500 kV超高压线下地铁车站施工吊装安全分析

Safety analysis of hoisting operations for subway station construction beneath 500 kV extra-high-voltage transmission line

摘要

为解决城市地铁建设中500 kV超高压线下大型设备（如龙门吊）安装的安全与效率问题，该文采用有限元分析软件Ansys对超高压线周围的电场分布进行数值模拟，精确确定了施工现场的安全高度。在此基础上，通过详细计算分析地基承载力、汽车吊吊装能力、吊索具及缆风绳受力、地锚承载力等关键因素，验证了设备选择的合理性，并制定了一套安全可行的施工方案。该方案有效保障了施工安全，提高了施工效率，为500 kV超高压线下地铁车站施工提供了可靠的技术支持，同时为类似工况下的大型设备吊装作业提供了重要的参考和指导。

Abstract

To address safety and efficiency concerns related to installing large equipment, such as gantry cranes, beneath a 500 kV extra-high-voltage transmission line during urban subway construction, Ansys finite element analysis software was used to simulate the electric field distribution around the transmission line and accurately determine the safe construction height at the site. On this basis, key factors, including foundation bearing capacity, truck crane lifting capacity, forces in slings and guy ropes, and ground anchor bearing capacity, were calculated and analyzed in detail. The results verified the rationality of the equipment selection, and a safe and feasible construction plan was developed. The plan effectively ensures construction safety and improves construction efficiency. It provides reliable technical support for subway station construction beneath 500 kV extra-high-voltage transmission lines, as well as an important reference and practical guidance for large-equipment hoisting operations under similar conditions.

0 引言

随着城市轨道交通线路网规划的不断完善，地铁作为连接新旧城区的重要纽带逐渐崭露头角。地铁建设不仅促进了城市交通的便捷化，还为城市的可持续发展提供了强有力的支持。然而，在一些旧城区，由于城市管廊的发展进度受限，架空高压线普遍存在^［1-4］，这给地铁施工带来了诸多安全问题和挑战。部分地铁线路不可避免地与这些架空高压线产生交叉，尤其是当地铁车站位于高压线下时，地铁车站施工面临着一系列困难和风险。在这些挑战中，如何确保高压线下的吊装作业安全性和施工效率成为施工过程中最为突出的难题之一。

高压线的存在，不仅增加了施工的危险性，还对施工进度产生了严重的影响。例如，在进行大型施工器械的安装过程中，常面临工期紧张、部分零件吊装困难等问题，尤其当施工现场存在高压线时，净空限制会严重影响施工进度^［5］。此外，高压线的附近可能存在电辐射等危险^［6］，对于大型器械的安装构成了不可忽视的威胁。目前，针对未涉及净空限制的大型建筑或设备的吊装，已有较多的研究和成熟的解决方案^［7-8］。然而，对于高压线下大型设备的吊装，相关研究却相对较少^［9-10］，尤其是危险系数更高、净空更低的500 kV超高压线下大型设备吊装施工，缺乏系统的理论分析和具体的施工方案。

因此，本文以500 kV超高压线下大型设备的吊装为研究对象，通过详细的理论计算分析并给出具体的施工方案，确保吊装过程安全可靠，为类似工况下的大型设备吊装提供可行的技术支持和指导。

1 工程概况

重庆市大学城中路站为重庆地铁15号线第二座车站，为换乘车站，车站里程K22+538.125~K22+715.125，车站总长177 m，车站标准段宽度23.1 m，其开挖方式为明挖法，施工方法参照移动支架法^［11］。车站为地下二层二跨矩形框架结构，其中公共区为地下两层无柱框架结构。为配合大学城中路站的车站施工，计划在该站安装一台型号为MHS10-29.05的10 t门式起重机（以下简称龙门吊），其安装跨度为29.05 m。

车站上方有一处500 kV高压线，距离地面约22 m。该高压线起于500 kV板泉变电站，止于500 kV陈家桥变电站，线路采用单回四分裂架设^［12］，导线采用型号为4×LGJ-400/35型钢芯铝绞线，线路全长约40 km，高压线与施工现场具体关系见图1。

2 施工方案探讨

2.1 确定施工净空

为了避免施工现场500 kV超高压线产生的电场对施工器械的影响，需要确定一个安全施工高度。采用有限元分析软件Ansys对现场的超高压线辐射产生的电压强度进行模拟，Ansys Workbench使用有限元法离散麦克斯韦方程，通过将连续问题划分为有限的单元，并在每个单元内采用插值函数逼近场变量，可以将偏微分方程转化为代数方程组，从而实现数值求解。为了便于计算，取高压线某一横截面为辐射面进行二维辐射，高压线的电阻率设置为1.75×10^-8 Ω·m，介电常数设置为1×10⁶，空气的电阻率设置为1 Ω·m，介电常数设置为1。高压线模型与空气模型采用布尔运算进行分割，赋予高压线500 kV的初始电压后便可计算其周围的电压辐射情况，具体数值计算结果如图2所示。

根据数值模拟结果，绘制了电场强度与距离的关系曲线（图3）。结果表明：距离高压线越远，空气中受到高压辐射的影响越小。在距离高压线7 m以外的位置，电场强度降至4 kV/m以下，满足安全施工要求^［13］。

为确保施工安全，施工区域内布设了多台高压电场测量仪，对电场强度进行实时监测。监测结果也绘制在图3中，与模拟结果基本一致。因此，可以判断安全施工范围应位于距离高压线7 m以外的区域。故在施工现场设置了高压线防护网，距离地面15 m，必要时限制了施工高度，保证了施工安全。

2.2 设备选型

由于龙门吊体积较大，需在施工现场设置部件临时堆放区。因此计划将主梁摆放于基坑旁道路上，小车摆放于主梁侧边。经过综合考虑，拟采用25 t汽车吊作为主要吊装设备对龙门吊进行组装，利用行走台车运输小部件。考虑到高压线防护网会受重力作用影响而下坠，当防护网中心下坠至1.5 m时，会有维护人员进行维护，故留有1.5 m的补偿空间，限制该汽车吊起重臂顶端不能超过13.5 m。

大学城中路站周边主要道路有曾家大道、康城路及康城南路。经综合比选，决定将材料从曾家大道进入施工现场。该龙门吊的主要部件参数列于表1。

为满足施工需要，选择上柴SC7H260Q5型汽车吊，具体的性能参数见表2。

2.3 计算分析

为了保证施工方案的科学合理以及施工过程的安全可靠，需要在方案制定前对选用设备的施工适用性进行计算分析^［14］。

2.3.1 地基承载力计算

25 t汽车吊起吊时需要进行地基承载力验算（抬吊主梁作业时负荷最大）。

当汽车吊吊臂在地面的投影与车身成45°时，相当于吊车由3个支腿受力，吊车配重处的支腿受最大压力。25 t汽车吊自身质量为30 t，单台吊车承担4.0 t，吊装半径为12 m。吊车横向支腿距离5.3 m，纵向支腿距离6.2 m。计算模型如图4所示。下面以支腿荷载校核为例验算地基承载力。

在吊装过程中，初始时吊臂在Y平面内，然后吊机旋转到X平面内，将所有力向旋转中心平移，可以得到等效的集中力F、偏心弯矩M。支腿载荷N由两部分组成，即：

N=N_{\mathrm{1}}+N_{\mathrm{2}}（1）

式中：N₁由F产生，由于各支腿相对于旋转中心近似对称，可认为各支腿平均承担，即：N_{\mathrm{1}}=F/\mathrm{4}；N₂由M产生，当吊臂与Y轴成\beta角时，偏心弯矩可分解到X、Y两个平面内，分量为：M_X=M\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta；M_Y=M\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta。

M_X 由侧面支腿2、3的支反力共同平衡，产生的支反力为：

N_{\mathrm{2}X}=\frac{M_X/\mathrm{2}}{B/\mathrm{2}}=\frac{M\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }{B}（2）

式中：B为汽车吊X方向上两车轮间的距离，具体见图4。

M_Y 由侧面支腿1、2的支反力共同平衡，产生的支反力为：

N_{\mathrm{2}Y}=\frac{M_Y/\mathrm{2}}{A/\mathrm{2}}=\frac{M\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta }{A}（3）

式中：A为汽车吊Y方向上两车轮间的距离，具体见图4。

因此支腿2的支反力最大，其值为：

N_{\mathrm{2}}=N_{\mathrm{2}X}+N_{\mathrm{2}Y}=\frac{M\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }{B}+\frac{M\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta }{A}\le \frac{M(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta +\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta )}{D}（4）

式中：D为A和B中较小的值（为了便于计算）。故当\beta =\mathrm{45}°时，N_{\mathrm{2}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\sqrt[]{\mathrm{2}}M/D。

则有：N_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=N_{\mathrm{1}}+N_{\mathrm{2}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\mathrm{203} kN。

在支腿下垫1 m×1 m的方垫，在混凝土路面上按照45°扩散角^［15］进行计算，则地基载荷为：

P=\frac{N}{S}=\mathrm{126.9} kPa（5）

根据本工程的实际情况，混凝土地面下地基主要是黏性土和粉土进行压实的基层，由《基础工程》^［16］，地基承载力特征值取130 kPa，大于126.9 kPa，满足吊装作业要求。

2.3.2 汽车吊吊装能力计算

在进行龙门吊吊装前，需要对汽车吊的吊装能力进行验算。下面以主梁移动吊装安全校核为例进行汽车吊吊装能力计算。

主梁质量G为8.0 t，拟采用2台25 t汽车共同起吊并将其移至台车前盾构井上方。在移动吊装主梁时：25 t汽车吊最大臂长为14.3 m，最大工作半径12 m（汽车吊底盘高度约为1.5 m，此时吊臂顶端高度约9.0 m，满足13.5 m限高要求），支腿全伸，此时汽车吊起重荷载m为6.0 t。考虑吊装动载系数k₁为1.1和抬吊不均衡系数k₂为0.8^［17］。则需满足公式：

（6）

式中：n为汽车吊数量。

将相应数据代入式（6）计算得到：4.4 t<4.8 t，可以满足主梁移动吊装的安全要求。

在非悬臂侧吊装时没有限高要求，可采用两侧汽车吊同时吊装，据此提高了吊装效率。与主梁移动吊装安全校核类似，分别计算其他部件吊装时的汽车吊吊装能力并将结果列于表3中。

根据表3中的数据可知，汽车吊吊装能力满足要求。

2.3.3 吊索具计算

由于限高和高压影响，龙门吊吊装过程中的钢丝绳拟创新性地选用纤维芯钢丝绳^［18］，具有轻质高强且耐腐蚀等优点，其直径为18 mm，抗拉强度为1 770 N/mm²，最小破断拉力为185.3 kN。

进行安全系数验算，安全系数计算公式为：

S=\frac{\mathrm{受力}\mathrm{钢丝}\mathrm{绳数}\mathrm{量}\times \mathrm{单根}\mathrm{破断}\mathrm{拉力}(\mathrm{k}\mathrm{N})\times \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{\mathrm{载物}\mathrm{质量}}（7）

式中：α为钢丝绳受拉时与水平地面的夹角。

根据施工安全要求，吊装时钢丝绳安全系数S应大于8^［19］。

以支腿吊装为例检验钢丝绳的安全性。支腿质量为1.0 t，吊装钢丝绳为2根直径18 mm的钢丝绳，钢丝绳与水平方向的夹角不得小于60°。则根据式（7）计算得钢丝绳的安全系数为：S=\mathrm{32.7}>\mathrm{8}，满足施工要求。各种器械吊装时的数据列于表4。

根据式（7），计算所有工况下的安全系数并绘制于图5，发现安全系数均大于8，故吊索具符合工程安全性要求。

2.3.4 缆风绳受力计算

缆风绳分别在支腿顶端处固定，缆风绳与地面的锚固固定拟采用钢丝绳连接手拉葫芦再连接支腿方式的固定方式，效果图如图6所示。钢丝绳用3.25 t卸扣连接支腿上端的锚固点，通过手拉葫芦拉紧钢丝绳，取支腿重的一侧进行受力计算，钢丝绳的最小破断拉力f_{\mathrm{0}}为150 kN。

计算假设：

（1） 支腿偏斜。按照支腿上部倾斜偏离中心0.53 m计算（支腿偏斜角\beta =\mathrm{5}°）。

（2） 风力考虑。收集了近一年内施工现场的风力数据，并绘制了风力玫瑰图如图7所示。

由图7可以看出：施工现场的风速为2~16 m/s，风速在14~16 m/s的频率最高，为了安全考虑，后续计算取风速为16 m/s。

（3） 缆风绳与地面夹角\gamma =\mathrm{68}°。

（4） 主梁与支腿接触瞬间的碰撞力按照3 t计算。则支腿与地梁、台车、主梁由于偏斜、自身质量产生水平分力为：

F_{xz}=\left(\frac{m_{\mathrm{1}}}{\mathrm{2}}+m_{\mathrm{2}}\right)\times \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta（8）

式中：m₁=0.8 t（行走台车质量），m₂=1.0 t（长支腿质量）。

计算得：F_xz =1 224.9 N。

主梁与支腿接触瞬间的碰撞力产生的水平力：

F_{xj}=f\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\beta（9）

式中：f为手拉葫芦施加的拉力，为30 kN。

计算得：F_xj =2 624.7 N。

风载荷：

F_{xf}=C\times a\times q\times K（10）

式中：C为风力系数，取1.2；a为龙门吊支腿的受风面积，计算得6.3 m²；K为高度系数取1.0。q为计算风压力，其计算公式为：

q=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\times \rho v^{\mathrm{2}}（11）

式中：ρ为空气密度，取1.293 kg/m³；v为风速。计算得：q=165.5 Pa；代入式（10），计算可得F_{xf}=\mathrm{1}\mathrm{251.2}\mathrm{N}。

根据计算结果可知，由于支腿歪斜、主梁与支腿接触瞬间碰撞力和风力共同产生的水平力为：

F_x=F_{xz}+F_{xj}+F_{xf}（12）

计算可得：F_x =5 100.8 N。

则倾斜钢丝绳的拉力为：F_{\mathrm{s}}=\frac{F_x}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma }=\mathrm{13}\mathrm{616.4}\mathrm{N}，安全系数S=\frac{f_{\mathrm{0}}}{F_{\mathrm{s}}}=\mathrm{11}>\mathrm{8}，满足安全要求。

2.3.5 地锚承载力计算

地锚采用0.30 m×0.40 m×0.02 m的钢板制作，采用6个M16×140的膨胀螺丝锚固在混凝土地面上，侧边加筋板满焊，地锚的设计图如图8所示。

缆风绳与地面夹角\gamma =\mathrm{68}°，最大受拉力F_max=13.7 kN，M16×140膨胀螺栓具体的力学参数列于表5，查表可知螺栓在C25混凝土上的拉力允许值为F_l=12.5 kN，剪力允许值F_j=6.5 kN。

当计算受力地锚的最大抗拉拔力F_{\mathrm{p}}时，若考虑缆风绳受力全部为垂直受力，膨胀螺栓取拉力允许值F_l=12.5 kN，此时：

F_{\mathrm{p}}=\mathrm{6}\times F_{\mathrm{l}}（13）

计算可得：F_p=75 kN>F_max。

若考虑缆风绳受力全部为水平受力，膨胀螺栓取剪力允许值F_j=6.5 kN，此时：

F_{\mathrm{p}}=\mathrm{6}\times \frac{F_{\mathrm{j}}}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma }（14）

计算可得：F_p=104.1 kN>F_max。

故地锚设置能够满足工程安全要求。

3 施工流程

安装龙门吊的主要风险在于吊装过程中可能发生的意外。一旦出现起重吊装事故，可能导致龙门吊部件倒塌或汽车吊车翻倒等情况，从而对生命和财产安全构成威胁。因此，根据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB 50652—2011）^［20］，结合上文中的计算分析，制定了具体的安装流程，如图9所示。

其中，两侧行走、支腿、端梁分别采用2台汽车吊安装；主梁首先在盾构井挡墙前方空地进行拼装，抬吊至台车前方，最后用2台汽车吊抬吊安装主梁；小车采用非悬臂侧25 t汽车吊单独安装。

龙门吊具体安装流程为：

（1） 主梁拼装。2根主梁均分为两段式组成，吊装前需将主梁拼成一个整体。

（2） 主梁移动。因现场场地限制，主梁在盾构井前方挡墙处进行拼装，再用2台25 t汽车吊抬吊移动至台车前方盾构井上方。用方木搭成井字架，将主梁放至井字架上，以防主梁将挡墙压坏，如图10所示。

（3） 台车支腿总成组装。2台汽车吊分别将两侧龙门吊行走台车和支腿组装至一起，准备整体安装。同时，两支腿间焊接一根横向支撑（10号槽钢）用于保持支腿间距，再将作业平台搭设好。

（4） 台车支腿总成安装。采用25 t汽车吊吊起台车支腿总成，将其落至轨道上指定位置，再拉设缆风绳。

（5） 主梁安装。采用2台25 t汽车吊将主梁慢慢吊起，当主梁高度超过支腿高度时，将其朝支腿侧平移，将主梁缓慢平移至支腿上方50~100 mm高度，然后汽车吊缓缓落钩，调整吊装位置及高度使主梁与支腿上法兰处准确对位，并立即用螺栓连接主梁和支腿。

（6） 端梁安装。采用2台25 t汽车吊分别吊装两侧端梁。汽车吊将端梁吊至2根主梁法兰之间，安装好连接螺栓后方可拆除吊装钢丝绳，如图11所示。

（7） 小车安装。因非悬臂侧25 t吊车无限高要求，正式吊装前先进行试吊^［21］，25 t汽车吊把小车吊起，离开支承物100~200 mm，观察小车上平面是否处于水平状态，然后检查其机具及拴挂，确认拴挂牢固安全可靠，试吊无误后则可准备继续起吊。

正式吊装时，汽车吊将小车提升至一定高度，启动回转机构，将小车移动到主梁上方轨道附近，随后缓慢放置在轨道上，最后吊装小车顶棚并拧紧两者之间的螺栓。

（8） 电气安装。起重机安装、架设完成后，就可以进行电气设备的安装、电线管道的敷设，配线和安全接地等工作。

（9） 安装调试。一切安装完成后需要对整机进行安全调试以及负荷试验等，确保体系安全后方可正式投入使用。

龙门吊安装过程中，应严格遵守安全规范，确保每个环节的安全性和稳定性。主梁拼装移动时设置支撑防止压坏挡墙；支腿安装时用横向支撑和缆风绳保持稳定。主梁、端梁和小车吊装应缓慢操作，螺栓固定后方可拆除吊装设备。电气设备安装后需全面调试和试验，确认无隐患后投入使用，全程强化安全管理。

4 结论

本文根据施工现场实际情况，通过计算分析制定了一套门式起重机的安装方案，针对现场上方高压线导致的净空受限问题，提出了相应的解决方案，得到以下主要结论：

（1） 高压线的存在导致施工现场存在电辐射危险，因此在方案制定前，采用Ansys数值分析软件对高压线周围的电场分布进行了模拟计算，进而确定了施工过程中的安全高度。另外，所有的器械材料选择都要求能够较好地屏蔽电磁辐射，比如选用纤维钢丝绳，为施工器做接地处理等。

（2） 针对现场的净空要求，在施工过程中选择性地采用两侧汽车吊共同吊装的方式，避免了由于限高导致部分器械不能使用而引起的施工进度滞后问题。

（3） 根据国家标准，全面系统地对施工过程中各个器械的受力情况进行了计算分析，为施工方案中各种材料选择以及施工流程提供了理论支撑，确保了500 kV超高压线下地铁车站施工龙门吊吊装方案的安全实施。

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