大跨隧道近距离下穿高压铁塔实施方案分析与设计.pdf

江西建材规划设计与建筑982023年7 月大跨隧道近距离下穿高压铁塔实施方案分析与设计邱友义，邱 露山东沂蒙交通发展集团有限公司，山东 临沂 276000摘 要：老虎山隧道工程下穿有高压输电铁塔，受地质和开挖震动影响，施工风险较大。文中通过分析风险，建立高压输电塔与隧道施工之间的三维数值模型，山体注浆之后采用 CRD法开挖方案进行施工，提出一定的应对措施。数值分析表明，采用 CRD法开挖最大沉降值1.6 mm，最大差异沉降0.2 mm，倾斜率3.3310-5，开挖基本满足铁塔沉降要求。铁塔沉降、铁塔受力与变形均在合理范围之内，在保障安全生产的同时经济高效，为工程实际提供参考。关键词：隧道工程；高压铁塔；沉降；数值分析中图分类号：U25文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）07-0098-03Analysis and Design of Implementation Scheme for Large-span Tunnel Underpassing High-pressure Tower in Short DistanceQiu Youyi，Qiu LuShandong Yimeng Transportation Development Group Co.Ltd.,Linyi,Shandong 276000Abstract:The Laohu Shan Tunnel project is pierced by a high-voltage transmission tower,which is affected by geological influence and excavation vibration,and the construction risk is greater.In this paper,by analyzing the risks,a three-dimensional numerical model between the high-voltage transmission tower and tunnel construction is established,and the CRD excavation scheme is used for construction after mountain grouting and puts forward certain countermeasures.Numerical analysis shows that the maximum settlement value of CRD excavation is 1.6 mm,the maximum differential settlement is 0.2 mm,and the inclination rate is 3.3310-5,which basically meets the settlement requirements of the tower.The settlement of the tower,the force and deformation of the tower are all within a reasonable range,which is safe and cost-effective at the same time,providing reference for the actual project.Key words:Tunnel engineering;High-voltage tower;Settlement;Numerical analysis0 引言隧道工程建设可能对上方地表建筑物产生负面影响，包括地表沉降、地表振动、滑坡和坍塌等地质灾害，尤其在建设高压输电铁塔这样的重要输电系统组成部分时。由于需在山岭地区进行建设，隧道施工难免会穿越山体并临近现有建筑物或结构。因该地域和地形的限制使得施工变得复杂且具有挑战性，必须采取适当措施以确保施工安全，同时最大程度地减少对周围地表建筑物的不良影响1-3。干字型输电铁塔是一种空间结构大，刚度较小，塔基间独立的铁塔。在施工过程中，若附近存在高压输电铁塔，则地下开挖可能引起地层位移。由于输电塔对基础差异沉降较为敏感。隧道建设引起的地层位移和震动会影响铁塔，从而造成倒塌、电力中断等隐患，严重危及生命财产安全，风险较高4-6。由于地下开挖导致地下土层的位移和变形对高压输电铁塔的塔基产生不均匀沉降，危及其稳定性；隧道施工过程中的爆破、挖掘等活动会产生振动，这可能影响高压输电铁塔的结构稳定性；复杂地质条件可能会增加高压输电铁塔施工的风险。目前，国内外对大断面浅埋隧道下的既有高压输电铁塔研究较少。通过加固或托换的方法能够保证隧道穿过，但风险较大。在实际情况中，通常采用拆除改建方式规避潜在风险。本文以老虎山隧道下穿高压输电铁塔工程实例为背景，在风险分析的基础上，提出规避应对措施。通过利用数值手段采用 CRD法开挖方案进行施工，发现效果显著，可为同类工程提供一定参考。1 工程概况本工程在老虎山隧道北线 K4+980 桩号处有高压铁塔，隧道从铁塔基础下方穿越，隧道结构外轮廓与高压铁塔基础最短垂直距离约34.4 m，高压铁塔高度约30 m。本段隧道地质情况自上而下主要为素填土与中风化花岗岩，表层素填土厚度为5 m，下伏岩层为中风化花岗岩，厚度大于50 m，隧道整体进入该岩层，围岩级别为级。2 大跨隧道穿高压铁塔风险分析2.1 高压铁塔风险分析2.1.1 高压铁塔倾斜在隧道施工过程中，存在铁塔与左右洞距离不同的情况，实际影响情况也不同。由于铁塔基础之间相互独立，距离不同导致载荷分布不均匀，铁塔在施工过程中易发生不均匀沉降，导致铁塔倾斜，甚至引起塔杆的变形或局部破坏。当倾斜角度过大时，将导致铁塔倒塌。2.1.2 高压铁塔下沉在隧道开挖的过程中，由于开挖扰动的影响，地层表面错第一作者：邱友义（1974-），男，山东临沂人，本科，高级工程师，主要研究方向为路基路面工程。江西建材规划设计与建筑992023年7 月动，导致铁塔发生一定的下沉。当铁塔的沉降过大，输电线路的档距、运行张力以及对地距离均会受到一定的影响。因此，输电存在一定安全隐患。必须着重关注隧道开挖对铁塔的影响，并采取相应的预防措施，以确保铁塔的稳定性和输电线路的正常运行。2.1.3 铁塔局部失稳高压输电铁塔受自身和施工过程以及恶劣天气和外界环境条件振动荷载等因素的影响，使其处于局部失稳和破坏的风险之中。由于隧道施工在铁塔下方进行，风险将进一步加剧。目前，高压输电铁塔这种高耸结构物的抗变形能力尚未得到充分地研究和验证。铁塔的稳定性对于输电线路的正常运行至关重要，但其抗变形能力的确切极限尚不明确。同时，老虎山隧道作为浅埋隧道，跨度大，采用左右双洞开挖模式，这将不可避免地引起地下围岩的多次扰动。该扰动对高压输电铁塔将产生复杂而深远的影响。2.2 高压铁塔处理方案与隧道施工方法比选鉴于老虎山隧道下穿高压铁塔施工风险较高，本文通过铁塔和隧道施工两个部分进行风险规避、控制和方案选择，从而有效控制风险。2.2.1 高压铁塔拆除改建拆除老虎山隧道上方的铁塔是一个复杂的工程项目，该方案涉及多座铁塔的拆除和线路的重新布置，布置线路的过程中还要面临征地问题。因投资巨大和工期难以保证等难题，增加了项目的复杂性和不确定性。2.2.2 加固后双侧壁导坑法隧道采用双侧壁导坑法开挖，利用双层管棚进行超前支护，并对山体进行注浆加固。该施工方法有利于控制围岩的变形，从而确保隧道工程的稳定性和安全性，但对于高压输电铁塔这类刚度较小且塔基相互独立的结构物而言，该方法可能会导致较大的差异沉降问题。结合国内山岭隧道下穿高压铁塔调研情况进行梳理，如表1 所示。基于上述方案可知，拆除铁塔能够降低风险，保证电路供电安全，但是由于施工繁琐，工程造价较高且双侧壁导坑法存在分部多、开挖空间小、施工进度慢等缺陷，一般不采用。因此，结合类似工程概况，山岭隧道近距离穿越高压铁塔一般采用控制爆破+CRD法进行施工4-5，做到更快地封闭成环，在围岩体达到自稳的过程中进行支护。3 大跨隧道穿高压铁塔施工方法可行性研究针对 CRD法开挖方案，考虑隧道、地层、电塔之间的相互作用建立三维有限元模型，考虑铁塔无初始沉降和倾斜的情况下，从高标准出发，本文对高压铁塔的倾斜度允许值按照0.006进行控制，采用数值手段讨论此方案的效果6。采用 Midas/GTS建立三维数值模型，其中隧道围岩以及支护结构采用三维实体单元。边界条件如下：模型顶面无约束，对底面进行竖向约束，侧边进行水平约束。模型边界至隧道距离按35 倍洞径考虑，模型共划分单元约15 万个。隧道采用CRD法开挖，每个开挖计算步为2 m，北线隧道超前南线20 m。通过数值模拟计算隧道开挖后的位移云图，图1 和图2 分别为北线隧道开挖至铁塔下方竖向位移云图和南线隧道开挖完成后竖向位移云图。数值计算结果显示，北线隧道开挖至铁塔下方时，沉降主要发生在隧道北线隧道结构正上方，铁塔沉降较小；南线隧道由于滞后开挖，开挖过程中引起隧道及上方地层的差异沉降，但竖向位移变化量较小。南线隧道开挖完成后，可明显看出两隧道及上方地层位移变化特点一致，铁塔处南北和东西方向沉降位移均处于平衡状态，极大地限制了塔杆及基础的差异沉降量和倾斜度。图1 北线隧道开挖至铁塔下方竖向位移云图图2 南线隧道开挖完成后竖向位移云图表1 高压铁塔下穿隧道施工方法序号项目名称计划概述位置关系技术措施1广东佛肇城际轨道skzh-3标地层自上而下为粉质黏土、全风化泥质砂岩。隧道位于全风化泥质砂岩层。高压铁塔位于隧道结构正上方，最短垂直距离为27.8 m。洞内穿越铁塔段采用管棚套打小导管，采用 CRD法施工。2洛阳西环路舟山隧道地层自上而下为杂填土、粉质黏土、细砂、钙质胶结层、全至强风化泥质砂岩及粉砂岩，隧道位于粉质黏土层。高压铁塔位于隧道左线中线6.5 m，最短垂直距离约40 m。洞内采用超前注浆小导管，采用 CRD法进行隧道开挖。3九景衢铁路汪桥隧道地层自上而下为粉质黏土、砂质岩板、变质砂岩。洞身穿越段岩体破碎、节理发育。高压铁塔位于隧道结构正上方，垂直距离约25 m。洞内采用超前注浆小导管，采用 CRD法开挖。江西建材规划设计与建筑1002023年7 月-0.0014-0.0014-0.0015-0.0015-0.0016-0.0016图3 塔杆及基础竖向位移云图（北线开挖至铁塔下方）-0.0005-0.0004-0.0005-0.0006-0.0006-0.0007图4 塔杆及基础竖向位移云图（北线开挖完成）-0.0008-0.0008-0.0009-0.0009-0.0010-0.0010图5 塔杆及基础竖向位移云图（南线开挖完成）为了更加准确地体现出南北隧道开挖对铁塔的影响，继续通过数值计算得到塔杆及基础竖向位移云图，图35 分别为隧道开挖过程中的塔杆及基础竖向位移云图。计算结果显示，北线隧道正下穿高压铁塔，开挖导致塔杆及基础产生沿隧道轴向（东西向）差异沉降；随后南线隧道滞后开挖，从铁塔南侧侧穿，导致差异沉降转变为南北向，最大沉降值1.6 mm，最大差异沉降0.2 mm，倾斜率3.3310-5。开挖满足铁塔沉降要求。4 结语（1）老虎山隧道下穿高压输电铁塔施工会导致高压铁塔存在着失稳破坏、倾斜及沉降等风险，对铁塔采取改造加固措施是非常必要的。（2）通过对老虎山隧道下穿高压输电铁塔一系列方案的模拟讨论，显示采用 CRD法开挖隧道，可有效减少铁塔受力和变形破坏的风险。该施工方案简单经济且安全效果显著。（3）通过数值模型计算和结合规范对比分析，高压铁塔最大沉降值1.6 mm，最大差异沉降0.2 mm，倾斜率3.3310-5。开挖满足铁塔沉降要求。参考文献 1 牟易，李桂江.不同地表坡度下复杂偏压隧道的力学效应分析J.交通世界，2021（31）：11-12.2 范杰林，毛锦波.特大断面公路隧道下穿既有铁路路基变形控制研究J.建筑技术开发，2023，50（5）：116-118.3 钟雅玲，郭飞，鲍逸玮.基于 HSS 模型的双线地铁隧道下穿高压燃气管道的影响分析J.广东土木与建筑，2023，30（5）：54-58，72.4 余顺，丁浩，郭军，等.下穿高压铁塔的大跨小净距隧道控制爆破技术研究J.公路交通技术，2013（3）：125-129.5 管晓明，宫哲，程飞，等.隧道掌子面前后方围岩爆破振动及精准控制研究 J.河北工程大学学报（自然科学版），2023，40（1）：49-54，74.6 管晓明，傅洪贤，王梦恕.隧道近距下穿山坡楼房爆破振动测试研究J.岩土力学，2014，35（7）：1995-2003.由表2 可知，4 个监测点的工后变形还会进一步增加，且后续预测的变形值为12.3420.93 mm，同样在控制值范围内，说明监测时段范围内边坡防治措施合理有效。4 结语（1）由于边坡开挖深度较深，其防治必要性显著，且结合边坡特征，将其防治措施方案设计为“坡面整理+锚杆格构”。（2）在边坡运营效果分析结果中，边坡工后变形值均小于30 mm，且通过预测，其工后变形虽会进一步增加，但其后续预测值在控制值范围内，边坡防治后的变形始终在控制范围内，说明防治措施合理有效。参考文献 1 孔祥利.基于数值模拟的外界荷载对边坡稳定性影响的研究 J.江西建材，2023（3）：63-64，68.2 王建林.高边坡支护预应力锚索施工技术探讨J.江西建材，2022（12）：344-345，348.3 赵文，刘亚雄，吉安娜，等.川藏寒区道路边坡涎流冰防治措施试验研究J.水文地质工程地质，2023，50（1）：122-131.4 高丙丽，张金厚，廖小辉，等.山地旅游景区岩质边坡稳定性分析及其防治措施J.工程地质学报，2022，30（4）：1316-1324.5 徐永福，程岩，肖杰，等.膨胀土滑坡和工程边坡新型防治技术研究J.岩土工程学报，2022，44（7）：1281-1294.6 吴朋宇，张志红，戴福初，等.顺层岩质边坡溃屈变形机制及失稳判定方法J.吉林大学学报（地球科学版），2022，52（2）：517-525.（上接第97 页）