邻近明挖隧道施工及运营对高压电塔的影响分析

蒋昌锋

（广州市政府投资项目研究评审中心，广东 广州 510500）

0 引言

高压电塔为典型的高耸结构，具有整体刚度小、基础相互独立、对倾斜度非常敏感等特点。邻近高压电塔隧道建设时，若地层位移控制不当，易导致电塔塔基发生不均匀沉降，甚至导致电塔倒塌，危及电力线路的正常运营和生命财产安全[1-2]，因此开展邻近工程建设对高压电塔的影响研究，并制定合理可行的实施方案至关重要。现有邻近高压电塔的各类工程诱发的影响研究中，大多探索下穿隧道施工对上覆电塔的稳定性分析[3-5]，对于侧向隧道施工及运营对高压电塔的影响却鲜见报道。

基于此，以广州某邻近220 kV 高压电塔明挖隧道实例为依托，提出了隧道实施高压电塔可能存在的风险，借助数值法建立隧道基坑开挖和运营车辆荷载作用的静、动模型，计算分析隧道施工和运营扰动下高压电塔的力学响应特征，评价隧道实施方案的可靠性。研究取得的认识可为类似工程提供良好的借鉴。

1 工程概况及风险分析

1.1 工程简介

广州某明挖单向两车道隧道，设计时速40 km/h，在里程K0+186～K0+193 范围，邻近隧道结构边约4.7 m 位置有220 kV 高37 m 的电塔，具体位置关系见图1。隧道建设和运营对电塔势必造成扰动，且主要体现在隧道基坑开挖过程和运营过程。

图1 隧道基坑与电塔位置关系

基坑宽约10.6 m，深4 m，采用ϕ1 m＠1.2 m 的支护桩和ϕ0.6 m 的桩间旋喷止水。高压电塔为铁塔，基础为ϕ1 m 的灌注桩， 桩基受到的最大水平力为220.4 kN，最大竖向压力为1 530.9 kN、最大拔力为1 190.4 kN。由现场勘察资料可得场地土层物理力学参数，见表1。

表1 土层物理力学参数

1.2 高压电塔风险分析

考虑到电塔对位移，尤其是不均匀位移的敏感性，隧道施工与运营可能引起的铁塔风险包括：

（1）电塔倾斜。邻近隧道基坑开挖卸载和运营车辆荷载作用，对坑外与电塔间的土层产生应力扰动，从而影响土层的位移场，促使电塔基础位移；由于隧道施工运营扰动特征为由近向四周扩散衰减，近隧道侧电塔桩基位移大于较远侧，导致电塔出现倾斜；

（2）整体失稳。基坑开挖支护过程，整体稳定性不足会引起电塔地基滑动，诱发电塔整体失稳破坏，造成极坏的社会影响和重大的经济损失；

（3）局部失稳。铁塔自身设计、施工质量等可能的缺陷，以及长期运营荷载作用，局部面临失稳破坏的风险，隧道运营循环的车辆振动荷载会增大电塔局部失稳的风险。

通过上述分析可知，隧道施工和运营过程中，邻近高压电塔存在风险。因此，准确评价隧道施工与运营过程自身稳定性及邻近电塔的力学响应特征是十分必要的。

2 隧道施工阶段高压电塔力学响应分析

借助数值法探索新建隧道对邻近高压电塔的影响，且由于新建隧道对电塔的影响通过地基土传递至电塔桩基，进而影响到电塔上部结构，电塔桩基的力学行为表征了实际电塔的响应特征，故计算重点考察电塔桩基的力学响应，以评价电塔整体应用性状。

2.1 计算模型与工况

模型中支护桩可等效为板桩，按下式计算板桩弹性模量[6]。

式中：Ep为混凝土弹性模量；Es为土体压缩模量；u为相邻桩之间的距离；d 为桩径。将参数代入式（1），计算得到等效后的弹性模量为2.0×107kPa。

模型计算范围选取充分考虑了基坑开挖和桩基引起的边界效应，参考相关文献[7-8]，结合工程实践经验，计算模型几何尺寸X、Y 方向分别为27 m、22 m。模型中土层利用二维平面应变单元模拟，内支撑采用锚定杆模拟，灌注桩通过嵌入式桩模拟。模型中第一层土采用HS 模型，下面土层用HSS 模型，且上述相关结构则采用弹性本构模型。整体计算模型见图2，模型侧向加水平位移和对称约束，底部加竖向约束，顶面为自由面。

图2 计算模型

本次计算含6 个工况，即6 个计算步，地面标高取±0.00 m，见表2。

表2 计算工况

2.2 计算结果与分析

图3 为基坑开挖后整体位移云图，定义位移指向坐标正轴为正，反之为负。由位移云图可知，基坑开挖后，在不平衡压力和卸载作用下，产生的最大侧移、沉降分别为3 mm 和5 mm，均明显小于基坑规范位移限值，且基坑开挖后整体稳定系数为1.825，也明显大于规范要求，说明基坑支护方案能够满足自身稳定要求。

图3 基坑开挖完位移云图

图4 为隧道基坑开挖诱发的电塔桩基位移，可见，靠近基坑第一排桩最大位移为4.13 mm，第二排桩最大位移2.5 1 mm，均出现在桩顶，由此产生的倾斜为0.011%，显著小于规范[9]规定的1%限值。

图4 基坑开挖诱发的电塔桩基位移

3 隧道运营阶段高压电塔力学响应分析

3.1 计算模型与工况

动力计算中边界施加弹簧阻尼边界，利用单位面积上的阻尼常数施加边界，使截取的有限土体与外部无限土体之间进行能量交换，满足波透过虚拟边界辐射至无穷远处的辐射条件。 阻尼采用Rayleigh 阻尼表达式为[10]：

式中：[C]为阻尼矩阵；[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵；α 质量阻尼系数；β 为刚度相关阻尼系数。由结构动力学知识可知阻尼系数Cs=ρνs，Cp=ρνp，式中νs、νp分别表示剪切波和纵波的波速，ρ 为介质密度。由弹性力学知识可知，介质中波的传播速度是常数，它取决于介质的弹性模量E、泊松比ν 及密度ρ，可表示为：

通过计算得到不同土层对应的阻尼系数。对于动力计算模型中的弹性边界，借助地基弹簧实现，采用经验公式（5）计算，式中k0为土层侧压力系数，Es为土层的压缩模量，通过计算得到不同土层k 值。

采用描述车辆波动的谐波稳态荷载来进行车辆荷载的变化分析，具体表示如下[12]：

式中：P 为恒定荷载，取轮压；λ 为动荷载系数；T 为荷载作用周期；V 为车辆速度；L 为轮胎接触面积半径，通过计算得到车辆荷载见图5。车辆通过时间一般为0.01～0.1 s，取单点作用时间为0.05 s。由前所述可知，列车移动荷载经过模型范围（X 方向长度）所需时间为20/36/3.6=2 s。

图5 车辆正弦荷载

计算模型几何尺寸X、Y、Z 方向分别为38 m、20 m 及19 m。模型中土层和结构均利用三维实体单元模拟，基坑支护桩通过刚度等效为板桩[6]，通过壳单元模拟。模型中土层采用M-C 模型，相关结构则用弹性本构模型，三维计算模型见图6。

图6 车辆荷载动力计算模型

动力计算含2 个工况，即2 个计算步，具体见表3。汽车移动荷载以节点动力荷载的形式加到路面上。

表3 计算工况

通过计算发现，1 s 时对应的桩基受到的扰动最明显，因此取该时刻对应的位移进行分析。图7 为工况2，即车辆荷载引起的总体模型位移云图，水平、竖向在车辆荷载作用下最大位移为0.41 mm、0.66 mm。图8 为工况2 桩基位移云图，由车辆荷载引起的桩基最大水平和竖向位移分别为0.13 mm、0.04 mm，对应的电塔倾斜度为0.0007%，说明隧道运营阶段车辆荷载对电塔影响细微，隧道运营能保证电塔的安全稳定。

图7 1 s 对应的整体模型位移云图

图8 1 s 对应的电塔桩基位移云图

4 结语

（1）基于邻近隧道施工和运营力学扰动特征，可能诱发高压电塔倾斜、整体失稳及局部失稳风险，有必要准确评价隧道施工和运营过程邻近高压电塔的力学响应特征；

（2）隧道基坑开挖产生的土层最大水平位移为8.5 mm，最大沉降为5 mm，整体安全系数为1.837，均满足规范要求，说明基坑支护方案可行，能满足整体稳定要求；

（3）隧道开挖时，诱发的前、后排电塔桩基最大位移为4.13 mm、2.51 mm，均出现在桩顶，由此产生的倾斜为0.011%，显著小于50 m 以下高度规范规定的1%限值；

（4）隧道运营时，车辆循环荷载引起的土层最大水平、竖向位移分别为0.41 mm 与0.66 mm，电塔桩基出现的最大位移为0 . 13 mm ，对应倾斜度为0.000 7%，均显著小于规范允许值。通过计算分析可判断，新建隧道施工和运营阶段对电塔的影响很细微，能保证电塔的安全稳定。

尽管隧道建设方案具备可靠性，但考虑到实际实施存在不可预知的其他风险，建议加强隧道建设过程实时监控，并在隧道与电塔间设置2 排ϕ42 袖阀管跟踪注浆，进一步确保电塔的安全稳定。