林權(quán)威

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司平陽縣供電公司，浙江 溫州 325401）

0 引 言

在山嶺隧道修建過程中，受路線規(guī)劃的限制，時常會遇到隧道鄰近高壓輸電塔的情況，然而電力鐵塔剛度小、對振動荷載敏感，對基礎(chǔ)不均勻沉降控制要求極高[1]。當(dāng)鐵塔處在隧道附近時，受隧道爆破施工的影響極易發(fā)生土體擾動，從而造成鐵塔周圍土體不均勻沉降[2-3]，同時爆破振動也會危及鐵塔的運(yùn)行安全[4]，因此有必要研究近接隧道爆破對電塔的影響。

數(shù)值模擬方法已被廣泛應(yīng)用于隧道爆破對既有高壓鐵塔的影響研究[5-10]。肖欣欣等[11]通過FLAC 3D對隧道施工及爆破對高壓鐵塔的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了高壓鐵塔改造的相關(guān)建議。謝瑾榮[12]對下穿隧道盾構(gòu)施工影響電塔基礎(chǔ)安全性的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，并采用三維有限元軟件建立連續(xù)介質(zhì)模型對盾構(gòu)下穿施工全過程進(jìn)行數(shù)值模擬。谷任國等[13]結(jié)合廣州市某隧道施工對既有高壓電塔影響的工程實(shí)例，研究隧道開挖對既有高聳建筑物安全影響，以及開挖面有無平衡壓力情況下對既有高聳建筑物的影響程度。

隧道施工時，采用合理的施工方案對確保高壓電力鐵塔的安全具有重要的工程意義。該隧道洞門段采用明挖法，暗洞段采用臺階臨時仰拱法。本文結(jié)合寧波小松山1號隧道施工對既有高壓電塔影響的工程實(shí)例，運(yùn)用有限元模擬的方法，主要研究隧道暗洞段爆破施工對既有高壓電塔的影響，并根據(jù)影響的程度選擇合適的隧道施工及電塔改造方案，為類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

寧波穿山港鐵路站前工程Ⅰ標(biāo)段小松山 1號隧道工程，位于寧波市北侖區(qū)柴橋鎮(zhèn)鐘靈村，進(jìn)口有多處220 kV高壓鐵塔，進(jìn)、出口鄰近穿山疏港高速公路，周圍環(huán)境復(fù)雜。隧道起止里程為DIK9+090～DIK9+205，共115 m，隧道高10.75 m，寬8.22 m，圍巖主要為熔結(jié)凝灰?guī)r，為Ⅴ級圍巖。隧道范圍內(nèi)表層土多為粉質(zhì)黏土層，下伏基巖為熔結(jié)凝灰?guī)r，全-弱風(fēng)化層，隧道暗洞開挖斷面位于熔結(jié)凝灰?guī)r弱風(fēng)化層。小松山1號隧道路徑與220 kV春蘆、曉蘆線相交，220 kV春蘆、曉蘆線原電8（塔型為SJ42B-24）位于穿山港鐵路小松山1號隧道進(jìn)口端上方，塔位處地面高于隧道拱頂約1.2 m。

1.1 擬定電塔遷移方案

作為浙江220 kV網(wǎng)架的主要線路，220 kV春蘆、曉蘆線的地位相當(dāng)重要，如遇突發(fā)事件，將直接對浙江電網(wǎng)產(chǎn)生影響，尤其在迎峰渡夏時期，如遇自然災(zāi)害和外力破壞等發(fā)生倒塔事故，極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生大面積停電事故。為確保隧道施工時220 kV春蘆、曉蘆線的安全，需要對線路進(jìn)行改造，改造方案為：在原線路右側(cè)30 m處，新建改電8，使改電8位于規(guī)劃鐵路隧道上方，電塔基礎(chǔ)到隧道頂?shù)木嚯x約10 m，改電8采用窄基塔，基礎(chǔ)采用聯(lián)合板式，遷改后窄基塔基礎(chǔ)外邊緣與隧道中心保持5 m左右的水平距離，減小了鐵路隧道開挖時，對該窄基塔的影響，從而降低了線路的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。如圖1～3所示，分別為小松山1號隧道工程平面圖、改移后電塔基礎(chǔ)與隧道相對位置圖以及隧道斷面圖。

圖1 工程平面圖Fig. 1 Plan view of the project

圖2 遷移后電塔基礎(chǔ)與隧道相對位置圖Fig. 2 Relative location of high-voltage power transmission tower foundation and the tunnel

圖3 隧道斷面圖Fig. 3 Cross section of the tunnel

1.2 隧道施工方案

隧道洞門段采用明挖法，暗洞段采用臺階臨時仰拱法。從出口向進(jìn)口方向單頭掘進(jìn)，根據(jù)圍巖條件、施工機(jī)械配備情況，在有利于保持圍巖穩(wěn)定的前提下盡量綜合考慮便于機(jī)械作業(yè)以及鋼架加工尺寸等因素，采用上臺階高度為5.5 m，臺階長度控制在10 m。每循環(huán)進(jìn)尺不超過2榀鋼架距離（Ⅴ級圍巖每次開挖為1榀鋼架，約0.75 m），鎖腳錨桿采用單根長3.5 m的Ф50 mm×3.5 mm鋼管，每榀設(shè)置4組，每組2根，與鋼架可靠連接。仰拱、二襯及時跟進(jìn)，二襯距離掌子面距離不大于70 m。表1為隧道支護(hù)及襯砌統(tǒng)計(jì)表，圖4為臺階臨時仰拱法工序示意圖。具體工序如下：

表1 隧道支護(hù)及襯砌統(tǒng)計(jì)表Table 1 Tunnel support and lining types

圖4 臺階臨時仰拱法工序示意圖Fig. 4 Temporary process of stepped inverted arching

（1）開挖I部，施作I部洞身部位的超前支護(hù)、初期支護(hù)。

（2）上臺階施工到適當(dāng)距離后，開挖 II部臺階，施作洞身部位初期支護(hù)。

（3）澆筑該段內(nèi)Ⅲ部底板（或仰拱）。

（4）利用襯砌模板臺車一次性澆筑Ⅳ部二次襯砌（拱墻襯砌一次施作）。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)地質(zhì)情況，采用光面控制爆破施工，爆破方案設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循《爆破安全規(guī)程》[14]（GB 6722—2014）進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧道爆破過程中，通過超欠挖保證措施，例如超欠挖檢查、爆破進(jìn)尺是否達(dá)到爆破設(shè)計(jì)要求、試爆并調(diào)整爆破參數(shù)等方式控制爆破效果。

由于隧道施工采用爆破施工，而改造后線路鐵塔距隧道仍非常接近，在隧道施工期間，施工過程可能對高壓輸電鐵塔及其基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，考慮到一旦高壓鐵塔出現(xiàn)較大損壞會影響到該區(qū)域的輸配電安全，嚴(yán)重影響民生，產(chǎn)生較為惡劣的社會影響，故對該線路隧道施工對鐵塔的影響進(jìn)行安全評估。

2 技術(shù)路線與電塔改造方案

2.1 技術(shù)路線

（1）采用工程類比法分析小松山隧道施工對電力鐵塔的影響是否可控，方案是否可行。

（2）采用三維數(shù)值計(jì)算分析確定隧道爆破引起的電力鐵塔的振動速度。

（3）綜合對比經(jīng)驗(yàn)公式與數(shù)值計(jì)算所得的結(jié)果，判斷當(dāng)前方案電力鐵塔是否安全，或?qū)Ρ凭嚯x提出要求。

技術(shù)路線詳見圖5。

圖5 技術(shù)路線Fig. 5 Technology line

2.2 電塔改造方案

本工程采用4種電塔改造方案進(jìn)行對比，改造方案見表2。電塔和電塔基礎(chǔ)示意圖見圖6～10。

圖6 電塔示意圖——方案1（左），方案2、3、4（右）Fig. 6 High-voltage power transmission tower-scheme 1(left),scheme 2, 3, 4 (right)

表2 電塔改造方案Table 2 Renovation scheme of high-voltage power transmission tower

圖7 方案1電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 7 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 1

圖8 方案2電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 8 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 2

圖9 方案3電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 9 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 3

圖10 方案4電塔基礎(chǔ)示意圖Fig. 10 High-voltage power transmission tower foundation of scheme 4

3 數(shù)值模擬分析

3.1 材料本構(gòu)關(guān)系、計(jì)算模型及相關(guān)參數(shù)

本文針對不同土體采用了Mohr-Coulomb理想彈塑性模型和擴(kuò)展 Drucker-Prager理想彈塑性模型，采用 ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模分析，整個有限元模型由上部電塔和下部巖土體組成。為了抵消邊界條件對模型的影響，下部巖土體長度100 m，寬度為50 m，高度為100 m，以方案1為例，模型三維示意圖，如圖11所示。其中，綠色部分為電塔基礎(chǔ)，棕色部分為上部電塔，電塔總高度約40 m，電塔桿件截面采用Q420角鋼，米色部分為第一層粉質(zhì)黏土，厚度2 m，深藍(lán)色部分為第二層全風(fēng)化砂礫巖，厚度3 m，綠色部分為第三層強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖，厚度為4.5 m，土黃色部分為最后一層弱風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。

圖11 Abaqus有限元計(jì)算模型Fig. 11 Abaqus finite element calculation model

上部電塔采用桿單元，力學(xué)性能參數(shù)見表 3，圍巖第一、二、三層采用Mohr-Coulomb（M-C）模型，最下層采用Drucker-Prager（D-P）模型，地層相關(guān)參數(shù)見表4。

表3 電塔桿件的力學(xué)性能參數(shù)Table 3 Mechanical properties of high-voltage power transmission tower poles

表4 地層參數(shù)表Table 4 Physical and mechanical parameters of different layer

3.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

模型下部巖土體四周約束條件為限制水平方向位移，垂直方向位移自由，模型巖土體底部約束條件限制水平、垂直方向位移，地表面無約束條件（即自由）。上部電塔與電塔基礎(chǔ)、電塔基礎(chǔ)與下部巖土體、巖土體與襯砌之間接觸方式均采用剛接綁定形式，并對整個模型施加重力。在考慮隧道爆破對上部電塔的影響時，對模型添加動力分析步，在隧道掌子面施加瞬時均布力。

爆炸瞬時均布力計(jì)算采用下式：

式中：ρe為裝藥密度，通過控制本數(shù)值模擬炸藥量；D為炸藥爆炸速度；kd為炮孔裝藥不耦合系數(shù)，不耦合系數(shù)指炮孔直徑與藥卷直徑的比值，當(dāng)炸藥為不耦合空氣間隔裝藥時，按體積等效原則來計(jì)算轉(zhuǎn)換的藥卷直徑；kd=db/dc，db、dc分別為炮孔直徑和等效藥卷直徑；η為爆轟氣體碰撞孔壁時，壓力增大的倍數(shù)，η = 8～11。

參數(shù)列表如表5。

表5 爆炸瞬時荷載計(jì)算參數(shù)Table 5 Calculation parameters of the explosion load

計(jì)算所得取值為929 175 Pa，取1 000 000 Pa進(jìn)行計(jì)算。

有限元模型中巖土體、電塔基礎(chǔ)和隧道均采用C3D8R實(shí)體單元，上部電塔采用桿單元。電塔基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為1 m，在劃分網(wǎng)格時，隧道、上部電塔和電塔基礎(chǔ)附近局部加密。模型單元總數(shù)為54 950，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為59 488。

3.3 計(jì)算工況

通過類比分析相似工程[15-16]，可知在隧道爆破中，電塔基礎(chǔ)外邊緣至隧道中心的水平距離（即后文中的安全距離）與爆破的影響關(guān)系密切，如果通過一定的爆破方案優(yōu)化和預(yù)加固措施，那么隧道爆破的影響可以控制。因此，在有限元模擬時，可考慮以下幾類工況。

采用方案1～4共考慮8個工況，分別考慮不同安全距離對上部電塔及電塔基礎(chǔ)的影響，即計(jì)算安全距離為5、10、15、20、25、30、35、40 m時隧道爆破對上部電塔及電塔基礎(chǔ)的影響。有限元計(jì)算分析工況見表6。

表6 隧道爆破對上部電塔及電塔基礎(chǔ)影響的不同工況Table 6 Different working conditions of the influence of tunnel blasting on upper high-voltage power transmission tower and its foundations m

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中的爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)[14]，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算爆破振動安全允許距離為24.94 m，另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[17-20]，提出塔基最大振速預(yù)警值為2.0 cm/s，控制值為2.5 cm/s，其他項(xiàng)目控制量見表7。

表7 本項(xiàng)目控制量Table 7 Controlling items

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

由于計(jì)算工況過多，僅展示各類工況的計(jì)算結(jié)果，未展示各類工況計(jì)算結(jié)果云圖。隧道爆破針對電塔改造的4種方案，對上部電塔的影響根據(jù)不同的安全距離（電塔基礎(chǔ)外邊緣至隧道中心的距離）主要分成8種工況，分別計(jì)算不同方案和不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動速度，其中上部電塔取塔頂處的振動速度，電塔基礎(chǔ)取基礎(chǔ)邊緣靠近隧道一側(cè)的振動速度，并計(jì)算部分工況（根據(jù)工程需求選取）的電塔傾斜度（電塔總位移和電塔高度相差較大，取正切值為電塔傾斜度，如電塔傾斜度計(jì)算示例一所示，計(jì)算是方案1中工況一的電塔傾斜度，數(shù)據(jù)來源于圖12的上部電塔位移云圖）及塔基沉降。

圖12 方案1中工況一上部電塔及電塔基礎(chǔ)隧道橫向位移（U,U1）、縱向位移（U,U2）、豎向（U,U3）位移云圖Fig. 12 Transversal longitudinal and vertical displacement clouds of the upper electric tower and tower foundation for scheme 1

電塔基礎(chǔ)安全振動速度界限值為2 cm/s。如表8～11所示，隧道爆破對上部電塔產(chǎn)生的影響比對電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響要小的多，且所有方案中工況一基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動速度最大，工況八電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生的振動速度最小。

表8 電塔改造方案1在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動速度Table 8 Vibration speed of the scheme 1 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

表9 電塔改造方案2在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動速度Table 9 Vibration speed of the scheme 2 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

表10 電塔改造方案3在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動速度Table 10 Vibration speed of the scheme 3 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

表11 電塔改造方案4在不同工況下上部電塔及電塔基礎(chǔ)振動速度Table 11 Vibration speed of the scheme 4 for the upper high-voltage power transmission tower and its foundation at different working conditions cm/s

方案1：工況一至四不滿足安全振動速度要求，工況五至八滿足安全振動速度要求。

方案2：工況一至五不滿足安全振動速度要求，工況六至八滿足安全振動速度要求。

方案3：工況一至七不滿足安全振動速度要求，工況八滿足安全振動速度要求。

方案4：工況一至六不滿足安全振動速度要求，工況七、八滿足安全振動速度要求。

針對上述各方案中安全振動速度不滿足安全要求的工況，采取以下措施：對不同工況的爆破參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，減少炸藥用量，確保施工振動滿足安全要求，計(jì)算結(jié)果見表12。

表12 4種方案電塔改造在不同工況下電塔基礎(chǔ)振動速度結(jié)果Table 12 Comparison of the vibration speed of 4 schemes at different working conditions

使用方案1時，安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動速度為1.42 cm/s。

使用方案2時，安全距離極限值取30 m（工況六），產(chǎn)生總的振動速度為1.8 cm/s，若削減20%炸藥量，方案2安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動速度為1.84 cm/s。

使用方案3時，安全距離極限值取40 m（工況八），產(chǎn)生總的振動速度為1.62 cm/s，若削減30%炸藥量，方案3安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動速度為1.82 cm/s；若削減20%炸藥量，方案3極限值取30 m（工況六），產(chǎn)生總的振動速度為1.82 cm/s；若削減10%炸藥量，方案3安全距離極限值取35 m（工況七），產(chǎn)生總的振動速度為1.81 cm/s。

使用方案4時，安全距離極限值取35 m（工況七），產(chǎn)生總的振動速度為1.70 cm/s，若削減15%炸藥量，方案4安全距離極限值取25 m（工況五），產(chǎn)生總的振動速度為1.96 cm/s；若削減10%炸藥量，方案4安全距離極限值取30 m（工況六），產(chǎn)生總的振動速度為1.73 cm/s。

比較以上各方案，可以粗略得到方案1優(yōu)于其他方案，因此選取方案1并計(jì)算各個工況的電塔傾斜度和塔基沉降是否滿足要求。本文以方案1的工況一為例計(jì)算兩種安全指標(biāo)，其上部電塔及電塔基礎(chǔ)隧道橫向、縱向、豎向位移云圖，見圖12。同理，可得其他工況的計(jì)算結(jié)果，見表13。

表13 方案1各種工況電塔傾斜度及塔基沉降結(jié)果Table 13 Calculation results of tower tilt and tower foundation settlement at various working conditions of scheme 1

4 結(jié) 論

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的資料確定了巖土體物理力學(xué)性參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的電塔基礎(chǔ)及荷載資料和設(shè)計(jì)資料，建立了包含隧道和上部電塔的空間三維有限元分析模型，對機(jī)械開挖和隧道爆破在不同的安全距離下進(jìn)行安全距離敏感性分析。通過計(jì)算分析可得出：

（1）上部電塔基礎(chǔ)到隧道中心距離是隧道爆破對上部電塔及電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生影響的一個重要因素，總的趨勢隨著安全距離的增大對上部電塔和電塔基礎(chǔ)的影響逐漸減小。

（2）隧道爆破時，對上部電塔產(chǎn)生的影響比對電塔基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響要小的多，且隨著安全距離的增加影響減小。控制安全距離或者削減炸藥量等方式，還可以滿足隧道爆破對電塔基礎(chǔ)安全振動速度的要求。

（3）電塔改造方案中，方案1的效果最佳，方案2次之。其中，對比方案2與4可知，使用獨(dú)立樁基的效果強(qiáng)于錨桿基礎(chǔ)的效果，對比方案3與4可知，使用連梁的效果強(qiáng)于僅使用錨桿基礎(chǔ)的效果。

（4）本工程擬定的電塔遷移及改造方案（即對應(yīng)電塔改造方案1中的工況一）不滿足安全振動速度要求，應(yīng)及時更改工程方案。