吴 岗

（深圳市市政设计研究院有限公司 深圳 518000）

0 前言

城市地下工程开发建设快速化、集约化发展，基坑工程距离建构筑物安全距离极限一破再破，基坑开挖导致的土体卸荷必然引起周围地层移动，进而致使建构筑物变形并严重威胁其运营安全。为确保建构筑物的正常营运，应当研究基坑开挖卸荷引起的建构筑物沉降和变形，准确预测及采取措施控制其位移变形，达到控制结构变形在规定范围之内的目的，这对于实际工程中保护周边环境的安全很有必要。

国内不少学者结合实际工程开展了不少研究。李旭华等人［1］介绍了在临近高压电塔路堑边坡工程中预应力锚索+抗滑桩加固的设计及计算方法，分析了锚索抗滑桩方案对边坡稳定性及位移的影响。柯文汇等人［2］建立了ABAQUS 三维有限元模型，分析了洞内外综合处置方案在浅埋扁平隧道侧穿高压杆塔施工中杆塔桩基及隧道围岩的变形演化规律，提出锚桩-连梁杆塔基础加固方案。张国胜［3］研究了距基坑边缘2 m 的高30 m 电塔天然基础采用成排钻孔灌注桩+冠梁与电塔基础整体连接的桩基托换加固技术，有效地避免了由于基坑开挖导致浅基础建筑物的不均匀沉降、倾覆倒塌。李浩鹏等人［4］比选了托换、隔离两种铁塔加固保护方案，利用三维数值模型研究了隔离保护铁塔方案下新建公路隧道紧邻既有220 kV高压铁塔施工安全稳定影响。陈文明［5］介绍了采用桩板墙支护方案保护220 kV 电塔的边坡工程。陈衡［6］结合某邻近高压铁塔的深基坑工程，采用数值分析研究了隔离桩结构形式及对环境的影响程度，验证了钻孔桩结合旋喷桩作为隔离桩在邻近深基坑的浅基础高压铁塔保护中的良好作用。刘动［7］探讨了地铁高架桥桩基础与深基坑紧邻条件下支护结构与高架桩基础的变形控制指标，提出了采用增大支护桩桩径、适当减小桩间距、增加支护桩嵌固深度以及设置双重止水帷幕等变形控制措施。距山地基坑边缘约2 m的本体高37.5 m，呼高42 m，双回路，六相线，高低腿配置110 kV铁塔独立短桩基础变形规律的国内研究较少。

本文采用考虑土体小应变特性的Plaxis有限元模型，分析基坑开挖引起的坑外土体和110 kV铁塔桩基的变形规律，研究铁塔桩基托换加固前和加固后的变形规律，为精细化地分析基坑开挖对铁塔的影响提供更好的依据。

1 项目概况

拟建场地位于深圳市光明区，原始地貌单元为低丘陵夹冲洪积平原，经项目建设改造场地高差较大，拟建隧道围护采用φ800@1 000 钻孔灌注桩+桩间旋喷止水，支撑体系采用1 道钢筋混凝土支撑，1 道钢支撑。110 kV 铁塔本体高37.5 m，呼高42 m，双回路，六相线，高低腿配置，基础为4 根φ1 000 灌注桩基础ABCD。

场地土层自上而下为：含砾黏土，可塑～硬塑，层厚6.0 m；砂质黏土，可塑～硬塑，层厚2.1 m；全风化混合花岗岩，极软岩，层厚7.9 m；强风化上段混合花岗岩，极软岩，层厚14.0 m。

拟建场地现状如图1 所示，隧道与110 kV 铁塔平面和剖面关系以及土层分层情况如图2、图3所示。

图1 拟建场地环境Fig.1 Proposed Site Environment

图2 隧道基坑与110 kV直线塔平面关系Fig.2 Locations between Tunnel Foundation Pit and 110 kV Tower

图3 隧道基坑与110 kV N7塔剖面关系Fig.3 Cross Section of Tunnel Excavation with 110 kV N7 Tower

2 数值分析模型及结果分析

2.1 计算模型及参数

考虑土体小应变的刚度特性，尤其是小应变状态下的高模量和高度非线性，才能更加合理准确地预测基坑开挖引起的土体变形［8］。本文采用Plaxis 有限元软件进行建模分析，模型中的土体采用Plaxis 有限元软件中的小应变硬化模型（HSS）进行模拟，模型参数结合地勘报告及地区工程经验确定指标［9］，各岩土层HSS模型刚度参数如表1所示。模型中基坑的开挖深度为9.9 m，开挖宽度为9.9 m，围护采用φ800 钻孔灌注桩+φ600 双管旋喷桩，围护桩嵌固深度6 m。模型的边界条件为：顶部自由，左右侧限制法向位移，底部固定。四周为透水边界，底部为不透水边界。2D 有限元模型如图4所示。

表1 各岩土层HSS模型刚度参数Tab.1 Parameters of HSS Medol in All Soil

图4 2D有限元模型Fig.4 2D Finite Element Model

模型基本分析过程如下：①生成初始地应力场；②激活高压塔桩基础及桩顶荷载；③将初始位移清零，激活右侧围护结构板单元；④开挖左侧土体，整平场地；⑤激活左侧围护结构板单元；⑥第一道支撑；⑦基坑开挖；⑧激活第二道支撑；⑨继续开挖至基底。

2.2 计算结果及分析

计算所得坑外地表沉降和水平位移曲线如图5所示，符合基坑悬臂式变形模式变形规律［10］。

图5 基坑右侧围护结构下-4 m处地层面变形曲线Fig.5 Curve of Ground Level at -4 m below the Retain⁃ing Structure on the Right Side of the Foundation Pit

地表沉降曲线的最大沉降点发生在紧邻围护结构外侧，并随距坑边距离增大沉降值迅速减小，曲线表现为三角形分布形式，最大沉降值约为28.4 mm，且主要影响范围集中在3 倍开挖深度以内。

坑外地表水平位移分布同样近似表现为三角形分布形式，由于基坑右侧坡地土体，位移最大值11.54 mm，发生在距离围护结构1倍深度处，且主要影响范围集中在3倍开挖深度以内。对于坑外存在地表建筑物及浅层结构情况应当尽量避免此种变形的发生［11］。

110 kV 铁塔桩基础D 距围护结构净距1.9 m，基础A 与D 距离8 m，桩基础A、D 位于基坑1 倍坑深主要影响范围，且A、D 桩位于沉降曲线的不同位置，将产生不均匀沉降。

基坑采用灌注桩+两道内支撑情况下110 kV铁塔桩基础A、D沉降及水平位移如图6所示。

图6 110 kV铁塔桩基础A、D顶部沉降及水平位移Fig.6 Settlement and Horizontal Displacement of Pile Foundation A and D of 110 kV Iron Tower

桩基础A桩顶沉降22.5 mm，水平位移14.2 mm，桩基础D桩顶沉降33.4 mm，水平位移16.2 mm，110 kV铁塔桩基沉降超过控制值0.010 m，差异沉降超过控制值0.010 m，水平位移超过控制值0.010 m。故应考虑基坑支护加强和基础加固措施。

2.3 考虑基坑支护加强及桩基托换计算结果及分析

基坑紧邻110 kV铁塔区段增设两道预应力锚索，并对110 kV铁塔桩基础C、D采取托换加固保护，桩基础托换加固保护如图7所示。

图7 桩基托换三维示意图Fig.7 3D Diagram of Pile Foundation Underpinning

基坑临近110 kV 铁塔区段增设两道预应力锚索情况下坑外地层变形计算结果如图8所示。

图8 基坑右侧围护结构下-4 m处地层面变形曲线Fig.8 Curve of Ground Level at -4 m below the Retain⁃ing Structure on the Right Side of the Foundation Pit

坑外地层沉降曲线分布呈凹槽形，由于围护结构沉降几乎为0，且其对坑外土体的约束作用，使得坑外地层沉降值远离围护结构，最大沉降值约为11.5 mm，发生在距围护结构0.5 倍开挖深度处，并且沉降槽主要影响范围集中在2倍开挖深度以内。

坑外地层水平位移分布形式与沉降类似，亦呈凹槽形分布，但是位移最大值相比于沉降值略小，约为0.5倍最大沉降值，即5.7 mm，出现在坑外约1倍挖深处。

基坑采用灌注桩+2 道内支撑+2 道预应力锚索且考虑桩基托换情况下110 kV 铁塔桩基础A、D 沉降及水平位移如图9所示。

图9 110 kV铁塔桩基础A、D顶部沉降及水平位移Fig.9 Settlement and Horizontal Displacement of Pile Foundation A and D of 110 kV Iron Tower

桩基础A桩顶沉降8.5 mm，水平位移4.8 mm，桩基础D桩顶沉降9.7 mm，水平位移3.7 mm，110 kV铁塔桩基沉降、差异沉降、水平位移均在变形控制值以内。

综上所述，对于坡地基坑中而言，围护桩+内支撑相当于一个整体式悬臂结构，迎坡侧坑外地层沉降、水平位移较大，坑外地层沉降、水平位移变形规律符合悬臂式变形模式，迎坡侧基坑支护考虑增设预应力锚索加强后，坑外地层沉降和水平位移得到了有效控制，其变形规律由悬臂式变形模式转变为内凸式变形模式。

坡地既有110 kV铁塔基础经新建3根挖孔桩托换加固，并结合基坑支护加强措施，沉降、差异沉降及水平位移得到有效控制，加固保护费用可控制在200万元内。

110 kV 铁塔迁改方案需建新N7、N8 杆塔及一回路临时供电路由，进而确保迁改期间原双回线路能够确保仅停一回线路，投资估算约1 500 万元。迁改线路如图10所示。

图10 110 kV N7铁塔迁改平面Fig.10 Relocation Plan View of 110 kV N7 Tower

基坑支护加强及110kV铁塔桩基托换加固方案与迁改方案与相比，技术安全可行并可节约工程投资。

3 结语

以深圳某拟建隧道基坑为背景，采用考虑土体小应变特性的有限元方法，对坡地基坑不同支锚方案下地表沉降及坑边110 kV铁塔变形进行了数值模拟分析，研究坡地基坑不同支锚形式下迎坡侧地层及110 kV铁塔桩基加固前和加固后变形规律，得到以下结论：

⑴坡地基坑不同支锚形式下迎坡侧地层变形规律：围护桩+内支撑相当于一个整体式悬臂结构，迎坡侧坑外地层沉降、水平位移较大，坑外地层沉降、水平位移变形规律符合悬臂式变形模式，迎坡侧基坑支护考虑增设预应力锚索加强后，坑外地层沉降和水平位移得到了有效控制，其变形规律由悬臂式变形模式转变为内凸式变形模式。

⑵110 kV 铁塔考虑桩基托换加固后基础沉降、水平位移相比不考虑两道锚索、桩基托换加固情况下分别减小23.7 mm（14.1 mm）、9.4 mm（12.5 mm），使110 kV 铁塔沉降、水平位移在预警控制值范围内，从而降低倾覆倒塌风险，确保了输电线路运营安全。

⑶110 kV 铁塔考虑桩基托换加固后基础沉降、水平位移得到了有效控制，但由于基坑开挖紧邻110 kV铁塔保护区，应制定涉电区施工专项方案，并报电力权属及监管部门审批审核。

⑷在110 kV 铁塔桩基托换加固、基坑支护及开挖施工中，因场地环境、地质条件复杂，现场施工工艺等诸多因素影响，会对110 kV铁塔变形产生不同程度的影响，施工期间应加强动态监测，采取信息化施工，以确保110 kV铁塔出现险情，及时采取应急措施。

⑸相比110 kV 铁塔迁改方案，基坑支护加强和桩基托换加固组合方案技术可行，且可节约投资。