单线浅埋隧道下穿高压铁塔施工方案研究

田鲁鲁 郭永发 刘正初

(中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明 650200)

浅埋隧道下穿输电、通信等铁塔施工存在较高的安全风险。目前，已有部分学者对隧道下穿铁塔进行了相关研究，沈增辉[1]、胡焕校[2]依托浅埋大跨李家冲公路隧道下穿500 kV高压输电铁塔的工程实例，研究了地表预注浆对高压铁塔和浅埋隧道的影响。阳军生等分别从施工方案比选、施工控制技术等方面研究了大断面公路隧道下穿既有高压铁塔的课题，分析了不同洞内外加固措施对高压铁塔的影响[3-6]。在盾构隧道方面，徐茂兵[7]从受力分析，施工技术，工程投资以及结构的安全、可靠性等方面，对地铁区间隧道下穿高压铁塔基础加固方案进行了研究；张社荣等[8]采用三维数值模型，分析了盾构双线隧道对下穿通信铁塔的影响，并将地表沉降计算值与地表实测值进行对比，以验证盾构模拟的合理性。以往研究多基于大断面公路隧道和盾构隧道，但对单线铁路浅埋隧道下穿铁塔(矿山法)的研究较少，尚缺乏针对其施工控制技术的研究。

中石油云南石化铁路专用线权莆隧道下穿既有35 kV王龙线55号高压铁塔，需采用暗挖隧道下穿铁塔的施工方案。

以下采用数值模拟方法对施工全过程进行分析，通过不同施工方案的比较，分析不同加固措施及开挖工法对沉降的控制效果。

1 概述

1.1 工程概况

该铁路隧道为单线隧道，全长1 700 m，最大开挖高度为9.26 m，跨度为7.82 m。全隧浅埋，上覆第四系粉质黏土，下伏全-强风化泥岩夹泥质粉砂岩，节理裂隙发育，围岩级别为Ⅴ级，属于软弱围岩。在权莆隧道ZDK0+606.56线路中线右侧4.98 m处有一座王龙线高压铁塔，铁塔桩基底距隧道拱顶开挖轮廓线净距约18.51 m，两者空间关系如图1和图2所示。铁塔高20 m，采用∠3号、∠5号、∠10号镀锌角钢拼装搭建，塔身坐落于4个独立的混凝土桩上，桩尺寸(长×宽×高)为0.8 m×0.8 m×4.0 m。

图1 铁塔基础与隧道平面相对关系(单位：m)

图2 铁塔基础与隧道剖面相对关系(单位：m)

1.2 下穿段拟选施工方案

根据场区地形、地质条件及铁塔现状，制定了三种洞内外加固处理施工方案。

方案一：采用φ42小导管进行超前支护，并采用台阶法加临时横撑(I18钢架)开挖。

方案二：下穿铁塔正下方采用一环30 m长φ159高精度大管棚超前支护，其余段落采用φ42小导管超前支护，台阶法加临时仰拱(I18钢架、φ8钢筋网及喷射混凝土)开挖。

方案三：在方案二基础上，采用H形框架梁进行加固处理，梁断面为1.5 m×1.5 m。

2 隧道施工的模拟

2.1 计算模型

采用MIDAS/GTS有限元分析软件，建立隧道支护结构-岩土体-铁塔基础耦合三维模型。考虑边界效应和计算时效性，计算模型取(宽)100 m×(高)80 m×(长)50 m。铁塔塔身简化为作用在桩基础上的集中力，单桩竖向集中力为2 325 kN。模型边界条件为左、右侧约束横向位移，前、后侧约束隧道轴向位移，下部约束竖向位移，上部为自由面。计算模型如图3所示。

图3 计算模型(单位：m)

2.2 基本假定及计算参数

(1)围岩及支护结构的模拟

岩土体和注浆加固区均采用摩尔-库伦准则的空间实体单元模拟，H形框架梁采用理想弹性本构关系的空间实体单元模拟，初期支护及临时仰拱采用能承受轴向弯矩的平面板单元模拟，临时横撑采用线弹性本构桁架单元模拟，桩基采用线弹性本构梁单元模拟，锚杆采用线弹性本构植入式桁架单元模拟。

(2)支护结构-土体-铁塔基础耦合

将支护结构、H形框架、岩土体接触面上的节点设为耦合，与周围土体始终紧密接触，不产生相对滑动或脱离，即单元间自由度的协调性通过自由度的耦合来实现。

(3)地层计算参数

可将小导管或大管棚超前支护加固的力学作用等效为处理范围内围岩力学性能的提高[9-12]。结合地质勘察资料，给岩土体及管棚注浆加固圈单元分别赋予不同的容重、弹性模量、泊松比、黏聚力及内摩擦角等参数，其计算参数如表1所示。

表1 地层计算参数

管棚注浆加固圈厚度D由式(1)确定[13]，计算可得管棚注浆加固圈厚约1.1 m。

(1)

式中D——管棚注浆加固圈厚度/m；

R——浆液的扩散半径/m；

d——相邻两注浆孔间距/m。

(4)支护结构及桩基等计算参数

H形钢架初期支护类似管棚超前支护的弹性模量折减，支护结构及桩基等的计算参数如表2所示。

表2 支护结构及桩基等计算参数

2.3 施工过程的模拟方法

使用单元的激活钝化功能来模拟隧道的开挖和支护，围岩的初始应力主要由重力引起。通过以下简化步骤模拟隧道台阶法加临时仰拱(台阶法加临时横撑)施工的下穿过程，一个完整的分析步包括：①施作超前小导管或大管棚注浆加固；②开挖上台阶，每次开挖长度2.0 m，每次上台阶开挖后施作前一循环的上台阶径向锚杆、初期支护及临时仰拱(临时横撑)；③开挖下台阶，每次开挖长度亦为2.0 m(下台阶滞后6 m)，每次下台阶开挖后施作前一循环的下台阶径向锚杆、初期支护及临时仰拱；④下台阶开挖长度超过6 m时，拆除临时仰拱(临时横撑)。以此循环，直至开挖完成。

3 隧道下穿铁塔数值计算结果分析

3.1 独立桩基沉降规律分析

分别对小导管超前支护方案(方案一)和大导管超前支护方案(方案二)的独立桩基沉降量、邻近桩基沉降差进行评价分析。从图4和图5中可以看出，各桩基沉降量均随隧道开挖而不断增大，两个方案的4个桩基累计最大沉降量均发生在桩基T1处，最小沉降量均发生在桩基T3处，离隧道中线越近的桩基沉降量越大；相邻桩基的最大沉降差发生在桩基T1和桩基T3之间。

采用“小导管超前支护+台阶法+临时横撑”施工时(方案一)，铁塔桩基最大沉降量达到了34.6 mm，相邻支墩最大沉降差为3.0 mm，其沉降量较大，可能会影响铁塔的安全稳定；而采用“大管棚超前支护+台阶法+临时仰拱”开挖时(方案二)，铁塔桩基最大沉降量为14.4 mm，相邻支墩最大沉降差为1.3 mm，其沉降量明显减小，说明 “大管棚超前支护+台阶法+临时仰拱” 的开挖方案可以有效控制铁塔桩基沉降。

图4 方案一铁塔基础沉降曲线

图5 方案二铁塔基础沉降曲线

3.2 H形框架梁加固后基础的沉降规律

采用H形框架梁对铁塔桩基进行加固处理(方案三)，将四个独立桩基连接成一个整体，以下从总沉降量及倾斜率方面进行评价。

图6 方案三铁塔基础沉降曲线

方案三的测点T1～T4位置与方案一、方案二相同。从图6可知，方案三和方案二的测点沉降规律相同，方案三最大沉降量为14.5 mm，与方案二的最大沉降量几乎无差别，说明H形框架梁加固对隧道开挖引起的铁塔基础总沉降无影响。从图7可知，加固后整体基础的倾斜率不断增大，在隧道工作面距铁塔约1.5倍洞径时达到最大值(0.04%)，其后趋于稳定。

图7 方案三铁塔基础倾斜率的变化曲线

3.3 施工方案评价

(1) 从铁塔基础沉降量方面进行分析

方案一沉降量较大，方案二和方案三最大沉降量基本相同，均比方案一少约58%。目前，尚无规范对高压铁塔独立桩基沉降量有具体要求，隧道下穿铁塔实施案例[3，7-8]表明，铁塔基础最大沉降量宜控制在10～20 mm。结合电力管理部门意见，确定20 mm作为沉降量控制标准。因此，方案二(最大沉降量为14.5 mm)和方案三(最大沉降量为14.4 mm)可以满足铁塔基础总沉降量要求。

(2) 从铁塔相邻桩基沉降差方面进行分析

铁塔桩基的不均匀沉降对塔身超静定构件将产生次应力，如果铁塔构件存在缺陷或次应力增加较大，可能造成铁塔构件失效，危及输电线路运营安全。可按《高耸结构设计规范》(GB50135—2006)[14]中的规定对方案一和方案二相邻基础间的沉降差进行评价。该规范第7.2.6条规定：铁塔等高耸结构在中低压缩性土地基上的不均匀沉降差限值为0.002L(L为相邻基础的中心距离/mm)。因此，铁塔相邻基础沉降差应小于8 mm。方案一计算得到的相邻独立桩基最大沉降差为3.0 mm，方案二计算得到的相邻独立桩基最大沉降差为1.3 mm，均满足要求。方案二比方案一的相邻桩基间沉降差少57%，取沉降差8 mm作为控制标准时，方案二安全系数为6.2。

(3)从铁塔基础倾斜率方面进行分析

采用H形框架梁对铁塔4个桩基进行加固后(方案三)，形成了一个类似承台基础的结构，应按基础沉降倾斜率进行评价。《架空输电线路基础设计技术规程》(DL/T5219—2014)[15]5.3.1条规定：塔高小于50 m时基础倾斜率允许值为0.6%。方案三的基础沉降倾斜率为0.04%，取0.6%的倾斜率作为控制标准时，安全系数为15。

综上所述，方案二较方案一可以明显减小铁塔基础的沉降。在方案二的基础上，采用H形框架梁对铁塔桩基进行加固(方案三)，将铁塔独立桩基连成整体，可以明显提高铁塔基础沉降控制的安全系数。另外，地基的不均匀变形对塔身超静定构件容易产生次应力，这种次应力的作用程度会因塔腿基础结构形式不同而各异，采用H形框架梁加固能更好地减小塔身构件的次应力。因此，方案三为最优方案。

4 现场监测结果及施工效果评价

最终选择方案三为实施方案，对塔基采用H形框架梁加固，隧道洞内采用“大管棚超前支护+台阶法+临时仰拱”施工(如图8所示)。H形框架梁于2015年5月2日前施工完成，2015年5月12日开始下穿铁塔段开挖，2015年6月16日完成下穿铁塔段施工。

图8 大管棚超前注浆支护照片

铁塔基础沉降及倾斜率时程曲线分别如图9和图10所示，铁塔基础累计最大沉降量为16 mm，倾斜率为0.05%，实测基础沉降趋势与数值计算结果基本符合(实测值比计算值稍大)，均满足相关规范要求，未发现铁塔构件产生异常，经电力管理部门评定，隧道施工未影响铁塔结构安全。

图9 铁塔基础累计沉降时程曲线

图10 铁塔基础倾斜率时程曲线

5 结论

(1) “大管棚超前支护+台阶法+临时仰拱”方案较“小导管超前支护+台阶法+临时横撑”方案减少了铁塔桩基58%的沉降量和57%的沉降差，支护效果明显改善。

(2) 通过增加H形框架梁，将独立桩基差异沉降问题转化为整体基础的倾斜率问题，提高了铁塔基础沉降控制安全系数，增强了铁塔超静定构件对不均匀沉降的适应能力。

(3) 结合规范和数值模拟计算结果，对于单线浅埋隧道下穿铁塔，可以取桩基最大沉降20 mm、H形框架梁加固后整体基础倾斜率0.6%作为控制标准。

(4) 铁塔基础沉降最大实测值为16 mm，与计算值结果和趋势基本相符，可认为综合处理的方案合理有效，能够保证铁塔的结构安全。