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摘要:目前，随着我国高速公路的不断发展，高速公路的建设难度不断加大，还存在比较多的问题。本案例高速公路与500kV 高压线路共用17km 走廊带，所以高压铁塔基础稳定性受高速公路桥梁桩基与高压铁塔距离影响。通过使用Midas /GTS 对高速公路桥梁桩基与铁塔距离在5. 5m，7. 5m，10m 和15m 的情况进行模拟，同时考虑土体变形、水的渗流和长期沉降等因素，分析模拟结果，提出桥梁桩基与铁塔基础净距评判表，为类似公路工程提供借鉴。
关键词: 高速公路；桩基施工；因素
中圖分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：
1 工程背景
某高速公路线路500kV，长约17km。高速公路桩基布设将对高压铁塔的稳定性造成一定影响。本文使用Midas /GTS 对高速公路桩基开挖进行模拟，分析其对既有铁塔基础的影响。
2 桩基施工对高压线塔影响因素分析
2. 1 土体变形：高速公路桥梁桩基施工，可能引起土体侧向变形、引发地表沉降、导致高压铁塔基础发生偏位、引发高压铁塔基础内部应力，从而对高压铁塔结构安全造成威胁。
2. 2 水的渗流：桩基施工地段属于软土地区，水对软土的稳定起着至关重要的作用。桩基施工如果与铁塔基础距离很近，桩基开挖形成临空面，此时必然发生水的渗流。铁塔基础下土层中的水会向桩基渗流，水的流失造成铁塔地基孔隙水压力减小，土层重新固结，固结造成对铁塔桩基的负摩阻力，造成离桩基较近的铁塔基础下沉和偏移。
3 控制标准
根据电力行业标准《架空送电线路运行规程》( DL /T 741 － 2001 ) ，500kV 铁塔倾斜度不能超过0. 5%。根据《建筑地基基础设计规范》( GB 50007－ 2002) 由于建筑地基不均匀、荷载差异很大、体型复杂等因素引起的地基变形，对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜值控制。结合两部规范，本文考虑到高压铁塔高度超过100m，所以采用控制标准倾斜标准不大于0. 4%的控制标准。
4 数值模拟
模拟桥梁桩基与高压铁塔基础距离不同时，对既有高压铁塔基础的影响。分析模拟结果中的沉降和水平侧移，同时考虑水的渗流和长期沉降等系数进行修正。本次模拟只考虑施工期的变形，使用Midas /GTS软件进行模拟。
4. 1 基本资料
地质资料选用如表1 所示，分为5 层土，最下基岩为花岗岩。
表1土层参数表
4. 2 模拟工况
根据设计资料，模拟具有承台的双桩，桩径1. 5m，桩长52m。模拟桥梁基础在电塔一侧时，桥梁桩基施工引起的电塔基础沉降变形规律，桥梁桩基及电塔点位如图1 所示。主要研究电塔沉降随电塔与桩基距离变化趋势。
图1桥梁基础与电塔基础位置示意图
采用三维模型，单元采用八面体，通过二维单元延伸获得。本文不考虑电塔对地基影响，只将电塔重量作为垂直荷载施加至地面。根据电力院提供的电塔数据，电塔重量分配至每个支撑脚，受力为1500kN，水平方向抗力250kN。
4. 3 模拟结果
分别模拟桥梁桩基距离电塔5. 5m，7. 5m， 10m 和15m 时，桩基施工对电塔基础的影响。桥梁桩基用7个步骤开挖完成。
高压线塔各点位基础沉降值如表2 所示。
表2双桩施工铁塔两塔脚沉降差
将表2 中数据绘制成高压线各点沉降差塔随线塔与桥梁桩基距离的关系图，如图2所示。其中纵坐标为沉降差，横坐标为铁塔与桩基距离。
( 2) 高压线塔侧向位移
桩基与铁塔基础净距5m 时，铁塔桩基水平位移达到13. 7cm，在地表处达到最大。
图2 沉降差随铁塔与桩基距离关系图
图3侧向位移变化图
桩基与铁塔基础净距为7. 5m 时，铁塔桩基水平位移达到了2. 92cm，在地表处最大，而且铁塔基础在高速公路走向一侧位移相对较大。
桩基与铁塔基础净距为10m 时，铁塔桩基水平位移达到1. 5cm，最大位移在地表下20m 处，而且铁塔基础在高速走向一侧位移相对较大。
桩基与铁塔基础净距为15m 时，铁塔桩基位移为0. 7cm，最大位移在地表下20m 处，而且铁塔基础在高速公路走向一侧位移相对较大。
将侧向位移随桥梁桩基与铁塔基础距离之间的关系绘制成变化图，如图3 所示。其中纵坐标代表侧向位移，横坐标代表桥梁桩基与高压电塔之间的距离。
4. 4 结果分析
( 1) 沉降结果分析
铁塔两基础间的间距离是19. 46m，按照倾斜度不超过0. 4% 的控制标准，铁塔沉降差应控制在7. 78cm 以内。按照控制标准，对应的位置是8. 4m 处。由于此时的距离是桩基中心距，换算成净距需减去两桩基半径，则两基础间净距为: 8. 4 －0. 75 － 0. 5 = 7. 15m。
( 2) 侧向位移结果分析
在标准控制位置8. 4m 处，铁塔桩基处土体的最大侧向位移是1. 8cm，见图3。由于铁塔桩基的隔蔽作用，土体移动表现为绕流移动，所以实际位移要小，对桩身的弯矩作用不明显。本文认为可以忽略其影响。
( 3) 结果修正
考虑渗流影响参数K1。根据何世秀等将基坑开挖产生的应力场与渗流场叠加，得出结论: 考虑降水影响与不考虑降水影响，其值相差10mm 左右，且同实际相接近。由于沉降值为30mm 左右，所以渗流影响在30%左右，故本项目采用30%的影响。图4 为考虑渗流后沉降差随高压线塔与桥梁基础距离变化图。其中纵坐标代表侧向位移，横坐标代表桥梁桩基与高压电塔之间的距离。
图4 考虑渗流后沉降差随铁塔与桥梁基础距离变化图
考虑长期沉降参数K2。本项目桩体属于长桩，端部为微风化岩。参照《建筑地基基础设计规范》( JGJ 7 － 89) 沉降计算经验系数，取长期沉降影响系数为1. 1。
考虑施工安全性参数K3。考虑到铁塔本身的重要性，按照《公路桥涵设计通用规范》( JTG D60 －2004) 结构设计安全等级规定，一级结构取结构重要性系数1. 1。考虑到桥梁桩基施工的不安全因素，结合其他工程经验，安全系数取为1. 2。
只考虑渗流K1: L = 7. 15K1 = 7. 95m
考虑长期沉降K2: L = 7. 95 × 1. 1 = 8. 7m
考虑施工安全性系数K3: L = 8. 7 × 1. 2 = 10. 5m
5 结论
按照《建筑桩基技术规范》( JGJ 94 － 2008) ，桩最小中心距为2. 5d，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》( JTG D63 － 2007) ，嵌岩桩最小中心距为2. 0d。由于铁塔桩基荷载较大，又地处软土地区，变形敏感性高，所以本文确定的安全距离大于规范规定。
桩基施工相对于隧道、基坑工程来说，工程规模较小，桩孔尺寸较小，对周围的影响也较小。结合文献调研情况，隧道对既有桩基的影响范围在1 倍洞径与2 倍洞径之间，基坑在1. 5H 附近，均比本文结论要大，符合工程规律。
根据本文模拟及修正结果，当高速公路桥梁桩基桩径1. 5m，桩长52m 时，桥梁桩基与铁塔基础间安全距离如表3 所示。
表3 桥梁桩基与铁塔基础安全距离
根据数值模拟结果，参考图4，当桥梁桩基与铁塔基础距离12m 时，沉降差小于2cm 并逐渐趋于稳定。结合国内研究现状，根据铁塔所在区域地质资料，提出桥梁桩基与铁塔基础净距评判标准，如表3 所示。
根据表3 所示评判及对策，设计单位在进行高速公路线形设计时，相似的地质条件下，宜保持桥梁桩基与铁塔距离在8. 7m 以上。施工单位在施工过程中，可参照评判表的建议采取加固或检测措施。
关键词: 高速公路；桩基施工；因素
中圖分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：
1 工程背景
某高速公路线路500kV，长约17km。高速公路桩基布设将对高压铁塔的稳定性造成一定影响。本文使用Midas /GTS 对高速公路桩基开挖进行模拟，分析其对既有铁塔基础的影响。
2 桩基施工对高压线塔影响因素分析
2. 1 土体变形：高速公路桥梁桩基施工，可能引起土体侧向变形、引发地表沉降、导致高压铁塔基础发生偏位、引发高压铁塔基础内部应力，从而对高压铁塔结构安全造成威胁。
2. 2 水的渗流：桩基施工地段属于软土地区，水对软土的稳定起着至关重要的作用。桩基施工如果与铁塔基础距离很近，桩基开挖形成临空面，此时必然发生水的渗流。铁塔基础下土层中的水会向桩基渗流，水的流失造成铁塔地基孔隙水压力减小，土层重新固结，固结造成对铁塔桩基的负摩阻力，造成离桩基较近的铁塔基础下沉和偏移。
3 控制标准
根据电力行业标准《架空送电线路运行规程》( DL /T 741 － 2001 ) ，500kV 铁塔倾斜度不能超过0. 5%。根据《建筑地基基础设计规范》( GB 50007－ 2002) 由于建筑地基不均匀、荷载差异很大、体型复杂等因素引起的地基变形，对于多层或高层建筑和高耸结构应由倾斜值控制。结合两部规范，本文考虑到高压铁塔高度超过100m，所以采用控制标准倾斜标准不大于0. 4%的控制标准。
4 数值模拟
模拟桥梁桩基与高压铁塔基础距离不同时，对既有高压铁塔基础的影响。分析模拟结果中的沉降和水平侧移，同时考虑水的渗流和长期沉降等系数进行修正。本次模拟只考虑施工期的变形，使用Midas /GTS软件进行模拟。
4. 1 基本资料
地质资料选用如表1 所示，分为5 层土，最下基岩为花岗岩。
表1土层参数表
4. 2 模拟工况
根据设计资料，模拟具有承台的双桩，桩径1. 5m，桩长52m。模拟桥梁基础在电塔一侧时，桥梁桩基施工引起的电塔基础沉降变形规律，桥梁桩基及电塔点位如图1 所示。主要研究电塔沉降随电塔与桩基距离变化趋势。
图1桥梁基础与电塔基础位置示意图
采用三维模型，单元采用八面体，通过二维单元延伸获得。本文不考虑电塔对地基影响，只将电塔重量作为垂直荷载施加至地面。根据电力院提供的电塔数据，电塔重量分配至每个支撑脚，受力为1500kN，水平方向抗力250kN。
4. 3 模拟结果
分别模拟桥梁桩基距离电塔5. 5m，7. 5m， 10m 和15m 时，桩基施工对电塔基础的影响。桥梁桩基用7个步骤开挖完成。
高压线塔各点位基础沉降值如表2 所示。
表2双桩施工铁塔两塔脚沉降差
将表2 中数据绘制成高压线各点沉降差塔随线塔与桥梁桩基距离的关系图，如图2所示。其中纵坐标为沉降差，横坐标为铁塔与桩基距离。
( 2) 高压线塔侧向位移
桩基与铁塔基础净距5m 时，铁塔桩基水平位移达到13. 7cm，在地表处达到最大。
图2 沉降差随铁塔与桩基距离关系图
图3侧向位移变化图
桩基与铁塔基础净距为7. 5m 时，铁塔桩基水平位移达到了2. 92cm，在地表处最大，而且铁塔基础在高速公路走向一侧位移相对较大。
桩基与铁塔基础净距为10m 时，铁塔桩基水平位移达到1. 5cm，最大位移在地表下20m 处，而且铁塔基础在高速走向一侧位移相对较大。
桩基与铁塔基础净距为15m 时，铁塔桩基位移为0. 7cm，最大位移在地表下20m 处，而且铁塔基础在高速公路走向一侧位移相对较大。
将侧向位移随桥梁桩基与铁塔基础距离之间的关系绘制成变化图，如图3 所示。其中纵坐标代表侧向位移，横坐标代表桥梁桩基与高压电塔之间的距离。
4. 4 结果分析
( 1) 沉降结果分析
铁塔两基础间的间距离是19. 46m，按照倾斜度不超过0. 4% 的控制标准，铁塔沉降差应控制在7. 78cm 以内。按照控制标准，对应的位置是8. 4m 处。由于此时的距离是桩基中心距，换算成净距需减去两桩基半径，则两基础间净距为: 8. 4 －0. 75 － 0. 5 = 7. 15m。
( 2) 侧向位移结果分析
在标准控制位置8. 4m 处，铁塔桩基处土体的最大侧向位移是1. 8cm，见图3。由于铁塔桩基的隔蔽作用，土体移动表现为绕流移动，所以实际位移要小，对桩身的弯矩作用不明显。本文认为可以忽略其影响。
( 3) 结果修正
考虑渗流影响参数K1。根据何世秀等将基坑开挖产生的应力场与渗流场叠加，得出结论: 考虑降水影响与不考虑降水影响，其值相差10mm 左右，且同实际相接近。由于沉降值为30mm 左右，所以渗流影响在30%左右，故本项目采用30%的影响。图4 为考虑渗流后沉降差随高压线塔与桥梁基础距离变化图。其中纵坐标代表侧向位移，横坐标代表桥梁桩基与高压电塔之间的距离。
图4 考虑渗流后沉降差随铁塔与桥梁基础距离变化图
考虑长期沉降参数K2。本项目桩体属于长桩，端部为微风化岩。参照《建筑地基基础设计规范》( JGJ 7 － 89) 沉降计算经验系数，取长期沉降影响系数为1. 1。
考虑施工安全性参数K3。考虑到铁塔本身的重要性，按照《公路桥涵设计通用规范》( JTG D60 －2004) 结构设计安全等级规定，一级结构取结构重要性系数1. 1。考虑到桥梁桩基施工的不安全因素，结合其他工程经验，安全系数取为1. 2。
只考虑渗流K1: L = 7. 15K1 = 7. 95m
考虑长期沉降K2: L = 7. 95 × 1. 1 = 8. 7m
考虑施工安全性系数K3: L = 8. 7 × 1. 2 = 10. 5m
5 结论
按照《建筑桩基技术规范》( JGJ 94 － 2008) ，桩最小中心距为2. 5d，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》( JTG D63 － 2007) ，嵌岩桩最小中心距为2. 0d。由于铁塔桩基荷载较大，又地处软土地区，变形敏感性高，所以本文确定的安全距离大于规范规定。
桩基施工相对于隧道、基坑工程来说，工程规模较小，桩孔尺寸较小，对周围的影响也较小。结合文献调研情况，隧道对既有桩基的影响范围在1 倍洞径与2 倍洞径之间，基坑在1. 5H 附近，均比本文结论要大，符合工程规律。
根据本文模拟及修正结果，当高速公路桥梁桩基桩径1. 5m，桩长52m 时，桥梁桩基与铁塔基础间安全距离如表3 所示。
表3 桥梁桩基与铁塔基础安全距离
根据数值模拟结果，参考图4，当桥梁桩基与铁塔基础距离12m 时，沉降差小于2cm 并逐渐趋于稳定。结合国内研究现状，根据铁塔所在区域地质资料，提出桥梁桩基与铁塔基础净距评判标准，如表3 所示。
根据表3 所示评判及对策，设计单位在进行高速公路线形设计时，相似的地质条件下，宜保持桥梁桩基与铁塔距离在8. 7m 以上。施工单位在施工过程中，可参照评判表的建议采取加固或检测措施。