塔身的内力变化。

（2）铁塔距离隧道中线的距离、隧道洞径的大小及隧道埋深是影响上覆铁塔沉降、倾斜及塔身内力变化的重要因素。

（3）当大断面浅埋隧道下穿高压输电铁塔时，必须对铁塔的稳定性进行分析以便采取有效的施工控制措施。

（4）隧道下穿铁塔施工的过程中，在隧道洞内及铁塔布置监测点进行监控量测，是实现信息化施工不可或缺的环节，是保证施工安全的重要措施。