電力管廊頂管施工桿塔保護(hù)方法探討

卞茂斌

(無錫供電公司，江蘇無錫214061)

地下電力管廊是提高土地利用率、改善電力供應(yīng)可靠性的一項(xiàng)有效輸電方式。由于較多為架空輸電線路改建成地下管廊，因此，對施工區(qū)域內(nèi)無法規(guī)避的運(yùn)行電力桿塔的切實(shí)可靠保護(hù)，成為地下管廊施工的嚴(yán)重困難。結(jié)合管廊頂管的多處電力桿塔保護(hù)的施工經(jīng)驗(yàn)，為類似工程施工提供實(shí)踐借鑒。

1 項(xiàng)目概況

某電力管廊項(xiàng)目位于區(qū)域供電的變電所周邊，為配合該區(qū)域商業(yè)地塊建設(shè)開發(fā)，將現(xiàn)有和今后規(guī)劃建設(shè)的220 kV電力架空線路入地敷設(shè)。工程布置在道路兩側(cè)綠化帶內(nèi)，從220 kV輸電終端鐵塔，用地下頂管連接至變電所附近，再用涵道接通變電所。設(shè)計(jì)規(guī)模為220 kV電力電纜九回。其路徑示意如圖1示。

圖1 路徑示意

1.1 工程地質(zhì)水文

工程沿線地基地層土體分為11層：

1-1 層素填土（Q4ml）：為耕植土，以粉質(zhì)黏土、黏土為主。平均厚度1.35 m。

1-3層淤泥（Q4ml）：流塑狀態(tài)，工程性質(zhì)極差。厚度：0.50～2.00 m。

2-1 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q43（al+l））：流塑，含少量腐植物。平均厚度2.17 m。承載力fao=65 kPa，壓縮模量Es1-2=4.0 MPa。

3-1 層黏土（Q43（al+l））：硬塑，含氧化鐵、鐵錳質(zhì)結(jié)核。平均厚度3.82 m。地基土承載力fao=200 kPa，壓縮模量Es1-2=8.0 MPa。

3-2 層粉質(zhì)黏土（Q43（al+l））：可塑，含鐵錳斑紋。 平均厚度1.37 m。地基土承載力fao=140 kPa，壓縮模量Es1-2=6.0 MPa。

4-1 層粉土（Q42（al+l））：濕，中密，部分為細(xì)砂，含石英、云母碎屑。平均厚度6.10 m。承載力fao=140 kPa，壓縮模量Es1-2=5.5 MPa。

4-1A 層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q42（al+l））濕，流塑，部分為細(xì)砂，含石英、云母碎屑。平均厚度1.48 m。承載力fao=80 Pa，壓縮模量 Es1-2=3.5 MPa。

5層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（Q42al）：流～軟塑，夾少量薄層粉土。平均厚度1.15 m。土承載力fao=100 kPa，壓縮模量Es1-2=4.0 MPa。

6-1 層黏土（Q33（al+l））：硬塑，部分為粉質(zhì)黏土，含氧化鐵、鐵錳質(zhì)結(jié)核和高嶺土。平均厚度4.45 m。承載力fao=260 kPa，壓縮模量 Es1-2=8.0 MPa。

6-2 層黏土（Q33（al+l））：硬塑，含鐵錳結(jié)核。 平均厚度4.45 m。承載力fao=300 kPa，壓縮模量Es1-2=8.5 MPa。

7-1 層粉質(zhì)黏土（Q33（al+l））：可塑。 該層鉆孔未揭穿。地基土承載力fao＝110 kPa，壓縮模量Es=7.0 MPa。

該項(xiàng)目的頂管工程埋深9～14.3 m，均在3-2層至5層土層中。地下水主要為松散土類孔隙水，穩(wěn)定水位埋深為0.40～1.80 m，主要接受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給，與地表水聯(lián)系密切，以蒸發(fā)及向河道排泄為主要排泄方式。地下水位設(shè)計(jì)埋深取0.5 m。

1.2 工程分析

按照電力線路運(yùn)行規(guī)程，輸電線路路徑邊線兩側(cè)15 m為保護(hù)區(qū)域，是工程建設(shè)禁區(qū)。該項(xiàng)目施工區(qū)域與輸電線路保護(hù)區(qū)多處重疊。頂管I～I(xiàn)V段工程，路徑經(jīng)過A-F（見圖1）6基電力桿塔必需保護(hù)。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)報告，預(yù)計(jì)頂管后桿塔沉降平均值大于150 mm，難于達(dá)到保護(hù)目的，需采取預(yù)加固措施。其中，A鋼管塔為220 kV大轉(zhuǎn)角塔，結(jié)構(gòu)荷載大，頂管路徑穿過塔基水平受壓區(qū)，豎直距離小，沉降控制要求較高；B-F鋼管塔為110 kV直線塔，結(jié)構(gòu)荷載較小，頂管外邊線與塔基最近點(diǎn)距離為-0.87～3.5 m，結(jié)構(gòu)的豎直距離3.5～7.8 m，沉降控制措施困難相對較小。為此，分別對上述兩類桿塔分別采取不同加固方案。

2 加固方案

2.1 A鋼管塔

該鋼管位于頂管I段區(qū)，鋼管外徑2.4 m，其基礎(chǔ)為4層臺階重力式擴(kuò)大基礎(chǔ)，每層臺階高1.3 m，埋深4.75 m，底層臺階平面尺寸11.8 m×11.8 m，頂層臺階6.4 m×6.4 m。區(qū)間內(nèi)采用直線頂管施工，D內(nèi)＝2.4 m，壁厚 0.24 m，D外＝2.88 m。

2.1.1 加固計(jì)算

依據(jù)JGJ79—2002[1]。計(jì)算條件：選擇高壓旋噴樁的直徑為D＝0.6 m，則樁的截面面積Ap＝0.2826 m2，樁的周長μp＝1.884 m，樁間距0.8 m，等邊三角形排列?；A(chǔ)土層特征值如表1。

表1 鋼管塔基礎(chǔ)土層計(jì)算特征值

樁體單獨(dú)承載的單樁豎向承載力Rkd1為：

式中：η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.33；fcu為樁身抗壓強(qiáng)度平均值，取10 000 kPa。樁體和土體聯(lián)合承載的單樁承載力Rkd2為：

式中：qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值；li為樁周第i層土的厚度；qp為樁端地基土承載力特征值，取260。經(jīng)計(jì)算，Rkd1，Rkd2分別為 933 kN，1605 kN， 取其較小值，即單樁承載力Rkd=933 kN。

單樁承擔(dān)的處理面積Ae為0.554 m2，單樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑De為：

式中：a為布樁特征系數(shù)，等邊三角形布樁a=1.05；s為樁間距。面積置換率m為：

則，復(fù)合地基承載力fspk為：

式中：β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.2；fsk為處理后樁間土承載力特征值，取140 kPa。計(jì)算得fspk=1697 kPa，加固后的土體復(fù)核地基承載力將近1700 kPa，可確保頂管施工對基礎(chǔ)承載土體的沉降影響很小。

2.1.2 加固方法

采用D＝0.6 m高壓旋噴樁[2]，等邊三角形布樁，樁間距0.8 m×0.8 m，樁長15 m，共140根。加固范圍長15.8 m，嚴(yán)禁接觸碰撞基礎(chǔ)；基礎(chǔ)下部無法施工高壓旋噴樁的區(qū)域，采用高壓注漿加固，但是不影響基礎(chǔ)運(yùn)行[3]，加固面積15.4 m2，深度為基礎(chǔ)底面以下6 m。加固平面如圖2所示，立面布置和土層分布如圖3所示。

圖2 A鋼管塔加固平面圖

圖3 A鋼管塔加固立面和土層分布

2.1.3 主要施工參數(shù)

高壓旋噴樁水泥為不低于42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比取1，水泥摻量取土天然重度的30%，噴漿壓力為2.0 MPa，噴漿量100～150 L/min，氣壓0.7 MPa，風(fēng)量 10 m/min，水壓 30 MPa，水流量 80～120 L/min，提升速度6～10 cm/min。樁身垂直度不大于1/100，孔位偏差不大于50 mm。施工及質(zhì)量符合JGJ 79-2002[1]和 JGJ 120-2012[4]。

2.1.4 施工檢測

高壓旋噴樁施工28 d后，鉆孔取芯檢查成樁的質(zhì)量[5]，樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值應(yīng)大于10 MPa，若不滿足，應(yīng)及時調(diào)整施工工藝后加密復(fù)噴。保養(yǎng)齡期到后，鉆檢樁體完整性，并檢測注漿凝固體強(qiáng)度和變形性能。

2.2 B-F鋼管塔

以C和F鋼管塔為例，其他桿塔的加固方法類似。C和F鋼管塔位于頂管IV段。C鋼管塔為三級臺階擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底層平面尺寸3.4 m×3.4 m，埋深2.5 m。F鋼管塔為三級臺階擴(kuò)大基礎(chǔ)，底層平面尺寸7.2 m×7.2 m，埋深3.0 m。

2.2.1 加固計(jì)算

采用液壓注漿加固，加固后的土體復(fù)核地基承載力，經(jīng)核算為130 kPa，達(dá)到天然黏土至粉質(zhì)黏土的地基承載力水平，結(jié)合鋼管塔下3～4 m厚的原狀黏土持力層，可保證頂管施工對鋼管塔的沉降影響較小。

2.2.2 加固方法

對頂管外邊線兩側(cè)1.5 m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行液壓注漿加固，注漿孔間距1 m，以提高土體的承載力，增大土體力學(xué)參數(shù)，減小頂管施工引起的土體沉降。C鋼管塔土體加固如圖4和圖5所示，F(xiàn)鋼管塔土體加固與此類似。

圖4 C鋼管塔加固平面圖

2.2.3 主要施工參數(shù)

水泥漿采用42.5級硅酸鹽水泥，水灰比取1，水泥漿塌落25～75 mm，黏度80～90 s，7 d抗壓強(qiáng)度應(yīng)為0.3～0.5 MPa，注漿流量 7～10 L/min，注漿壓力 1～7 MPa。施工及質(zhì)量符合相關(guān)規(guī)定。

2.2.4 施工檢測

注漿凝固體強(qiáng)度和變形性能檢測采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)、靜力軸探試驗(yàn)。

2.2.5 施工監(jiān)測

注漿施工和頂管施工過程中，同步檢測土體的隆起量和鐵塔的沉降和傾斜度等。當(dāng)觀測值超過預(yù)警時應(yīng)及時報告監(jiān)理、施工單位及設(shè)計(jì)單位，采取相應(yīng)保護(hù)措施。沉降監(jiān)測的控制值與報警值如表2所示。

表2 沉降控制值與報警值

3 加固效果

圖5 C鋼管塔加固立面和土層分布

按上述施工方案實(shí)施加固施工及保養(yǎng)，結(jié)合工程進(jìn)度要求，分別對加固區(qū)進(jìn)行4 d，10 d和28 d保養(yǎng)齡期后的土體加固效果檢測[6]，檢測結(jié)果如下。

3.1 A鋼管塔

28 d齡期后，高壓旋噴樁區(qū)采用地探鉆機(jī)隨機(jī)鉆芯取樣，抽檢樁體6根。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)芯樣，檢測樁體攪拌效果和深度范圍內(nèi)的水泥含量。同時，對樁體芯樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，綜合評定樁身質(zhì)量。檢測結(jié)果表明，芯樣質(zhì)地堅(jiān)硬，水泥與土體攪拌均勻性良好，完整性較好，水泥含量高，樁端持力層為灰褐色可塑粉質(zhì)黏土。檢測無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.39～9.95 MPa，達(dá)到1700 kPa的設(shè)計(jì)要求。

3.2 C鋼管塔

4d齡期后，在加固區(qū)注漿孔位之間靜力觸探機(jī)施鉆靜力觸探孔，孔深11～11.5 m。檢測結(jié)果表明，注漿加固對黏土和粉質(zhì)粘土層的影響較小，但對粉土層強(qiáng)度的提高作用明顯，推算28 d強(qiáng)度可達(dá)到160～170 kPa，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的加固效果，達(dá)到控制頂管后地表淺層基礎(chǔ)沉降。

3.3 F鋼管塔

10 d齡期后，在加固區(qū)注漿孔位之間采用鉆機(jī)施鉆探孔，孔深均為10 m，重力動力觸探試驗(yàn)和鉆芯取土樣目測鑒定相結(jié)合。 檢測結(jié)果表明，注漿加固對粉質(zhì)黏土層（3-2）的影響較小，對粉土（4）強(qiáng)度的提高作用明顯，推算28 d強(qiáng)度可達(dá)到160～170 kPa，可以達(dá)到設(shè)計(jì)的加固效果，控制了基礎(chǔ)的沉降。

4 頂管施工和沉降監(jiān)測結(jié)果

4.1 A鋼管塔

頂管I施工穿越A鋼管塔加固區(qū)時，頂進(jìn)速度受加固土體阻力影響，在頂力400 t不變的條件下，由原土區(qū)1.5 cm/min減緩為1.0 cm/min，穿越后恢復(fù)到1.5 cm/min，刀具磨損十分嚴(yán)重。

同時，A鋼管塔基礎(chǔ)4個角點(diǎn)的沉降監(jiān)測記錄顯示，頂管穿越該區(qū)時，基礎(chǔ)有明顯沉降，最大累計(jì)沉降量為-19.65～-15.15 mm，滿足基礎(chǔ)的保護(hù)要求。

4.2 C和F鋼管塔

頂管IV施工穿越F鋼管塔基礎(chǔ)加固區(qū)時，頂力450 t不變，頂進(jìn)速度由5 cm/min減緩為4 cm/min，穿越后恢復(fù)到5 cm/min，頂管完成后刀具磨損輕微；穿越C鋼管塔時，頂力725 t不變，頂進(jìn)速度由5 cm/min減緩為3.5 cm/min，穿越后恢復(fù)到5 cm/min，刀具磨損也輕微。

F鋼管塔基礎(chǔ)在頂管穿越時有明顯沉降，并在頂管穿越后持續(xù)沉降0.32～5.35 mm，累計(jì)沉降量穩(wěn)定在-5.59～+2.12 mm的狀態(tài)。C鋼管塔基礎(chǔ)在頂管穿越時沉降明顯，最大累計(jì)沉降量-19.73～-9.13mm，并且在穿越后繼續(xù)沉降0.47～0.84 mm，至累計(jì)沉降量穩(wěn)定在-20.57～-9.74 mm?；緷M足基礎(chǔ)的保護(hù)要求。

5 差別性效果分析

5.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)報告和相同頂進(jìn)長度下的頂管頂力及頂進(jìn)速度表明，頂管I段的地質(zhì)工程特征比頂管IV段高50%左右，因此A鋼管塔基礎(chǔ)的地質(zhì)條件比C和F鋼管塔好很多。

5.2 基礎(chǔ)受力狀態(tài)

A鋼管塔為雙回路220 kV大轉(zhuǎn)角塔，頂管穿越區(qū)處于其基礎(chǔ)的集中受壓區(qū)；而C和F鋼管塔為單回路110 kV直線塔，頂管穿越區(qū)處于其基礎(chǔ)側(cè)邊的均勻受壓區(qū)。因此，A鋼管塔基礎(chǔ)的加固要求比C和F鋼管塔高得多。

5.3 土體加固方法

A鋼管塔基礎(chǔ)加固采用高壓旋噴樁工藝，可采用恰當(dāng)措施，控制加固施工對基礎(chǔ)下承載土層的擾動，效果良好。F鋼管塔采用壓密注漿工藝，為控制造價，施工方案限定了漿液滲透范圍，加固施工擾動保護(hù)基礎(chǔ)較明顯抬升，減小了頂管穿越后的累計(jì)沉降量。同樣采用壓密注漿工藝的C鋼管塔，由于加固區(qū)為地質(zhì)軟弱層，限定漿液滲透范圍的措施的效果較差，加固施工對保護(hù)基礎(chǔ)的抬升擾動不明顯，累計(jì)沉降量較大。

6 結(jié)束語

保護(hù)基礎(chǔ)沉降趨于穩(wěn)定后，總沉降量基本到達(dá)設(shè)計(jì)限值，均達(dá)到了保護(hù)基礎(chǔ)的目的。決定加固方法選擇的主要因素為地質(zhì)條件和基礎(chǔ)受力。加固措施成功的五個主要因素為：選擇有代表性的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行加固計(jì)算，精確分析和計(jì)算基礎(chǔ)受力，規(guī)范化實(shí)施施工技術(shù)措施,檢測確認(rèn)加固施工效果，預(yù)先控制頂管穿越加固區(qū)施工參數(shù)，并在過程中及時調(diào)整。以上分析及保護(hù)方法的取用，對其他類似的大直徑頂管施工中可能遇到的桿塔保護(hù)具有借鑒意義。

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