重庆某港口基坑开挖对临近长江大跨越铁塔的安全影响分析

向昭

（中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司，重庆 400042）

摘要：以重庆市涪陵区龙头港作业区一期基坑工程为例，介绍了作业区新建基坑边坡与临近的500kV超高压长江大跨越铁塔的相对关系和基坑边坡采用的支护措施，通过边坡理论计算分析和采用Midas GTS三维数值模拟，定性和定量评价了基坑开挖对长江大跨越铁塔的安全影响程度，模拟分析了支护结构受力特征，可为类似项目的设计提供一定的参考。

关键词：基坑边坡；高压线铁塔；支护措施；数值模拟

1 工程概况

根据设计资料，拟开挖4#边坡坡长约415m，边坡直立开挖高度1.5～34.5m，坡向主要254°，上覆土层为粉质粘土及少许人工填土，厚0.6~4.2m，基岩主要为砂岩、泥岩。基坑边坡支护措施为：高程191m以下采用排桩式锚杆挡墙进行支挡，191m以上边坡采用1:0.5的放坡坡率进行分阶放坡，每阶高度10m，中间设1.5m宽的马道。高程191m以上的两阶岩质边坡采用喷锚框格梁护坡，上部土层按1：1.5进行放坡，并挂三维网植草护坡。既有高压线铁塔位于4#边坡东侧，坡顶距铁塔塔基立柱边缘最近水平距离仅约15.0m，铁塔基础顶标高约212.3m，铁塔高117.2m，总重295.7t。铁塔共4个底座，各底座均置于群桩基础上，每个底座下的群桩均包含4根桩基，承台为方形，宽6.5m，高2.2m，桩基为直径1.3m的圆桩，桩长10m，相邻桩间距3.9m。基坑边坡与铁塔平面和剖面关系图如图1、图2所示。

图1 基坑边坡与铁塔平面关系图

图2 基坑边坡与铁塔剖面关系图

2 工程地质条件

该段边坡岩层产状167°∠6°，岩层呈单斜产出，岩层层面结合差，属硬性结构面。场地存在2组裂隙，L1优势产状350°∠78°，L2产状210°∠35°，均属硬性结构面。

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB60330-2013）确定该边坡类型为Ⅲ类，边坡岩体等效内摩擦角为55°，岩体破裂角为59.94°。

图3 基坑边坡极射赤平投影分析图

根据极射赤平投影分析图（图3）可知：裂隙L1与边坡大角度相交，为切向坡；裂隙L2与边坡反向相交，对边坡的整体稳定影响小。无外倾结构面及其组合面，边坡稳定性主要受岩体自身强度控制。

3理论计算分析

根据《建筑边坡工程技术规范》及设计方案，格构锚杆挡墙肋柱按支承于刚性锚杆上的连续梁计算内力，采用理正结构工具箱设计软件计算各支点反力，取其中最大值V_max作为锚杆水平拉力标准值H_tk，再得到锚杆轴向拉力设计值N_a、锚杆钢筋截面积A_s、锚固长度l_a，最终确定锚杆长度l_a。经计算，上部1:0.5坡率段锚杆水平拉力标准值H_tk＝V_max＝145.0kN，主动土压力为511.9kN/m，锚杆钢筋截面积943mm²，锚杆计算锚固长度为3.55m，设计针对上部1:0.5坡率段，最上一级边坡锚杆采用2根25（三级钢筋）、锚固段为5.0m和下一级边坡锚杆采用2根25（三级钢筋）、锚固段为6.5m满足要求。下部10m高直立锚杆挡墙段锚杆水平拉力标准值H_tk＝V_max＝357.4kN，主动土压力为420.7kN/m，锚杆钢筋截面积2423.3mm²，锚杆计算锚固长度为6.05m，设计针对下部直立段采用3根32（三级钢筋）、锚固段为6.5m满足要求。设计方案可行，能够满足边坡及边坡顶部高压铁塔稳定的要求。

再对边坡岩体进行三维楔形体稳定性分析，其安全系数为1.484，大于1.35，边坡稳定。

4 三维数值模拟分析

为真实反映基坑边坡的实施对坡顶高压线铁塔的影响，采用三维模型对边坡的施工进行模拟。模型计算区域长度取值为150m（X轴方向），宽度取值为100m（Y轴方向），高度约为65m（Z轴方向）。建模过程综合考虑地质情况以及边坡和高压线铁塔的空间相互关系，对模型岩土体分层进行了安全、合理的简化。三维有限元模型网格图如图4所示。

B

C

A

D

图4 三维有限元模型网格图

有限元模型包括边坡支护结构、边坡顶部高压线铁塔桩基础、四周岩土体。计算区域内的岩土体和铁塔基础采用实体单元进行模拟，锚杆采用植入式桁架单元进行模拟，挡墙采用板单元进行模拟。计算区域侧面边界采用横向位移约束，底部边界采用竖向位移约束，上边界为自由边界。

模型施工图充分考虑逆作法施工，分层分步开挖及支护，共设置29个施工步。高压线铁塔桩基础按最不利荷载作用考虑，即水平荷载沿开挖边坡临空面方向作用，根据设计资料，此时基础B的竖向下压荷载为7470kN、水平荷载为1507kN，基础A、C、D的竖向上拔荷载为5550kN、水平荷载为1100kN。整理计算结果如下：

（1）位移分析

每阶开挖后，坡顶和铁塔基础水平位移基本保持增大趋势，坡顶水平位移大于铁塔基础，各基础中B、C基础水平位移相对较大。坡顶水平最大位移出现在开挖时的第29荷载步中，最大位移值为2.60mm。并且在29个荷载步中，边坡坡面处的最大水平位移发生在第二阶边坡内部，呈半椭圆状，最大水平位移值为2.10mm。铁塔基础中B基础最靠近边坡的桩出现最大的水平位移，为1.18mm。边坡施工完成后铁塔基础水平位移云图如图5所示，基础顶与坡顶水平位移变化曲线图如图6所示。

图5 边坡施工完成后铁塔基础水平位移云图

图6 基础顶与坡顶水平位移变化曲线图

按《架空送电线路基础设计技术规定》的地基变形允许值，该高压线铁塔塔高117.2m，处于100~150m之间：

基础的最大倾斜率 ： = 4‰；

式中： 为两柱基之间的最大沉降差；

为两柱基之间的距离；

根据数值计算结果，各施工步中铁塔基础产生的最大倾斜为 ＝1.475/25200=0.059‰＜4‰，铁塔基础倾斜率及沉降值均小于规范规定的限值。

（2）应力分析

边坡开挖前后铁塔基础最大拉应力均为5.57MPa，出现在D基础顶部，边坡开挖前后铁塔基础最大压应力均为4.83MPa，出现在B基础顶部。由此可见，铁塔基础的应力随边坡开挖的变化极小，说明边坡的开挖对铁塔基础应力的分布影响很小。

（3）塑性区分析

随边坡的开挖，在坡顶位置出现少部分塑性区，岩土体几乎未出现塑性区且变化极细微，说明边坡的开挖对于铁塔基础周围岩体的影响较小。

5 结语

（1）根据边坡实施的实际情况，本工程建设取得了成功。文章通过理论计算和数值模拟，分析了基坑边坡开挖对临近长江大跨越铁塔的安全影响，从理论上印证了工程的可实施性。

（2）结合现场实际情况，采用排桩式锚杆挡墙和喷锚框格梁对边坡进行支护，能达到对坡顶铁塔保护的目的。

（3）对于坡顶存在需保护的重要构筑物的边坡，施工时必须严格按照逆作法进行，禁止爆破。控制每阶开挖高度，开挖后立即进行支护，支护结构达到强度要求后再进行下一步施工。

（4）需保护的铁塔敏感性较高，在保护性实施的过程中应尤其重视监测工作。在工程实施前，应建议业主单位委托专业监测单位对铁塔基础的强度及变形值进行鉴定与监测，确保满足相关规范要求后方可实施；工程施工期间，应委托第三方专业监测机构对边坡及铁塔基础进行监测，并根据监测结果进行动态设计及信息法施工，确保铁塔及边坡施工安全；工程完工后，应继续监测，监测时间不少于3年，以确保边坡和铁塔的使用安全。

参考文献

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