沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站盾構(gòu)區(qū)間下穿 220 k V電力線桿塔施工技術(shù)

黃 俊

(沈陽地鐵有限公司,沈陽 110011)

沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站盾構(gòu)區(qū)間下穿 220 k V電力線桿塔施工技術(shù)

黃 俊

(沈陽地鐵有限公司,沈陽 110011)

沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站區(qū)間位于沈陽市大東區(qū)沈海立交橋南端,區(qū)間起訖里程為 DK 18+863.51～DK 20+388.550,左線全長1 526.548m,右線全長1 525.04m,采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間左線隧道需要下穿 220 kV熱順甲乙線第 12、13、14號線桿塔,線桿塔為耐張鋼管桿,基礎(chǔ)為人工挖孔樁基礎(chǔ)。主要對該區(qū)間盾構(gòu)下穿高壓線桿加固塔施工方案進(jìn)行介紹。對高壓線桿塔進(jìn)行加固的可行方案有：局部水平凍結(jié)方案,淺基礎(chǔ)加固方案,樁基礎(chǔ)過橋方案,經(jīng)比選決定采用淺基礎(chǔ)加固方案。通過對原線桿塔基礎(chǔ)從地表采取加固措施,并從盾構(gòu)掘進(jìn)角度采取可靠的施工措施,最終達(dá)到了確保電力線路安全運行和地鐵隧道安全掘進(jìn)的目的。

區(qū)間隧道;盾構(gòu)掘進(jìn);220 kV高壓線桿塔;淺基礎(chǔ)加固;施工

1 工程概況

1.1 地鐵區(qū)間簡介

沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站區(qū)間(以下簡稱東—滂區(qū)間)位于沈陽市大東區(qū)沈海立交橋南端,大致呈東西走向,區(qū)間起訖里程為 DK18+863.51～DK20+388.550,左線全長1 526.548m,右線全長1 525.04m,隧道總長為3 051.588m,包括 1座聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)間平面線形由直線和曲線組成,最小曲線半徑為 350m,線間距 13m,線路縱向呈“V”形坡,最大縱坡為 25‰。區(qū)間最大埋深 23.753m,最小埋深 15.82 m,穿越地層為中粗砂、礫砂、圓礫,顆粒最大粒徑約為110mm。地下水類型為第四系孔隙潛水,滲透系數(shù) 40～80m/d,穩(wěn)定水位埋深在 6.2～8.2m。

本區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,隧道結(jié)構(gòu)為普通環(huán)管片錯縫拼裝形式,普通環(huán)為常用的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和左轉(zhuǎn)環(huán)、右轉(zhuǎn)環(huán)(楔形環(huán)),在直線段使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán),曲線段采用楔形環(huán)。管片外徑 6.0m,內(nèi)徑 5.4 m,厚度 0.30m,環(huán)寬1.2m,管片連接采用彎螺栓連接。東—滂區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)平面示意見圖1。

圖1 東—滂區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)平面示意

1.2 220 kV熱順甲乙線情況簡介

沈陽市 220 kV熱順甲乙輸電線路于 2000年開工建造,2001年 11月投運一回,2005年 6月雙回全部投運。線路全部采用耐張鋼管桿,襠距大(間距約 45 m),自重大(桿質(zhì)量約 40 t),鋼管桿基礎(chǔ)均采用挖孔樁基礎(chǔ),埋深均在 9m左右。

東滂區(qū)間左線隧道需下穿該 220 kV雙回電力線路第 12、13、14號線桿塔基礎(chǔ),結(jié)合沈陽供電公司施工圖紙和地鐵隧道線路圖,經(jīng)過現(xiàn)場放線,確定相關(guān)線桿塔與區(qū)間隧道的位置關(guān)系,具體如下：

(1)12號桿塔基礎(chǔ)埋深為 8.8m,采用單基礎(chǔ)形式,質(zhì)量約 144 t,桿塔基礎(chǔ)侵入左線隧道正上方 2.5 m,此位置隧道覆土為 12.56m,桿塔基礎(chǔ)與隧道頂部的距離為 3.8m;

(2)13號桿塔基礎(chǔ)埋深為 6.9m,采用雙基礎(chǔ)形式,質(zhì)量約 142 t,桿塔基礎(chǔ)距離左線隧道邊線 0.18m,此位置隧道覆土為 15.22m,桿塔基礎(chǔ)與隧道頂部的距離為 8.3m;

(3)14號桿塔的基礎(chǔ)埋深為8.8m,采用單基礎(chǔ)形式,質(zhì)量約 360 t,桿塔基礎(chǔ)距離左線隧道邊線 2.3m,此位置隧道覆土為 17.39m,桿塔基礎(chǔ)與隧道頂部的距離為 8.6m。

220 kV熱順甲乙線桿塔與地鐵 1號線東—滂區(qū)間平、立面位置關(guān)系見圖2,220kV熱順甲乙線桿塔圖片見圖3。

2 施工方案研究

2.1 現(xiàn)場實地踏勘

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,該段工程地質(zhì)水文情況如下：地層由上至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、圓礫,其中大于 20mm顆粒占總重的 20%～30%,圍巖類別為Ⅰ、Ⅱ類,地基土滲透系數(shù) 40～80m/d,地下水為第四系孔隙潛水,穩(wěn)定水位埋深在 6.2～8.2m。

圖2 東—滂區(qū)間隧道與 220 kV電力線桿塔基礎(chǔ)平面、立面位置關(guān)系(單位：m)

圖3 220 kV熱順甲乙線 12號桿塔圖片

2008年 12月 4日上午,地鐵建設(shè)方組織沈陽市規(guī)劃設(shè)計院、沈陽電力設(shè)計院、沈陽供電公司等單位專業(yè)人員對現(xiàn)場進(jìn)行了實地踏勘。220 kV雙回高壓線路桿塔基礎(chǔ)與地鐵隧道位置關(guān)系見上文所述。根據(jù)地鐵施工規(guī)范,在正常地段區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工時地面沉降量一般控制在 30mm以內(nèi),隆起量控制在 10 mm以內(nèi),但盾構(gòu)下穿 220 kV雙回高壓線桿塔基礎(chǔ),沉降量的控制要求必然會更加嚴(yán)格。通過與供電部門技術(shù)人員溝通,因該供電線路桿塔為耐張轉(zhuǎn)角鋼管桿,襠距大,自重大,采用獨立挖孔樁基礎(chǔ),受力比較復(fù)雜,基礎(chǔ)沉降控制相當(dāng)困難。若隧道施工過程中出現(xiàn)過大變形,可能造成基礎(chǔ)斷樁、桿塔傾覆等事故;另外,由于桿塔基礎(chǔ)距離隧道頂部較近,且基礎(chǔ)質(zhì)量較大,可能引起圍巖失穩(wěn)、塌方等事故。因此在盾構(gòu)掘進(jìn)前,必須采取可靠措施保證高壓供電線路和地鐵隧道施工同時滿足安全要求。

經(jīng)現(xiàn)場踏勘,電力桿北側(cè)已經(jīng)緊臨居民樓或機動車道,因此不具備北側(cè)立桿條件。區(qū)間隧道南側(cè)為沈陽中捷友誼廠搬遷后已處于開發(fā)狀態(tài)的“龍之夢”地產(chǎn)項目,基坑已經(jīng)開挖完成,正在進(jìn)行 ±0以下工程施工,該開發(fā)項目北側(cè)紅線與地鐵右線隧道外邊線僅隔3m。若電力桿南移,則勢必侵入開發(fā)用地紅線,因涉及商業(yè)利益,協(xié)調(diào)難度極大。經(jīng)研究,推薦辦法仍是研究對既有線桿塔進(jìn)行加固。

2.2 加固方案比選

在確定對既有線桿塔進(jìn)行加固為最可行方案后,地鐵建設(shè)方即著手該加固方案的委托設(shè)計工作。因盾構(gòu)下穿 220 kV雙回電力線路在國內(nèi)尚無實施先例,該加固方案無類似成功經(jīng)驗可以借鑒,沈陽市電力設(shè)計院和遼寧省電力設(shè)計院均表示未做過類似電力線路加固工程設(shè)計。后經(jīng)地鐵公司總經(jīng)理辦公會研究,最終委托東北電力設(shè)計院進(jìn)行該加固工程方案設(shè)計工作。

在地鐵隧道和供電線路均不具備改線、同時保證線路桿塔安全運行的情況下,設(shè)計部門依據(jù)架空送電線路基礎(chǔ)和桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定、混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、原鋼管桿及其基礎(chǔ)設(shè)計圖紙、沈陽供電公司送電工區(qū)相關(guān)要求等相關(guān)資料,共提出 3個比選方案。

(1)局部水平凍結(jié)方案

在隧道開挖前,先將隧道周圍某一范圍的土體進(jìn)行凍結(jié),電線桿塔荷載通過凍結(jié)的拱橋傳遞到隧道兩側(cè)的土體。待隧道開挖并安全支護(hù)后,再解凍隧道周圍凍結(jié)土體。

凍結(jié)費用估算：總延米(20+20+10)m×20萬/m=1 000萬元 。

此方案優(yōu)點：凍結(jié)工程在地下進(jìn)行,不影響地面人群的正常生活,施工過程易于控制。

此方案缺點：凍結(jié)費用較高,并且隧道壁仍受到桿塔基礎(chǔ)的集中荷載作用,須加強隧道壁的支護(hù),增加隧道支護(hù)費用。

(2)淺基礎(chǔ)加固方案

在原線桿塔樁基礎(chǔ)上增設(shè)新的地表淺基礎(chǔ),通過調(diào)整基礎(chǔ)底面積,使地基壓力在地層中的影響深度不及隧道開挖影響范圍。首先完成新增淺基礎(chǔ)加固施工,通過力學(xué)轉(zhuǎn)換,分散原有樁基礎(chǔ)受力,使樁基礎(chǔ)的承載方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇頊\基礎(chǔ)承載。

淺基礎(chǔ)置換費用估算：3個 ×140萬元/個 =420萬元。

此方案優(yōu)點：淺基礎(chǔ)加固工程在地表進(jìn)行,費用較低。

此方案缺點：影響地面人群的正常生活,須對桿塔進(jìn)行臨時加固,施工工序較多,受場地條件限制較多,淺部地層工程地質(zhì)條件較差時,往往需要進(jìn)行注漿加固地基。

(3)樁基礎(chǔ)過橋方案

在隧道兩側(cè)增加樁基礎(chǔ),通過梁將新增加的樁基礎(chǔ)相連接,并使桿塔荷載傳遞到該梁上。

樁基礎(chǔ)過橋費用估算：3個 ×200萬元/個 =600萬元。

此方案優(yōu)點：易于施工,費用適中。

此方案缺點：影響地面人群的正常生活,須對桿塔進(jìn)行臨時加固,施工工序較多,受場地條件限制較多,且對盾構(gòu)機后續(xù)掘進(jìn)產(chǎn)生一定影響。

3 施工方案確定及實施介紹

對上述 3個方案進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn)第二方案還具備實施難度較低、工期較短的優(yōu)點。經(jīng)過對現(xiàn)場條件實地研究,最終選擇第二方案作為最終實施方案,即對高壓線桿塔樁基礎(chǔ)實施新增淺基礎(chǔ)加固。

3.1 方案指導(dǎo)思想

為減小地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)對線路桿塔地基的擾動,在原基礎(chǔ)承臺的下部增加承載筏板,以承受電力導(dǎo)線、鋼管桿及其基礎(chǔ)的重力等豎向荷載,增大承擔(dān)桿塔荷載的地基土的范圍,進(jìn)而減小地鐵隧道在開挖過程中鋼管桿原樁基礎(chǔ)傳遞到地基上的荷載。此外,還設(shè)置臨時拉線,以承受線路桿塔的水平荷載。通過增加筏板和設(shè)置臨時拉線這兩種受力措施,來保證在地鐵隧道開挖過程中輸電線的安全。鋼管桿的原基礎(chǔ)、新加基礎(chǔ)及加固完成后基礎(chǔ)示意見圖4。

圖4 鋼管桿基礎(chǔ)加固示意

3.2 主要施工步驟

(1)基坑開挖前,先對既有線桿塔進(jìn)行可調(diào)拉線加固,見圖5、圖6。

圖5 拉線加固線桿塔示意(單位：m)

(2)在完成拉線加固措施后,按設(shè)計方案進(jìn)行地表淺基礎(chǔ)加固施工。

圖6 拉線基礎(chǔ)示意(單位：m)

首先對距離地面 2.5 m以下(新基礎(chǔ)下)的雜填土進(jìn)行注漿處理,所處理地基土的平面范圍須大于8.5m×8.5m。處理后雜填土層的承載力特征值須大于 160kPa,采用靜載試驗檢驗。

然后施作新增基礎(chǔ),新增基礎(chǔ)采用階形基礎(chǔ),總高度1 300mm,采用 C40鋼筋混凝土,底板布置 φ25mm受拉鋼筋,原基礎(chǔ)承臺側(cè)面徑向植 φ20mm鋼筋,承臺周圍布置環(huán)向 φ20mm鋼筋。特別要求新施作基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計強度后方可進(jìn)行隧道掘進(jìn)。另外,在開挖基坑過程中要根據(jù)土體穩(wěn)定情況采取邊坡支護(hù)措施,同時須嚴(yán)格遵守高空和帶電作業(yè)安全規(guī)定。

第 12、13、14號線桿塔基礎(chǔ)加固分別見圖7、圖8、圖9。

圖7 12號線桿塔基礎(chǔ)加固示意(單位：m)

圖8 13號線桿塔基礎(chǔ)加固示意(單位：m)

圖9 14號線桿塔基礎(chǔ)加固示意(單位：m)

該線桿塔加固工程通過公開招標(biāo)選取有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)單位負(fù)責(zé)實施,施工單位于 2009年 2月 9日開始加固,至 2009年 3月 1日完成 12、13號線桿塔基礎(chǔ)加固,3月 28日完成 14號線桿塔基礎(chǔ)加固工作。

3.3 施工工藝要求

(1)臨時拉線：每根線桿塔布置 4道臨時拉線,在水平投影上每道拉索與橫擔(dān)的夾角宜為 45°;每根拉索的上端通過環(huán)箍連接在鋼管桿上,另一端錨固在地基土中;拉索直徑大于30mm,與地面夾角宜小于 60°;臨時拉線的初應(yīng)力 100MPa。

(2)植筋工程：植筋膠的選擇和植筋工藝等須按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367—2006)和《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》(JGJ145—2004)等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行,植筋完成后抽撿所植鋼筋的承載性能,不允許植筋膠層出現(xiàn)破壞。

植筋的工藝流程：彈線定位→鉆孔→洗孔→注膠→植筋→固化養(yǎng)護(hù)。植筋剖面大樣見圖10。

圖10 植筋剖面大樣(單位：mm)

4 盾構(gòu)施工保證措施

為了確保工程安全萬無一失,地鐵建設(shè)方提出采取“雙保險”方案,即除了從地表研究對電力線桿塔基礎(chǔ)進(jìn)行加固外,要求盾構(gòu)施工單位從盾構(gòu)掘進(jìn)角度采取最可靠的施工措施,確保電力線路運行和盾構(gòu)掘進(jìn)施工均能確保安全。

4.1 盾構(gòu)機選型確認(rèn)

因該盾構(gòu)穿越地層主要為礫砂、圓礫和中粗砂,且地下水富集,因此盾構(gòu)機選型時,必須對刀盤形式、刀具形狀及耐磨性、加泥系統(tǒng)、螺旋輸送機等方面進(jìn)行認(rèn)真研究,保證所選機型能在地層中順利施工。本區(qū)間選用日本川崎重工生產(chǎn)的 φ6.24m復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機,刀盤為輻條式,開口率為 60%,通過右線隧道(全長1 525.04m)的成功掘進(jìn),中途未更換刀具,系統(tǒng)運行順暢,證明該盾構(gòu)機選型基本是合理的。因左線隧道掘進(jìn)需要下穿 220 kV電力線桿塔基礎(chǔ),在左線隧道正式掘進(jìn)前,地鐵建設(shè)方要求盾構(gòu)施工單位對盾構(gòu)機做一次全面檢測評估,并備好易損易耗件,確保盾構(gòu)機能以最好的性能狀態(tài)下穿高壓電力線桿塔基礎(chǔ)。

4.2 盾構(gòu)機維修加固

該盾構(gòu)機刀盤為輻條式,開口率為 60%,且刀具都鑲有硬質(zhì)合金刀頭,刀具密度較高,具有高強度、超耐磨的特點。為了進(jìn)一步保證施工安全與施工質(zhì)量,在刀盤圓周、刀盤輔條、刀具支座、土倉內(nèi)側(cè)和螺旋機葉片上增加堆焊網(wǎng)狀硬質(zhì)合金耐磨層。通過對右線隧道全斷面砂礫地層1 525.04m隧道掘進(jìn)后觀察,刀盤刀具及螺旋機等重點位置存在一定程度的磨損。為了保證左線隧道施工順利進(jìn)行,更是為了保證盾構(gòu)機在下穿高壓線桿塔過程中不出現(xiàn)意外事故,須對刀盤刀具及螺旋機等部位進(jìn)行維修加固。主要措施如下。

(1)刀盤修補：對磨損量大于 10 mm的平面刮刀和貝殼刀進(jìn)行全部更換;對刀盤周邊先行刀全部更換;中心刀全部更換;并對刀盤相關(guān)部位加焊硬質(zhì)合金耐磨網(wǎng)格。

(2)螺旋機維修：對葉片磨損部位進(jìn)行堆補焊,加焊硬質(zhì)合金耐磨網(wǎng)格;更換大功率液壓馬達(dá)。

4.3 合理確定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

根據(jù)右線隧道掘進(jìn)經(jīng)驗,合理確定左線盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù),嚴(yán)格控制地表沉降：掘進(jìn)速度控制在 40～45 mm/min,土壓 120～150 kPa,采用膨潤土泥漿作為改良土體添加劑來保護(hù)刀盤,加泥量控制在 6～8m3/環(huán),刀盤扭距保持在2000 kN?m。在合理的平衡壓力及掘進(jìn)速度等參數(shù)情況下,正常施工段每環(huán)管片同步注入 4.5～5.5m3漿液來控制盾尾地面沉降。

從已經(jīng)貫通的右線隧道實施效果看,該掘進(jìn)參數(shù)對地面沉降控制比較有效。

5 施工監(jiān)測

盾構(gòu)機掘進(jìn)在線桿塔新增基礎(chǔ)混凝土達(dá)到設(shè)計強度后進(jìn)行,其中第 12號線桿塔對應(yīng)的左線隧道穿越區(qū)管片環(huán)編號為“左第 136環(huán) ～145環(huán)”,盾構(gòu)機穿越該桿塔時間為 2009年 3月 9日 ～11日;第 13號線桿塔對應(yīng)的左線隧道穿越區(qū)管片環(huán)編號為“左第 251環(huán) ～263環(huán)”,盾構(gòu)機穿越該桿塔時間為 2009年 3月 27日～29日;第 14號線桿塔對應(yīng)的左線隧道穿越區(qū)管片環(huán)編號為“左第 377環(huán) ～390環(huán)”,盾構(gòu)機穿越該桿塔時間為 2009年 4月 11日 ～13日。

為說明線桿塔基礎(chǔ)沉降情況,現(xiàn)摘取第 12、13、14號線桿塔基礎(chǔ)部分沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),見表1～表3。

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：12號線桿塔基礎(chǔ)因和左線隧道重疊較多,且基礎(chǔ)與隧道頂距離較近,盾構(gòu)機推進(jìn)過程中對其影響相對較大,3月 12日后沉降數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定;13、14號線桿塔基礎(chǔ)沉降則相對較小。在盾構(gòu)機順利穿過桿塔基礎(chǔ)并實施同步填充注漿后,地面沉降立即趨緩。

可以看出,通過對原線桿塔基礎(chǔ)從地表采取加固措施,并從盾構(gòu)掘進(jìn)角度采取最可靠的施工措施,最終達(dá)到了確保電力線路安全運行和地鐵隧道安全掘進(jìn)的目的。

表1 12號線桿塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

表2 13號線桿塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

表3 14號線桿塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù) mm

6 結(jié)語

因地鐵盾構(gòu)從 220 kV高壓線桿塔基礎(chǔ)下方穿過尚無先例,地鐵相關(guān)參建單位均無類似工程經(jīng)驗。因此,為了確保本工程安全實施,工程參建各方均本著“安全第一、預(yù)防為主”的原則,認(rèn)真落實工程措施,精心組織,科學(xué)施工,確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,不僅要保證隧道施工安全,更要保證 220 kV電力線桿塔安全運行。

(1)地鐵建設(shè)方高度重視工程安全隱患,加大地鐵建設(shè)投入,積極組織協(xié)調(diào)各方關(guān)系,堅持不懈,多次召開專題會議,研究對電力線桿塔的加固事宜,對本工程的成功實施起到了極為關(guān)鍵的核心作用。

(2)線桿塔基礎(chǔ)加固方案設(shè)計單位在具體方案設(shè)計過程中與中國電力科學(xué)研究院共同合作,在方案設(shè)計過程中多次現(xiàn)場調(diào)查,確保設(shè)計方案更加科學(xué)可實施。

(3)在線桿塔基礎(chǔ)加固方案實施過程中,選擇專業(yè)施工隊伍進(jìn)行加固工程施工,同時制定應(yīng)急預(yù)案,加強線桿塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測,確保加固工程安全順利實施。工程施工過程中請電網(wǎng)運營單位進(jìn)行監(jiān)督,確保輸電線路安全運行。

(4)盾構(gòu)施工單位組織國內(nèi)知名專家對盾構(gòu)機穿越線桿塔專項方案進(jìn)行論證,并進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底和施工部署,對盾構(gòu)機機況進(jìn)行全面檢測,確保機器設(shè)備以最佳狀態(tài)下穿電力線桿塔。在盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中,嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù),做好掘進(jìn)過程中同步注漿和二次補充注漿,減少盾尾通過后隧道外周圍形成的空隙,嚴(yán)格控制地表沉降。

經(jīng)過各方共同努力,盾構(gòu)機終于在 2009年 4月12日安全順利下穿 3座電力線桿塔。

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1004-2954(2010)11-0084-05

2010-06-30

黃 俊(1976—),男,高級工程師,1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,工學(xué)學(xué)士,E-mail：hjzzyxl@163.com。