高海拔特长公路隧道下穿高压电杆的加固措施

孙永清，李学智，胡 川，刘明江，王 渊

（中交隧道局第四工程有限公司，四川 成都 610091）

0 引 言

随着中国交通基础设施工程的蓬勃发展，出现越来越多的新建工程修建在既有结构物周边的情况，新、旧结构物错综复杂的邻近位置关系，将可能威胁既有结构物的安全［1－3］。隧道开挖将改变周边围岩的初始应力状态，破坏近接结构物的应力平衡，导致既有结构物出现应力或位移超限，影响其正常使用［4－6］。因此，国内外学者对隧道近接工程施工控制技术进行了广泛的研究，并取得了很多重要的研究成果［7－9］。

张志强等［10］采用数值模拟手段研究玄武湖隧道与地铁盾构隧道超近接施工的力学行为，提出近接既有玄武湖隧道盾构的施工建议。张顶立等［11］依托厦门机场路一期工程下穿隧道，通过现场试验与变形监测，对洞内施工提出改进意见，并建议采取地面注浆抬升建筑物的加固措施，方案有效保证了既有建筑物的安全。陈星欣等［12］将资料调研与理论分析相结合，根据结构物的特点，提出相应的控制沉降措施和建议沉降标准。近接施工时，往往会采取注浆的方式控制变形。潘政［13］通过数值模拟分析不等强注浆技术对地层变形的影响，并进行现场实施，验证了不等强注浆技术的可行性。胡长明等［14］运用风险评估理论，结合数值模拟，提出盾构临近河流始发及下穿电塔的综合施工技术。金建伟［15］利用 Midas／GTS分析了电塔与隧道相互之间的影响，以洞内加强为主、地表加固为辅的下穿电塔方案取得了良好的效果。杨元洪［16］以李家冲隧道下穿高压电塔为研究对象，研究隧道施工与上覆铁塔的相互影响，扩展了新建隧道与既有结构物相互作用的研究内容。

目前，对于隧道近接工程的研究大多集中在城市隧道中，既有近接结构又多为建筑物、路基、隧道，而隧道下穿高压电杆的研究相对较少［17－18］，尤其针对高寒高海拔地区浅埋偏压隧道下穿高压电杆的研究几乎没有。本文依托工程的洞顶高压电杆位于高海拔隧道浅埋段，基础埋深浅，洞顶围岩较为破碎，隧道开挖过程中极易出现上覆岩土体塌落，导致高压电杆位移超限破坏。因此，本文采用物理力学试验和数值模拟手段分析围岩大管棚超前支护和地表注浆加固效果，并通过现场变形监测进行验证，研究成果可为浅埋公路隧道下穿高压电杆的施工与加固提供参考。

1 工程概况

国道317线珠角拉山隧道及连接线新建工程（K1326＋707.898～K1335＋550）是昌都至拉萨的重要交通干线，是国道214线、317线公路合线段。如图1所示，珠角拉山隧道长4 605m，为特长隧道，按单洞双向两车道40km·h－1二级公路标准设计。隧道进口位于山前坡脚段斜坡地貌，地形坡度40°～50°；出口段位于紫曲拉河与山前斜坡交汇台地前缘处，地形坡度15°～25°。

隧道于出口K1335＋097位置处下穿高压电杆。从洞口K1330＋160至K1335＋135段洞顶围岩主要为碎石土覆盖层和强风化层，厚度较薄，地层破碎，成洞困难，需超前支护。出口段地质构造较简单、地形平缓，隧道挂口条件一般；由于洞顶岩土较薄，围岩较差，成洞条件较差，隧道开挖过程中，薄层围岩易发生垮塌，甚至导致地表发生过大的沉降，影响高压电杆的安全使用，如图2所示。

图1 珠角拉山隧道

图2 高压电杆与隧道的现场位置关系

2 下穿方案

2.1 高压电杆与隧道的位置关系

根据珠角拉山隧道通风方案比选，并结合隧址区地形，在隧道轴线左侧23.7m（测设线间距）设置平行导洞。既有高压电杆为水泥电杆，高12m，基础埋深2m，双杆距离3m，位于正洞里程K1335＋097正上方右侧。电杆基础底部距离正洞拱顶17.8 m，与正洞中心线最小水平净距为0.8m，与平行导洞中心线最小水平净距为19.9m。高压电杆与隧道的位置关系如图3所示。

2.2 电杆加固设计

为防止在施工过程中扰动高压电杆，施工前应先对高压电杆周围进行注浆加固（K1335＋080～K1335＋110段），加固宽度为高压电杆左、右各20 m范围，如图4所示。注浆完成且浆液达到强度后方可进行下穿段的开挖，该段禁止放大炮，尽量采用机械开挖，减少对高压电杆的扰动。具体注浆加固工艺流程为：机具设备安装、定位钻孔、封孔、配水泥浆、注浆、钻机移位。

图3 高压电杆与隧道的位置关系

图4 高压电杆加固

（1）机具设备安装。先将钻机安放于预定孔位，调好高度、角度，连接注浆泵及管路，再安装压力表，并检查是否完好，然后试运转。

（2）钻孔封孔。根据注浆深度及每根管的长度进行配管；将配好的管节逐节沉入土中，保持垂直并且距离正确，管子四周孔隙用土填塞密实。注浆小导管尾部至理论开挖轮廓线距离为50cm，小导管长度及加固宽度可根据实际地形适当调整，导管间距为1.0m×1.0m，呈梅花形布置。注浆小导管壁厚4mm，管口段500cm钢管不开孔，其余部分按10cm间距交错设置注浆孔，孔径8mm。

（3）配置浆液。注浆材料为水灰比为1∶1的水泥浆。浆液采用ZJ－400型立式高速耐磨搅拌机拌制，然后输送到立式桶储浆搅拌机内。

（4）注浆。采用BW200／40灌浆泵泵入水泥浆，注浆压力为0.5～1.0MPa，浆液配合比和注浆压力可以通过现场试验确定，扩散半径不小于1m，灌注浆液浓度应由稀到浓，注浆压力由低到高，逐级变换，终压持续10min以上。施工时先进行注浆区域外围帷幕孔的注浆，往浆液里掺加占水泥质量2%～3%的速凝剂，使孔内浆液快速凝固，形成帷幕，防止内部孔注浆时流失。

（5）质量标准。注浆加固后，取试块作无侧限抗压试验，检测值不得低于规范要求，变形指标须符合规范要求。

2.3 洞内施工方案

下穿段围岩为碎石土及强风化－中风化泥质粉砂岩及泥岩，岩体较破碎，节理裂隙较发育，呈层状碎裂结构，开挖后，拱部易坍塌及掉块，侧壁不稳定。隧道开挖后可能渗水或滴水。施工采用留核心土分步开挖，遵循“快挖、快支、早封闭”的原则，采取分部开挖、及时支护、各工序紧跟的施工方法。平行导洞超前，具有探明隧道地质、改善隧道通风和多开隧道工作面的重大意义，隧道搭建大管棚支护，平行导坑掌子面比正洞掌子面超前30～50m的距离，如图5所示。

图5 正洞大管棚施工方案

3 数值模拟

3.1 计算模型

依据《国道317线（西藏境）珠角拉山隧道及接线工程设计附图》，使用FLAC3D建立三维有限差分模型，如图6所示。大管棚如图7所示。主洞建筑限界：限宽9m，限界高度5m；平行导洞建筑限界：限宽4.5m，限界高度5m。为减小边界效应的影响，模型左右边界各取距隧道3倍洞径，

图6 计算模型

图7 超前大管棚

底部边界距隧道拱底30m，顶部取实际埋深。故整体数值模型的尺寸为88m×90m×61m。隧道支护、电杆基础以及围岩采用三维六面体实体单元进行模拟。假定围岩为连续均匀介质，采用Mohr－Coulomb模型作为其本构模型；隧道支护与电杆基础采用弹性模型，围岩与支护完全密贴。对模型施加固定的应力边界条件，其中底部边界施加竖直方向的约束，四周边界施加水平方向的约束。模型初始地应力平衡只考虑自重应力，忽略构造应力的影响。采用三台阶留核心土法进行施工，核心土长度为3m，第一台阶与第二台阶长度为12m，第二台阶与第三台阶长度为12m，开挖循环进尺为0.8m，如图8所示。

图8 台阶法预留核心土施工

3.2 计算参数

洞身主要穿越高海拔碎石土及强风化－中风化泥质粉砂岩，顶部位于碎石土层与强风化粉砂岩，拱底坐落于中风化粉砂岩。通过现场取样，在高校实验室进行岩土的物理力学试验，通过三轴试验、固结试验和直剪试验获取高海拔隧道围岩物理力学参数，为后续准确地建立三维数值模型提供理论支撑，物理力学试验如图9所示。地表注浆加固区参数通过现场钻芯检测结果确定，如图10所示。

图10 地表加固区钻孔取芯试验

综合室内物理力学试验和现场取芯可得到模型计算参数，如表1所示。

表1 计算参数

3.3 计算结果及分析

3.3.1 电杆基础位移分析

模拟隧道开挖下穿高压电杆全过程，得到电杆基础的沉降位移曲线，如图11、12所示。从图中可以看出，随着隧道掌子面与电杆基础距离的减小，电杆基础竖向沉降逐渐增大。双杆距离较近，竖向沉降变化趋势基本一致，大致呈S形。从初始状态到平行导洞掌子面通过电杆基础位置，沉降增长较少；从平行导洞通过到仰拱施作阶段，竖向位移显著增长；仰拱施作完成后，围岩变形基本稳定，沉降仅有小幅增长。由于电杆基础距离平行导洞相对较远，平行导洞开挖对基础沉降的影响较小，平行导洞通过时，电杆1和2的基础沉降分别为0.79、0.89 mm；上台阶掌子面抵达K1335＋097时，竖向位移大幅增长，达到4.00、4.55mm；仰拱施作完成后，竖向位移为7.54、7.62mm；二衬施作完成后的最终位移为8.17、8.11mm。

图11 电杆基础竖向沉降变化曲线

图12 电杆基础水平位移变化曲线

电杆基础受隧道开挖影响产生的水平位移相对于竖向沉降小得多。平行导洞开挖后，在电杆基础侧下方出现临空面，电杆基础出现偏向平行导洞的水平位移；正洞开挖后，在基础下方亦出现临空面，造成基础向正洞方向移动。双杆基础水平位移变化趋势均为先增大后减小。从初始状态到平行导洞通过，电杆基础水平位移到达峰值，即 0.65、0.65 mm；而后随着正洞的开挖，位移值逐渐减小，二衬施作完成后水平位移减小至0.24、0.22mm。

在隧道与平行导洞开挖过程中，对初始地应力场产生扰动，容易造成围岩的松动变形，从而导致上方既有构筑物的沉降，甚至影响其正常使用。洞室开挖造成开挖面在一定范围内的围岩应力状态发生改变，且随着与开挖区域距离的增大，影响逐渐减小。位于洞室正上方的电杆基础，在隧道掘进过程中产生的竖向沉降远大于水平位移。当掌子面达到既有基础下方时，是控制基础沉降的重要阶段，应提前采取必要措施防范过大的沉降。初期支护封闭成环，仰拱施作完成后，围岩状态逐渐达到新的平衡，电杆基础位移趋于稳定。经过地表注浆加固后，加固区内的岩土体物理力学性质得到改善，有效减小了洞室开挖造成的松动变形。电杆基础最大竖向沉降为8.17mm，最大水平位移为0.65mm，满足《高耸结构设计规范》（GB 50135—2006）中对最大允许沉降量的要求，保证了隧道下穿过程中高压电杆的安全稳定。

3.3.2 隧道围岩变形分析

电杆基础正下方隧道断面（K1335＋097）的拱顶下沉与边墙收敛随掌子面推进的变化曲线如图13、14所示。随着掌子面靠近监测断面，拱顶沉降与边墙收敛持续增长。在掌子面到达监测断面之前，拱顶围岩就发生了先行位移，沉降了3.90mm；掘进到监测断面后，拱顶沉降急剧增大；隧道继续向前开挖，拱顶沉降逐渐趋于稳定，最大沉降为16.71 mm。掌子面到达监测断面之前，边墙先行收敛值为1.57mm；监测断面开挖后，边墙水平收敛值陡增，掌子面开挖到监测断面前方6m处时，出现水平收敛峰值7.72mm；随着开挖的继续进行，水平收敛有所减小，最终稳定在5.26mm。

电杆基础下方隧道洞周塑性区分布如图15所示。可以看出，隧道开挖过程改变了洞周围岩的初始应力状态，导致部分围岩出现塑性屈服，形成塑性区。监测断面塑性区主要分布在拱顶处，由两侧拱肩向上发展，但分布范围较小，出现在拱顶0.5倍洞径范围内。

4 加固效果分析

现场施工过程中，分别对电杆基础与隧道进行监控量测，主要监测的项目有电杆基础竖向沉降和水平位移，以及隧道的拱顶沉降和边墙收敛，如图16所示。

图13 K1335＋097断面拱顶下沉

图14 K1335＋097断面边墙收敛

图15 监测断面塑性区

现场实测值与数值模拟值对比如表2所示。由1.28mm，水平位移实测值模拟值小0.19mm，均小于《高耸结构设计规范》（GB 50135—2006）中的基础最大允许沉降量。现场洞内监控量测是在掌子面开挖到监测断面后才开展的，故洞内拱顶沉降与边墙收敛实测值均比模拟值小。拱顶下沉与边墙收敛实测值分别为14.83、4.40mm，与模拟值相比分别小1.88、0.86mm。

图16 加固效果监测

表2 实测数据与模拟值对比

在隧道开挖之前开展地表注浆预加固，加固区内的土体得到了有效的加强。电杆基础位移和洞内位移均很小，满足相关位移控制标准。经过加固后土体的整体性与强度均得到有效提高，可限制隧道开挖后塑性区的发展，减小围岩松动变形。在隧道下穿高压电杆的过程中，施工对高压电杆造成的扰动小，对高压电杆的正常使用影响程度低，同时地表加固也保证了隧道的安全快速开挖。

5 结 语

（1）隧道开挖对既有高压电杆基础的竖向沉降影响较大，对水平位移影响较小。随着掌子面的推进，电杆基础竖向沉降逐渐增大，水平位移先增大后减小，在二衬施作完成后，沉降位移趋于稳定。

（2）地表注浆加固可减小洞周围岩变形，塑性区分布范围小。掌子面接近电杆基础下方时，围岩位移急剧增长，应时刻关注洞内收敛变形，做好监控量测工作。

（3）超前大管棚和地表注浆可起到胶结破碎岩土体的作用，改善软弱岩体的整体性与强度。在隧道下穿高压电杆的过程中，电杆沉降位移满足控制标准，确保了高压电杆的正常安全使用，预注浆加固效果显著。

（4）掌子面到达高压电杆基础下方时，基础竖向沉降增长较大，仰拱施作完成后，沉降基本趋于稳定；故在实际下穿施工过程中，应预先采取防范措施，及时封闭初期支护，保证既有结构物的安全。