大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用

第31卷第6期岩石力学与工程学报Vol.31No.62012年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2012收稿日期：2012–02–25；修回日期：2012–03–03基金项目：交通运输部科技示范工程攻关项目(CXKJSF0106–1)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET–09–0569)作者简介：阳军生(1969–)，男，1990年毕业于湘潭矿业学院采矿工程专业，现任教授、博士生导师，主要从事隧道与地下工程方面的教学与研究工作。E-mail：[e-mail]大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用阳军生1，杨元洪1，2，晏莉3，张华林1，3，胡鑫1，唐鹏1(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；2.国家林业局昆明勘察设计院，云南昆明650216；3.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙410076)摘要：李家冲大断面公路隧道下穿既有高压输电铁塔，施工风险高。在风险分析的基础上，提出可能的应对措施，通过建立高压输电铁塔与大断面隧道施工相互作用的三维数值模型，对注浆加固山体后采用双侧壁导坑法开挖、H型框架梁加固塔基后三台阶留核心土法开挖、以及塔基托换后三台阶留核心土法开挖等方案进行比选，提出采用H型框架梁将高压输电铁塔塔基连成整体的加固方案。数值计算及现场实施效果表明：采用H型框架梁对铁塔基础进行加固，铁塔基础成为整体结构后再进行大断面隧道三台阶留核心土开挖，可有效控制铁塔的累计沉降及不均匀沉降，铁塔受力与变形均在容许的范围之内，在保证铁塔和隧道施工安全的同时，加快了施工进度，技术经济效果非常明显，可供类似工程参考。关键词：隧道工程；高压输电铁塔；基础加固；沉降；数值分析中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2012)06–1184–08CONSTRUCTIONSCHEMECHOICEOFLARGE-SPANTUNNELSUNDER-PASSINGHIGHVOLTAGETRANSMISSIONTOWERANDITSAPPLICATIONYANGJunsheng1，YANGYuanhong1，2，YANLi3，ZHANGHualin1，3，HUXin1，TANGPeng1(1.SchoolofCivilEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha，Hunan410075，China；2.ChinaForestExplorationandDesignInstituteOnKunming，Kunming，Yunnan650216，China；3.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha，Hunan410076，China)Abstract：Lijiachonglarge-spantunnelisexcavatedbelowtheexistinghigh-voltagetransmissiontower，andtheriskoftunnelconstructionisveryhigh.Severalpossibleschemesfortunnelconstructionandfoundationreinforcementofhigh-voltagetransmissiontowerwerepresentedbasedonriskanalysis；andcomparisonamongtunnelexcavationusingtwo-sidewalldriftheadingmethodaftermountaingruntingconsolidation，tunnelexcavationusingthreebenchmethodwiththecoreofsurroundingrockremainedaftertowerfoundationwerereinforcedwithH-shapedframedgirders，andtunnelexcavationusingthreebenchmethodwiththecoreofsurroundingrockremainedaftertowerfoundationwereunderpinnedareintroducedthrougha3Dnumericalanalysisoftheinteractionbetweentunnelconstructionandhigh-voltagetransmissiontower.TheschemeofusingH-shapedframedgirderstoconnectthefoundationsasawholeisadopted.ItisshownthatafterthepilefoundationswereconnectedwithH-shapedframedgirders，thefoundationsworkedasawhole，tunnelingusingthreebenchmethodwiththecoreofsurroundingrockremainedbecamesafety.Cumulativesettlementandunevensettlementwerewellcontrolled，andtheforcesanddeformationsofthetowerwereintheallowableranges.By第31卷第6期阳军生等：大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用•1185•reinforcingthetowerfoundationsusingtheH-shapedframedgirders，Lijiachongtunnelsafelypassedbeneaththetransmissiontower；andgoodeconomicalandtechnicalresultsareobtained.Theresultscanprovideareferenceforsimilarprojects.Keywords：tunnelingengineering；high-voltagetransmissiontower；reinforcementoffoundations；settlement；numericalanalysis1引言隧道施工过程中不可避免地临近既有建(构)筑物，并可能对其产生不利影响。高压输电铁塔是输电线路中的主要承力构件，目前我国最常见的包括自立式输电铁塔、拉线式输电铁塔、钢筋混凝土塔或钢管杆塔等，其中干字型自立式输电铁塔结构形式较为简单，是目前220～500kV送电线路上最常用的承力塔[1]。作为高耸空间结构，干字型自立式输电铁塔具有刚度较小、塔基相互独立、对基础差异沉降敏感等特点。隧道邻近既有高压输电铁塔施工时，地下开挖引起的地层位移容易导致铁塔塔基发生不均匀沉降，严重时可致铁塔倒塌，危及电力线路的正常运行和生命财产安全，施工风险极高。目前，虽有通过加固或者托换，保证地铁区间隧道顺利下穿高压铁塔的成功的案例[2]，但当大断面浅埋隧道上覆高压输电铁塔时，通常采用拆除改建的方式以规避风险。因此，在国内外隧道施工对邻近结构物影响的文献中，鲜有针对大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工风险控制的研究。长沙至湘潭高速公路李家冲隧道开挖跨度超过18m，下穿500kV高压输电铁塔，下穿处埋深约20m。拆除铁塔存在投资大、工期难以保证等问题。因此如何减小隧道暗挖对输电铁塔的影响，保证高压输电铁塔的安全、正常运营及隧道施工安全是该工程的重点和难点。本文结合李家冲隧道下穿500kV高压输电铁塔工程实例，在风险分析的基础上，提出了可能的应对措施。采用数值手段对不同处治方案进行比选，提出了采用H型框架梁将高压输电铁塔塔基连成整体的加固方案。将铁塔基础连接成为整体结构后再进行大断面隧道三台阶留核心土法开挖，技术经济效果明显，可为类似工程提供参考。2工程概况李家冲隧道为双向六车道分离式高速公路隧道，左线长115m，右线长180m，最大开挖跨度18.03m、高度12.31m。左右洞测线的最小间距为28.9m，属于小间距隧道。隧道全线浅埋，隧道区表层主要为第四系粉质黏土，下伏全～微风化变质砂岩，围岩节理裂隙发育[3]，李家冲隧道全线围岩等级为V级，图1为李家冲隧道左线地质纵断面图。隧道开挖尺寸以及支护参数如图2所示。图1李家冲隧道左线地质纵断面图Fig.1Longitudinalcross-sectionofLijiachonglefttunnel隧道洞顶坐落有一座500kV高压输电线铁塔，属于艾鹤II号线，该铁塔为双回路转角塔，铁塔塔身总高度达到57m，塔基中心线位于隧道ZK147+103左侧12.25m，如图3所示。考虑地形及转角塔外负荷载不对称特点，设计塔腿不等长、塔身不对称。铁塔下部基础为4座直径1.7m的独立现浇混凝土结构，基础埋深4.8m。3隧道下穿高压输电铁塔风险分析3.1风险分析艾鹤II号高压线路担任了长沙—湘潭的输电任务，作用十分重要。李家冲隧道跨度大，全线浅埋，开挖易引起较大地层变形，而铁塔位于隧道左右洞开挖相互影响范围内，对沉降的反应敏感，隧道开挖可能导致的铁塔损害包括：(1)铁塔倾斜铁塔距左右洞距离不等，左右洞开挖对铁塔的影响大小不同，且铁塔基础相互独立、外负荷载不对称。因此，塔基易发生不均匀沉降，造成铁塔倾斜，引起杆塔变形或局部破坏，过大的倾斜可能导致铁塔的整体倾覆。−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−170160150140130120110开始处：LK147+050LK147+101.44结束处：LK147+165147.2PtbwPtbw高程/m•1186•岩石力学与工程学报2012年图2李家冲隧道衬砌结构图(单位：cm)Fig.2LiningstructurediagramofLijiachongTunnel(unit：cm)图3铁塔与隧道空间关系(单位：m)Fig.3Spatialrelationbetweentunnelsandtower(unit：m)(2)铁塔整体下沉隧道开挖对地层的扰动势必导致铁塔整体下沉，若铁塔沉降过大，档距、运行张力、对地距离等输电线路元素状况将发生改变，导致线路无法安全输电。(3)局部失稳破坏铁塔在自身设计、材料、施工质量等可能的缺陷，以及破坏性强风暴、冰雪、振动荷载等因素的影响下，已面临着局部失稳破坏的风险，现又在其下方进行大断面隧道施工，将会进一步增大铁塔局部失稳的风险。铁塔的过大倾斜甚至倒塌，将迫使输电线路中断，导致极坏的社会影响，造成无法挽回的经济损失，并引发问责风险。而目前对于敏感的高压输电铁塔高耸结构物的抗变形能力尚不明确，李家冲隧道浅埋，跨度大，左右双洞开挖势必多次扰动围岩，对铁塔产生影响。因此，隧道施工风险极高。3.2高压输电铁塔处置方案与隧道施工方法的比选鉴于李家冲隧道下穿既有高压输电铁塔施工风险极高，为规避风险，需采取有效的风险控制措施。拟从铁塔及隧道施工2个方面进行风险控制。3.2.1风险控制方案初选(1)铁塔拆除改建拆除李家冲隧道上方铁塔，更改输电线路方向。由于拆除方案涉及多座铁塔及其线路的改造，以及征地拆迁等，存在投资大、工期难以保证等难题，15.0018.0318.0316.6512.2512.3115.504.80纵环间距100×75，梅花形布置初期支护第31卷第6期阳军生等：大断面隧道下穿既有高压输电铁塔施工方案比选及其应用•1187•铁塔拆除改建难以实现。(2)山体加固后双侧壁导坑法暗挖施工对山体进行注浆加固，隧道采用双侧壁导坑法开挖并辅以双层管棚超前支护。该法有利于控制围岩变形，但由于输电铁塔刚度较小，塔基相互独立，一旦出现较大差异沉降，将会影响线路供电安全。(3)框架梁加固后三台阶留核心土法暗挖施工目