彭 浩

(中鐵十一局集團第一工程公司，湖北 襄陽 441104)

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大跨隧道下穿高壓輸電鐵塔施工技術

彭 浩

(中鐵十一局集團第一工程公司，湖北 襄陽 441104)

摘要：三車道大跨度周山隧道下穿高達36.5 m的高壓輸電鐵塔。為保證高壓電塔的安全，采用將電塔原獨立基礎用鋼筋混凝土板連接成整體、洞內采用雙層小導管注漿超前支護、加強初期支護，并結合CRD分部開挖法施工方案。采用三維數(shù)值模擬方法驗證了施工方案的可行性。施工過程中鐵塔基礎沉降位移監(jiān)測結果表明，所采用施工方案既保證隧道安全，又保證了鐵塔安全。

關鍵詞：大跨隧道；下穿施工；高壓電塔；CRD法

1 工程概況

洛陽西環(huán)路周山隧道是為改善既有孫辛路的縱坡通行條件及保護周山森林公園環(huán)境并結合二環(huán)路而建，位于洛陽市高新區(qū)后五龍溝村與周山森林公園之間。隧道為三車道分離式雙洞結構，隧道左洞長1 908 m，右洞長1 891 m。隧道最大埋深72 m，平均埋深40 m，主洞最大開挖跨度16.2 m。

隧址區(qū)為黃土丘陵地貌單元，地形起伏較大。地表植被發(fā)育，多為耕地及果園。隧道下穿多座民房、工業(yè)廠房，兩次下穿公路及9座高壓電塔。其中7# 220 kV高壓鐵塔位于隧道左線中線左側6.5 m，為九都到龍門的輸電線路，承擔洛陽市近1/6的供電負荷，施工難度最大。

隧址區(qū)為黃土丘陵地貌。下穿7#電塔段(中心里程：ZK2+628)地質情況為：地表為0.50～2.3 m的雜填土，粉質粘土、細砂、鈣質膠結層、全～強風化泥質砂巖及粉砂巖，洞身所在地層為粉質粘土層等。隧址區(qū)地表水不發(fā)育，勘探期間勘探深度內未見地下水。此處隧道埋深約40 m。

2 電力鐵塔基礎變形控制基準

2.1 高壓鐵塔基礎情況

根據(jù)電力部門提供的資料，電力鐵塔塔身為四角鋼架結構，電力鐵塔基礎為4個獨立的臺階式混凝土擴大基礎，塔身及電線重量由4個電力鐵塔基礎分別承擔(圖1)，基礎形式如圖2所示。其中基礎埋深H=4.25 m，基礎底面寬D=4.9 m，基礎根開A=B=8.32 m，塔高36.5 m，塔重1 128 kN。

圖1 電力鐵塔基礎形式圖

圖2 電力鐵塔基礎尺寸示意圖

2.2 高壓電塔變形控制基準

雖然也出現(xiàn)過多次隧道下穿高壓鐵塔的施工案例[1-3]，但均未給出鐵塔基礎的沉降控制基準?！都芸蛰旊娋€路運行規(guī)程》給出了高度在50 m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，因此根據(jù)該規(guī)程要求周山隧道施工引起7#電塔的傾斜度允許值為1%。但袁廣林等采用有限元數(shù)值模擬分析得出采用Q235角鋼構件組成的鐵塔在僅單個基礎發(fā)生沉降位移達到5%根開時構件未出現(xiàn)屈服。鑒于此處鐵塔已經服役多年，可以按僅有一側基礎發(fā)生沉降量為1%根開時作為隧道施工引起的最大允許沉降，即[U]=1%A=82 mm。由此可以制訂施工管理基準如下：

3 施工方案

3.1 電塔基礎加固

將高壓鐵塔4個獨立基礎連接為整體，原塔基與整體基礎連接處鉆孔，鉆孔呈梅花型布置，然后植入鋼筋并采用錨固劑加固，鋼筋與基礎鋼筋焊接。整體基礎采用C30鋼筋混凝土，厚度為100 cm，鐵塔加固方案如圖3所示。

圖3 整體基礎加固示意圖

3.2 隧道洞內控制措施

在7#號電塔前后共40 m范圍內進行洞內加強超前支護和初期支護，控制隧道變形。

3.2.1 超前支護

采用沿隧道拱部150°范圍內布置壁厚3.5 mm的?42 mm注漿小導管做超前支護。小導管采用熱軋無縫鋼管，管壁四周鉆?8 mm的壓漿孔，孔距20 cm，梅花形布置，鋼管前端10 cm 加工成圓錐形，鋼管尾部1 m不設注漿孔。小導管長5 m，環(huán)向間距40 cm，層距50 cm，外插角10～13°，采用YT-28 型汽腿式鑿巖機鉆孔；注水灰比1∶1的水泥漿，注漿壓力0.5～1.0 MPa，相鄰兩環(huán)搭接2 m。

3.2.2 施工方法及支護參數(shù)

為了控制地表沉降，采用CRD法進行隧道施工，各部臺階長度控制在4.2 m。支護采用HW175型鋼拱架，間距0.6 m，相鄰兩榀鋼架之間用?22 mm螺紋鋼筋在鋼架內、外交錯連接，鋼架接頭處均搭設?42 mm注漿鋼管進行錨固，噴C25鋼纖維混凝土，厚度28 cm。臨時支護采用I20b，間距0.6 m，并噴厚度24 cm的C25混凝土。

3.3 施工方案的可行性數(shù)值模擬

3.3.1 計算模型及參數(shù)

計算模型范圍按左右邊界距隧道中心線距離3～5倍洞徑考慮[4]，底部邊界距隧道底部的距離按3～5倍隧道高度考慮。指定沿隧道軸線開挖方向為y軸正向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進橫斷面向右方向為x 軸正向，整個計算模型在x、y、z三個方向尺寸為150 m×60 m×90 m(隧道拱頂?shù)侥Ｐ蜕媳砻娴木嚯x為40.3 m)，模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。圍巖及初期支護結構均采用八節(jié)點六面體單元來模擬，模型共劃分了83 640個節(jié)點和79 100個單元。三維計算模型及局部網(wǎng)格見圖4。每個開挖計算步為0.6 m，開挖下一步時施作上一步支護，臺階長度4.2 m，右線隧道超前30 m。將電塔自重作為集中力等分施加在4個基礎之上。

圖4 計算模型圖

地層及超前支護注漿加固區(qū)均視為摩爾—庫侖理想彈塑性材料，支護結構均視為彈性材料。鋼架在計算模擬時根據(jù)抗彎剛度等效原理來提高初期支護的彈性模量。地層物理力學參數(shù)參照地勘資料確定。地層和支護的物理力學指標見表1。

3.3.2 計算結果及分析

(1) 隧道施工完成后隧道拱頂沉降及各開挖分部斷面收斂如圖5所示，電塔基礎沉降云圖如圖6所示。

從圖5可知，隧道施工過程中拱頂沉降顯著大于各分部水平收斂，拱頂右側沉降大于左側，拱頂最大沉降量為82.5 mm。電塔基礎最大沉降出現(xiàn)在右下角，最大沉降值為43.5 mm，小于上述管理基準Ⅱ的上限，因此采用此施工方案可以保證隧道施工安全。

表1 地層和支護的物理力學性能指標

圖5 隧道拱頂沉降及斷面收斂

圖6 基礎沉降云圖

(2) 圖7和圖8分別為隧道施工完成后支護結構及臨時支護的最大拉應力及壓應力。

圖7 支護結構及臨時支護最大拉應力(單位：Pa)

圖8 支護結構及臨時支護最大壓應力(單位：Pa)

從圖7和圖8可以看出，支護最大拉應力出現(xiàn)在拱部左側與臨時豎向支撐連接部位，最大拉應力為5.48 MPa，由于鋼架剛度大，安裝早，所以拉應力主要由鋼架承擔；豎向臨時支護及兩側墻中處壓應力較大，最大壓應力在豎向臨時支護處，為14.84 MPa，由此可見隧道支護結構受力也是安全的。

4 施工效果

在隧道施工過程中在高壓電塔原4個基礎上布設4個沉降測點，監(jiān)測其沉降位移以指導施工，電塔基礎四角沉降位移曲線如圖9所示。

圖9 基礎的4個角點的沉降曲線

從圖9可以看出，高壓電塔的4個角點的最終沉降位移大小依次為右后、右前、左后和左前，與計算結果基本一致?；A最大沉降位移在右后角，為40.3 mm，小于管理基準Ⅱ上限，與計算結果比較接近。基礎最大傾斜0.52%，小于前述傾斜允許值。

5 結論

在隧道施工過程中對電塔基礎沉降位移進行監(jiān)測，結果表明：電塔基礎的最大沉降位移40.3 mm，最大傾斜為0.52%，均在安全范圍之內，保證了隧道施工及高壓電塔的安全。

參考文獻

[1]張震, 鐘放平,陽軍生.大跨度隧道下穿高壓輸電鐵塔施工技術研究[J].公路工程，2013,38(4)：153-156

[2]徐茂兵．區(qū)間隧道通過既有高壓鐵塔加固方案[J]．現(xiàn)代隧道技術，2002，39(5)：48-52

[3]張寧.淺埋大跨隧道下穿110 kV 高壓電塔控制沉降技術[J].現(xiàn)代隧道技術，2013,50(6):184-188

[4]袁廣林，楊庚宇，張云飛．地表變形對輸電鐵塔內力和變形的影響規(guī)律[J]．煤炭學報，2009，34(8)：1043-1047

Construction Techniques for Large-Span Tunnels Under-Crossing the High-Voltage Transmission Tower

Peng Hao

(The 1st Engineering Co. Ltd. of the 11th Bureau Group of China Railway,Xiangyang 44114,China)

Abstract:The 3-lane,large-span Zhoushan Tunnel is designed to run underneath a high-voltage transmission tower with the height of 36.5 m.In order to ensure the security of the tower,the following construction schemes are carried out in which the original four independent foundation blocks of the tower are combined into a whole with reinforced slabs,the double-layer small grouting pipes and initial strengthening support structures are adopted for construction inside the tunnel and the CRD sectioned excavation is performed.The three-dimensional numerical method is used to verify the effectiveness of the schemes.The monitored results of the settlement and displacement of the tower foundation in the course of the construction show that the chosen construction schemes ensures the security of both the tower and the tunnel itself.

Key words:large-span tunnel;under-crossing construction;high-voltage tower;CRD excavation method

收稿日期：2016-01-18

作者簡介：彭浩(1982—)，男，工程師，主要從事鐵路、公路施工及技術管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.016

中圖分類號：U455

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)03-0059-04