劉鵬飛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)陜西省電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710054）

隧道開挖不可避免引起地層位移和變形，特別當(dāng)隧道淺埋、開挖跨度又大時，擾動更加明顯，嚴(yán)重可致地表建構(gòu)筑物強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性的破壞，影響其正常使用。由于地域特點(diǎn)和走廊條件的限制，高壓輸電線路往往會與公路、鐵路隧道等相交或平行，常常遇到高壓輸電鐵塔正好位于隧道上方或在隧道上方附近的情況。隧道開挖對地層的擾動若導(dǎo)致鐵塔的過大傾斜甚至倒塌，將迫使輸電線路中斷，造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。而目前對于敏感的高壓輸電鐵塔高聳結(jié)構(gòu)物的抗變形能力尚不明確[1]。因此，深入分析隧道開挖引起地層位移和變形對上覆高壓輸電鐵塔的影響具有重要的意義。

1 工程概況

大楊—嶺上牽330kV 輸電線路工程從已建的330kV大楊變出線，接入擬建銀西鐵路330kV嶺上牽引變，按兩個單回路架設(shè)（L回、R回），線路長度21.5km+21.4km。嶺上隧道為單洞雙線，開挖寬度約14m，硐高約12m。隧道起訖里程：DK79+105～DK82+960，長3855.00m，隧道進(jìn)口段最小埋深約5m，出口段最小埋深約5m，隧道最大埋深約60m。洞身穿越地層為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土，隧道圍巖分級全部為Ⅴ級，在隧道施工過程中易發(fā)生圍巖失穩(wěn)、地表沉降、冒頂?shù)蕊L(fēng)險[2]。輸電線路在ZL57～ZL58 和ZR57～ZR58 段與銀西高鐵嶺上隧道相交，相交隧道里程為DK81～DK82，鐵塔與隧道的相對位置關(guān)系見表1。

表1 鐵塔與隧道的相對位置關(guān)系

隧道下穿的ZL57、ZR57、ZL58、ZR58 號塔為330kV單回路直線塔，塔身總高度57m，呼高27m，根開為7.5m，塔重1128kN。塔身結(jié)構(gòu)由腳架桿和橫擔(dān)組成，4個支撐腳架桿為型鋼結(jié)構(gòu)，4層橫擔(dān)為型鋼結(jié)構(gòu)。支撐點(diǎn)基礎(chǔ)為4個，隨地形分別構(gòu)建，頂?shù)赘叱谈鳟悺?個支撐腳架桿基礎(chǔ)中心的投影點(diǎn)略成正方形布局。鐵塔基礎(chǔ)形式采用掏挖基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深4.2m，4個基礎(chǔ)承擔(dān)了塔身與電線的重量。

2 隧道開挖影響分析

2.1 模擬分析參數(shù)設(shè)置

以塔基中心與隧道中線距離最近的ZR57 號塔為分析對象，應(yīng)用巖土工程計算分析軟件中的地層損失分析模塊進(jìn)行地層的沉降分析。分析方法選擇經(jīng)典理論中的Peck理論，沉降槽形狀選擇Gauss曲線[3-4]，隧道開挖的截面尺寸簡化為當(dāng)量半徑為13m的圓形。

隧道勘察報告提供的巖土物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 隧道巖土物理力學(xué)參數(shù)表

計算中隧道當(dāng)量半徑B取13m，隧道拱頂以上土層重度γ取上更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土兩層的加權(quán)平均重度為16.7kN/m3，隧道拱頂以上土層內(nèi)摩擦角φ取上更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土、中更新統(tǒng)風(fēng)積粘質(zhì)黃土兩層的加權(quán)平均值22.8°。

2.2 沉降變形及破壞風(fēng)險分析計算

軟件沉降變形分析結(jié)果如表3、圖1～4所示。鐵塔破壞風(fēng)險分析如圖5所示。

圖1 地表分析成果圖

表3 沉降變形分析統(tǒng)計表

計算結(jié)果顯示，隧道開挖引起的地層位移，導(dǎo)致了鐵塔塔基的不均勻沉降，引發(fā)了鐵塔的傾斜，并同時導(dǎo)致了作為超靜定結(jié)構(gòu)的塔身的內(nèi)力變化。

圖2 離地面深度3m處分析成果圖

圖3 離地面深度6m處分析成果圖

圖4 離地面深度10m處分析成果圖

2.3 塔基變形判定準(zhǔn)則

塔基的沉降由隧道施工導(dǎo)致，塔基的不均勻沉降改變了鐵塔的受力狀況。在鋼材強(qiáng)度小于鐵塔所受應(yīng)力的最大值的情況下，會產(chǎn)生鐵塔破壞現(xiàn)象。所以，應(yīng)力最大值達(dá)到鋼材強(qiáng)度值的設(shè)計值是塔基變形判定準(zhǔn)則。

相鄰的塔基沉降差值可以由直接監(jiān)測到的數(shù)據(jù)計算得出，從而得到對應(yīng)的相鄰塔基傾斜值。通過直接監(jiān)測到的沉降數(shù)據(jù)可以解決鐵塔應(yīng)力無法直接監(jiān)測的問題[5]。因此，利用塔基沉降差和傾斜值作為變形判定準(zhǔn)則是現(xiàn)行規(guī)范的通用規(guī)定。

《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（DL/T 741-2019）給出了高度在50m以下直線桿角鋼塔傾斜度允許值的規(guī)定為1%，但未對絕對沉降量明確規(guī)定[6]。而根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50135-2019）規(guī)定，鐵塔基礎(chǔ)的最大允許沉降量不能超過400mm，傾斜允許值不大于5‰[7]。

《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5219-2005）對高度為50～100m范圍桿塔基礎(chǔ)傾斜的允許值為0.005，對高度小于50m 桿塔基礎(chǔ)傾斜的允許值為0.006[8]。

2.4 塔基穩(wěn)定性分析結(jié)果

根據(jù)分析計算結(jié)果，鐵塔底部基座在整體隧道開挖結(jié)束后發(fā)生沉降，最大沉降量為110.2mm，最大水平變形量為48.3mm，最大水平拉應(yīng)變?yōu)?.44‰，最大沉降梯度為1/286，均小于規(guī)范給出的允許值?？赏茰y鐵塔在隧道開挖結(jié)束后不會發(fā)生傾覆，基礎(chǔ)穩(wěn)定。

鐵塔的附加應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，這反映了隧道開挖對鐵塔附加內(nèi)力的影響。鐵塔的破壞風(fēng)險為無破壞，鐵塔結(jié)構(gòu)安全。

3 影響特征總結(jié)

（1）根據(jù)大致呈正態(tài)分布曲線的橫向地表沉降槽分析，塔基的最終沉降與其位置有關(guān)，距離隧道中線所在豎直平面越近的塔基，其沉降越大。

（2）根據(jù)橫向水平變形曲線分析，塔基在橫向都是發(fā)生單向移動，向隧道中線所在豎直平面移動。橫向水平變形先增大，達(dá)到一個最大值后，然后逐漸減小。

（3）根據(jù)鐵塔風(fēng)險破壞圖分析，隧道開挖過程中鐵塔在軸方向處于受壓狀態(tài)，鐵塔結(jié)構(gòu)受力安全。

（4）隨著隧道洞徑的增大及隧道埋深的減小，塔基沉降、傾斜變形和鐵塔應(yīng)力增量越大，風(fēng)險增大。

4 監(jiān)控量測方案

4.1 隧道監(jiān)測方案

隧道洞內(nèi)監(jiān)測方案具體內(nèi)容如下[9]：

（1）圍巖收斂：在隧道掌子面接近鐵塔的DK81+400～DK81+500、DK81+700～DK81+800段，布置收斂斷面，斷面間距為5m，通過在隧道兩側(cè)邊墻部位布設(shè)的測點(diǎn)來監(jiān)測洞內(nèi)凈空的變化量。

（2）拱頂下沉：斷面布置同圍巖收斂斷面的位置及間距，拱頂位置埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，利用高精度的測量儀器進(jìn)行拱頂部位的下沉量監(jiān)測。

（3）初支內(nèi)力量測：斷面布置同圍巖收斂斷面的位置及間距，應(yīng)變計焊接在斷面拱頂、拱腰、拱腳和邊墻部位的鋼拱架上、下翼緣，每個斷面布設(shè)9 組，每組2個，共計18個應(yīng)變計。通過應(yīng)變計監(jiān)測到的應(yīng)變數(shù)值，推算出初支鋼拱架受到的內(nèi)力。

4.2 鐵塔監(jiān)測方案

鐵塔監(jiān)測方案具體內(nèi)容如下：

（1）塔基沉降與水平位移監(jiān)測：監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在鐵塔踏腳與框架梁上，監(jiān)測塔基總體沉降、不均勻沉降，鐵塔水平位移利用全站儀進(jìn)行觀測。

（2）鐵塔內(nèi)力量測：應(yīng)變計分別布置在鐵塔下方的主材和斜材的中間部位，總計12 個，編號分別為L1-1～L1-3、L2-1～L2-3、L3-1～L3-3、L4-1～L4-3，鐵塔內(nèi)力由應(yīng)變計監(jiān)測的應(yīng)力值來反映。

5 結(jié)語

（1）隧道開挖引起的地層位移，導(dǎo)致了鐵塔塔基的不均勻沉降，引發(fā)了鐵塔的傾斜，并同時導(dǎo)致了作為超靜定結(jié)構(gòu)的塔身的內(nèi)力變化。

（2）鐵塔距離隧道中線的距離、隧道洞徑的大小及隧道埋深是影響上覆鐵塔沉降、傾斜及塔身內(nèi)力變化的重要因素。

（3）當(dāng)大斷面淺埋隧道下穿高壓輸電鐵塔時，必須對鐵塔的穩(wěn)定性進(jìn)行分析以便采取有效的施工控制措施。

（4）隧道下穿鐵塔施工的過程中，在隧道洞內(nèi)及鐵塔布置監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控量測，是實現(xiàn)信息化施工不可或缺的環(huán)節(jié)，是保證施工安全的重要措施。