330 kV 變電站配套盾構(gòu)電纜隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究

楊吉濤，王 全，榮 飛，黨磊杰，管 波

（西安市政道橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

1.1 工程簡介

330 kV 中心變電站配套電纜隧道（紅廟坡路—二環(huán)北路西段） 工程北起西安市北二環(huán)與朱宏路立交十字東北角，全長2 729.3 m，接現(xiàn)狀綜合管廊，沿朱宏路、星火路地下敷設(shè)，南至紅廟坡路與星火路十字東南角，與新建330 kV 中心變電站連接。電纜隧道采用盾構(gòu)法施工，平曲線最大半徑600 m，最小半徑350 m；隧道整體呈“V”字坡，最大縱坡2.828%，最小縱坡0.500%，隧道頂覆土約12～23 m。盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)穿已成型的八號線明—范區(qū)間左線隧道，側(cè)穿間距小于6 m 區(qū)段長度約95 m（管片排版406～470 環(huán)），最小水平距離3.41 m，最大水平距離6 m，垂直距離6.7～7.7 m。

工程場地地貌為渭河II 級階地，場地地形平坦。不活動的F2 地裂縫在本區(qū)間穿越，除此之外無其他不良地質(zhì)。勘察深度范圍內(nèi)的地層自上而下依次為以路基為主的人工填土；其次為具濕陷性的②層黃土、③層古土壤。上述地層下覆為工程性質(zhì)較好的④-1 層粉質(zhì)黏土（局部含中砂薄層或透鏡體） 及其④-2 層中砂，再向下為性能好的⑤層粉質(zhì)黏土（局部含中砂薄層或透鏡體） 及其⑥層中砂。該場地地面下55 m 深度內(nèi)，各地層均連續(xù)分布，且成層厚度較均勻，以粘性土為主。根據(jù)電纜隧道工程縱斷面圖可知，區(qū)間沿線隧道洞身段圍巖主要為④-1 層粉質(zhì)黏土，④-2 層中砂和③層古土壤，該層層位穩(wěn)定，成層厚度均勻，區(qū)間沿線地下水位埋深介于11.20～21.50 m 之間。

1.2 電纜隧道結(jié)構(gòu)形式

圖1 為電纜隧道橫斷面。由圖1 可知，電纜隧道為圓形橫斷面，內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm，采用平板型單層管片襯砌結(jié)構(gòu)形式。管片襯砌壁厚300 mm，環(huán)寬1 500 mm，每環(huán)管片分6 塊（1 塊封頂塊、2 塊鄰接塊、3 塊標(biāo)準(zhǔn)塊） 拼裝而成，環(huán)與環(huán)之間錯縫拼裝。襯砌環(huán)縱縫、環(huán)縫均采用彎螺栓連接，其中每環(huán)縱縫采用12 根M27 螺栓，每個環(huán)縫采用10 根M27 螺栓。管片混凝土強(qiáng)度等級C50，抗?jié)B等級P12。電纜隧道分上艙室、下艙室這兩個艙室，上艙室、下艙室采用預(yù)制鋼筋混凝土板分隔，預(yù)制板搭接在隧道兩側(cè)腰梁上。腰梁采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在管片上對應(yīng)位置預(yù)留鋼筋接駁器，腰梁鋼筋通過預(yù)留鋼筋接駁器固定在管片上，管片表面鑿毛清洗干凈后澆筑腰梁。預(yù)制板之間間除、預(yù)制板與兩端管片之間間除采用C30 細(xì)石混凝土灌縫密封，中間板上做20 mm 砂漿面層。

圖1 電纜隧道橫斷面

2 盾構(gòu)電纜隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 盾構(gòu)機(jī)初始姿態(tài)測量

距離盾構(gòu)掘進(jìn)施工前，采用盾構(gòu)三維模型測算法和常規(guī)標(biāo)尺測量解算法的平均值作為最終的盾構(gòu)初始姿態(tài)，采用多種聯(lián)系測量方法相互校核的方式進(jìn)行聯(lián)系測量，有效地提高了盾構(gòu)掘進(jìn)精度，為盾構(gòu)順利貫通提供了保障[1-4]。

在盾構(gòu)機(jī)正式掘進(jìn)前，對盾構(gòu)機(jī)初始姿態(tài)進(jìn)行測量，在盾構(gòu)機(jī)中盾的盾體內(nèi)設(shè)有24 個M8 螺母。在進(jìn)行測量時，將特制的適配螺栓安裝在M8 螺母內(nèi)，再裝上棱鏡，便可開始三維坐標(biāo)測量，測量精度可以精確至0.1 mm。利用三維模型坐標(biāo)參數(shù)和測得的大地三維坐標(biāo)，經(jīng)過三維轉(zhuǎn)換，即可得到盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時姿態(tài)。

標(biāo)尺測量分為兩步完成[5-6]：一是直接測量盾構(gòu)機(jī)刀盤中心三維坐標(biāo)，與設(shè)計(jì)軸線做比較，從而確定盾構(gòu)機(jī)前點(diǎn)在水平方向和高程方向上的偏差（即前點(diǎn)姿態(tài)）；二是將事先準(zhǔn)備好的水平尺水平地?cái)[放在中盾和盾尾的盾體內(nèi)，然后利用全站儀對水平尺上的反射片（貼在水平尺的中心位置，當(dāng)水平尺保持水平時，反射片的中心位置與盾構(gòu)機(jī)的中心軸線重合） 進(jìn)行三維坐標(biāo)測量，用鋼尺量取反射片的中心位置到盾體底部的距離，反算出盾構(gòu)中心高程，將計(jì)算成果與設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行比較，從而確定盾構(gòu)機(jī)后點(diǎn)的姿態(tài)。

以上兩步均進(jìn)行多次觀測，取平均值作為最終測量數(shù)據(jù)。隧道中心高程計(jì)算公式[7-10]為

式中：Hz為盾構(gòu)隧道中心高程；Hf為測量反射片中心高程；R為盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑；L鋁為鋁合金管尺的長度；K鋁為反射片所在面的橫向?qū)挾取?/p>

盾構(gòu)掘進(jìn)通過采用智能導(dǎo)向系統(tǒng)確定盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方位和趨勢，通過聯(lián)系測量和導(dǎo)線測量實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)方位的準(zhǔn)確性。盾構(gòu)機(jī)在穿越周邊既有建構(gòu)筑物的過程中，加大監(jiān)測范圍和監(jiān)測頻次，建立監(jiān)測管理群，實(shí)現(xiàn)信息化管理，有效地保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全。盾構(gòu)姿態(tài)的建立需要提供盾構(gòu)機(jī)前點(diǎn)姿態(tài)、后點(diǎn)姿態(tài)、盾構(gòu)機(jī)在水平方向和高程方向上的偏差趨勢、滾動角及仰俯角[11]。

為了提高盾構(gòu)智能導(dǎo)向系統(tǒng)測量基準(zhǔn)點(diǎn)的精度，采用多種聯(lián)系測量方法相互校核的方式進(jìn)行聯(lián)系測量，始發(fā)前主要采用三角形聯(lián)系測量方法將平面坐標(biāo)及高程測量引至隧道內(nèi)。掘進(jìn)過程中除采用三角形聯(lián)系測量方法外，還采用了激光垂準(zhǔn)儀鉆孔投點(diǎn)法和陀螺定向法。因?yàn)楸竟こ滩捎昧恕跋榷芎缶?、先盾后樁”的施工工藝，即先進(jìn)行盾構(gòu)區(qū)間施工，再進(jìn)行中間井施工，所以在盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)至約1 100 m，超過1 號中間井100 m 后，在1 號中間井隧道上方位置進(jìn)行鉆孔投點(diǎn)，同時采用陀螺定向法進(jìn)行方位糾偏。本工程共進(jìn)行3 次陀螺定向：第一次在盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)至100 m 時進(jìn)行；第二次在盾構(gòu)掘進(jìn)至1 號中間井處進(jìn)行；第三次在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至距離接收井前100 m～150 m 處進(jìn)行。通過3 種不同的聯(lián)系測量方法，有效地提高了盾構(gòu)掘進(jìn)精度，為盾構(gòu)順利貫通提供了保障。

2.2 地表注漿加固

針對盾構(gòu)側(cè)穿的既有盾構(gòu)區(qū)間隧道及房屋，采用前地面袖閥管預(yù)注漿、持續(xù)跟蹤注漿的措施控制隧道的沉降變形，保護(hù)既有線路隧道安全。地面袖閥管注漿選擇從電纜隧道與8 號線隧道最小臨近距離3.4 m 到最大臨近距離6 m 區(qū)域內(nèi)豎向注漿，注漿影響范圍覆蓋電纜隧道與地鐵隧道之間區(qū)域。

在地面袖閥管注漿結(jié)束后28 d，在加固區(qū)域范圍內(nèi)抽取不少于2%～5%的注漿孔數(shù)點(diǎn)并且不少于3 個注漿孔數(shù)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，采用動力觸探檢測要求擊數(shù)不小于30 擊，當(dāng)檢驗(yàn)的注漿孔數(shù)點(diǎn)合格率小于80%時，應(yīng)對不合格區(qū)域?qū)嵤┲貜?fù)注漿。

2.3 刀盤改造

根據(jù)以往同地區(qū)盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)形式進(jìn)行改造，增強(qiáng)刀盤的耐磨性能，并有效節(jié)約工程建設(shè)成本。刀盤增加2 個磨損檢測，在擋刀盤磨損到一定位置時，上位機(jī)顯示報(bào)警信息，可及時進(jìn)倉進(jìn)行處理以減小損失。將中心魚尾刀更換為焊接式齒狀魚尾刀，增強(qiáng)刀盤的耐磨性能。先行刀采用重型撕裂刀以保護(hù)邊刮刀，刀具分層設(shè)計(jì)，有效延長刀盤掘進(jìn)距離。保徑刀為重型保徑撕裂刀，沿圓周方向均勻布置，有效加強(qiáng)刀盤周邊刀具的耐磨性能及延長掘進(jìn)距離。補(bǔ)齊大圓環(huán)底部缺口，將大圓環(huán)耐磨刨除，大圓環(huán)表面更換為合金耐磨板全覆蓋+12 塊大圓環(huán)保護(hù)塊，增強(qiáng)刀盤的耐磨性能。

2.4 盾構(gòu)始發(fā)

1） 始發(fā)端頭土體加固。采用高壓旋噴樁加固始發(fā)端頭土體，加固范圍8 m，直徑500 mm，間距400 mm，加固平面范圍8 m×12 m，豎向加固范圍為地面至基坑底以下3.87 m。旋噴樁施工28 d 后，在每個端頭進(jìn)行不少于3 個點(diǎn)（6 組） 的鉆芯取樣，取樣應(yīng)避開隧道范圍內(nèi)。對芯樣進(jìn)行強(qiáng)度檢測，芯樣的采集率應(yīng)大于90%，要求加固土體滲透系數(shù)應(yīng)大于1×10-6cm/s。若達(dá)不到要求，則立即采取補(bǔ)強(qiáng)措施，保證盾構(gòu)始發(fā)的安全。

2） 始發(fā)托架安裝。始發(fā)托架前端與洞門空隙處設(shè)置導(dǎo)臺，以使盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)入土體。導(dǎo)臺分為兩段，始發(fā)托架前端到洞門密封處為第一段，視現(xiàn)場情況優(yōu)先采用混凝土導(dǎo)臺的形式。洞門鋼環(huán)內(nèi)為第二段，采用鋼導(dǎo)軌形式。鋼導(dǎo)軌與始發(fā)托架鋼軌對接，并在底部采取加固支撐措施，洞門鋼環(huán)內(nèi)的導(dǎo)軌范圍為鋼環(huán)底部50°。

3） 盾構(gòu)機(jī)及后配套臺車吊裝下井、調(diào)試。電瓶車用吊車從盾構(gòu)始發(fā)井吊裝下井，并通過施工軌道駛?cè)胧及l(fā)井內(nèi)。后配套臺車用吊車從盾構(gòu)始發(fā)井吊裝下井，并用電瓶車拖入盾構(gòu)始發(fā)井內(nèi)。后配套臺車吊裝完畢即開始盾構(gòu)機(jī)主體的吊裝下井，盾構(gòu)機(jī)以設(shè)備橋、螺旋機(jī)、前盾、中盾、拼裝機(jī)、尾盾刀盤的形式吊裝下井，并進(jìn)行井下組裝。盾構(gòu)機(jī)吊裝下井組裝、調(diào)試時間從始發(fā)前半月進(jìn)行，時間為15～20 d。

4） 反力架安裝定位。反力架的位置根據(jù)洞門寬度和負(fù)環(huán)的環(huán)數(shù)確定，根據(jù)洞門設(shè)計(jì)要求，洞門寬度控制在40～80 cm，始發(fā)洞門取值為50 cm。

5） 洞門封固。盾構(gòu)始發(fā)時嚴(yán)格控制推進(jìn)參數(shù)，選擇合適推力、扭矩及推進(jìn)速度，減少盾構(gòu)通過加固區(qū)時對地層的擾動，在刀盤抵達(dá)掌子面后通過預(yù)留注入孔注入盾尾油脂，填充盾殼與洞門鋼環(huán)之間間隙，從而確保降低盾構(gòu)始發(fā)可能發(fā)生的涌水、涌沙風(fēng)險。

6） 盾構(gòu)洞門鑿除。盾構(gòu)始發(fā)端洞身部分位于土壤（厚度6 m） 中，根據(jù)地層情況，確定水平檢測孔（即洞門探孔） 位置，見圖2。探孔深度定為3 m，探孔采用Φ90 mm 的水鉆將直徑為1 000 mm圍護(hù)樁打透，然后用取芯鉆機(jī)鉆孔。

圖2 洞門探孔位置示意圖

水平探孔按1、2、3、4、5 的順序進(jìn)行鉆孔作業(yè)，若無流水、流砂現(xiàn)象，且水平取芯效果良好，則說明地面加固效果較好；反之，若有流水、流砂現(xiàn)象，則說明加固效果較差，需采取注漿的方式進(jìn)行二次加固。

7） 負(fù)環(huán)管片拼裝。盾構(gòu)始發(fā)時在反力架和零環(huán)管片之間安裝負(fù)環(huán)管片，始發(fā)安裝7 環(huán)負(fù)環(huán)管片（含零環(huán)）。每環(huán)管片分塊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)管片相同，依次安放在始發(fā)托架上，采用管片螺栓錯縫連接，負(fù)一環(huán)拼11 點(diǎn)，不拼裝k塊，作為下漿口，其余全部為閉口環(huán)。負(fù)環(huán)管片采取鋼絲繩、手動葫蘆拉結(jié)和型鋼管加固，每環(huán)管片上拉結(jié)鋼絲繩不少于2 根，掘進(jìn)開始時，實(shí)時關(guān)注盾構(gòu)機(jī)顯示里程與實(shí)際里程的差別，及時調(diào)整。

2.5 盾構(gòu)接收

對盾構(gòu)接收段隧道范圍內(nèi)的所有地下管線、地面建構(gòu)筑物進(jìn)行核查，要求場地內(nèi)無管線。盾構(gòu)接收前一個月取出監(jiān)測點(diǎn)初始值，按監(jiān)測方案布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。在盾構(gòu)接收前200 環(huán)對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢查，對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)。進(jìn)行一次聯(lián)系測量，一旦姿態(tài)有所偏差，在后期掘進(jìn)中有時間對姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保能準(zhǔn)確進(jìn)洞，加大隧道內(nèi)監(jiān)測的頻率，確保掘進(jìn)姿態(tài)與線路中心線吻合。在進(jìn)入加固土體前3 環(huán)時，進(jìn)行環(huán)向的二次注漿，在隧道外形成一個環(huán)箍，防止原狀土層的地下水沿超挖刀的切削位置涌入加固段。為保證施工安全，盾構(gòu)接收前10 d 在盾構(gòu)始發(fā)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)打設(shè)探孔，確認(rèn)盾構(gòu)接收洞門加固抗?jié)B效果，加固效果不理想時進(jìn)行打孔壓漿，密封鉆孔樁與加固體之間有可能存在的縫隙，注漿孔位3 m 一個。進(jìn)洞前15 d 啟動降水井進(jìn)行地面降水，將水位減低至底板下1 m。

在基坑端頭內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工時，預(yù)埋洞門鋼環(huán)板A。在盾構(gòu)接收前安裝橡膠簾布、鋼環(huán)板B，圓環(huán)板加工安裝困難時可分段制作，固定板和圓環(huán)板B焊接一起，先行安裝。銷套和翻板焊接成一體，用銷軸將其和固定板插在一起。

接收托架用于盾構(gòu)機(jī)接收時固定盾構(gòu)機(jī)方位、承載盾構(gòu)機(jī)自重，以及調(diào)整盾構(gòu)機(jī)中心達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。盾構(gòu)吊出底板標(biāo)高，盾心標(biāo)高，盾心至底板面標(biāo)高。均需復(fù)核無誤。

在盾構(gòu)機(jī)順利吊裝后，軌道延伸至盾構(gòu)吊出井口并進(jìn)行加固，確保臺車能通過軌道進(jìn)入盾構(gòu)吊出井吊裝范圍內(nèi)進(jìn)行吊裝。鋪設(shè)選用43 kg/m 鋼軌，軌道中心線與線路中心線重合。

3 結(jié)論

項(xiàng)目采用上述施工關(guān)鍵技術(shù)完成了盾構(gòu)掘進(jìn)施工，通過采用優(yōu)化改造后的刀盤，大大提高了施工效率，并有效節(jié)約了工程建設(shè)成本，共計(jì)節(jié)約工期3 個月，節(jié)約工程建設(shè)成本120 萬元。在施工過程中，通過對臨近地鐵和房屋采取加固措施，并采取了盾構(gòu)機(jī)初始姿態(tài)測量、地表注漿加固、刀盤改造、盾構(gòu)始發(fā)以及盾構(gòu)接收等關(guān)鍵施工技術(shù)，有效降低了安全風(fēng)險，獲得了業(yè)主的認(rèn)可和好評。本文研究內(nèi)容可為類似盾構(gòu)機(jī)工程的施工提供借鑒。