沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站盾構區間下穿 220 k V電力線桿塔施工技術

黃 俊

(沈陽地鐵有限公司,沈陽 110011)

沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站盾構區間下穿 220 k V電力線桿塔施工技術

黃 俊

(沈陽地鐵有限公司,沈陽 110011)

沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站區間位于沈陽市大東區沈海立交橋南端,區間起訖里程為 DK 18+863.51～DK 20+388.550,左線全長1 526.548m,右線全長1 525.04m,采用盾構法施工。區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,基礎為人工挖孔樁基礎。主要對該區間盾構下穿高壓線桿加固塔施工方案進行介紹。對高壓線桿塔進行加固的可行方案有：局部水平凍結方案,淺基礎加固方案,樁基礎過橋方案,經比選決定采用淺基礎加固方案。通過對原線桿塔基礎從地表采取加固措施,并從盾構掘進角度采取可靠的施工措施,最終達到了確保電力線路安全運行和地鐵隧道安全掘進的目的。

區間隧道;盾構掘進;220 kV高壓線桿塔;淺基礎加固;施工

1 工程概況

1.1 地鐵區間簡介

沈陽地鐵 1號線東中街站—滂江街站區間(以下簡稱東—滂區間)位于沈陽市大東區沈海立交橋南端,大致呈東西走向,區間起訖里程為 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座聯絡通道。區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 40～80m/d,穩定水位埋深在 6.2～8.2m。

本區間采用盾構法施工,隧道結構為普通環管片錯縫拼裝形式,普通環為常用的標準環和左轉環、右轉環(楔形環),在直線段使用標準環,曲線段采用楔形環。管片外徑 6.0m,內徑 5.4 m,厚度 0.30m,環寬1.2m,管片連接采用彎螺栓連接。東—滂區間盾構掘進平面示意見圖1。

圖1 東—滂區間盾構掘進平面示意

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(桿質量約 40 t),鋼管桿基礎均采用挖孔樁基礎,埋深均在 9m左右。

東滂區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,結合沈陽供電公司施工圖紙和地鐵隧道線路圖,經過現場放線,確定相關線桿塔與區間隧道的位置關系,具體如下：

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

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

(3)14號桿塔的基礎埋深為8.8m,采用單基礎形式,質量約 360 t,桿塔基礎距離左線隧道邊線 2.3m,此位置隧道覆土為 17.39m,桿塔基礎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—滂區間平、立面位置關系見圖2,220kV熱順甲乙線桿塔圖片見圖3。

2 施工方案研究

2.1 現場實地踏勘

根據地質勘察資料,該段工程地質水文情況如下：地層由上至下依次為雜填土、粉質黏土、粉細砂、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 40～80m/d,地下水為第四系孔隙潛水,穩定水位埋深在 6.2～8.2m。

圖2 東—滂區間隧道與 220 kV電力線桿塔基礎平面、立面位置關系(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,地鐵建設方組織沈陽市規劃設計院、沈陽電力設計院、沈陽供電公司等單位專業人員對現場進行了實地踏勘。220 kV雙回高壓線路桿塔基礎與地鐵隧道位置關系見上文所述。根據地鐵施工規范,在正常地段區間隧道采用盾構法施工時地面沉降量一般控制在 30mm以內,隆起量控制在 10 mm以內,但盾構下穿 220 kV雙回高壓線桿塔基礎,沉降量的控制要求必然會更加嚴格。通過與供電部門技術人員溝通,因該供電線路桿塔為耐張轉角鋼管桿,襠距大,自重大,采用獨立挖孔樁基礎,受力比較復雜,基礎沉降控制相當困難。若隧道施工過程中出現過大變形,可能造成基礎斷樁、桿塔傾覆等事故;另外,由于桿塔基礎距離隧道頂部較近,且基礎質量較大,可能引起圍巖失穩、塌方等事故。因此在盾構掘進前,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。

經現場踏勘,電力桿北側已經緊臨居民樓或機動車道,因此不具備北側立桿條件。區間隧道南側為沈陽中捷友誼廠搬遷后已處于開發狀態的“龍之夢”地產項目,基坑已經開挖完成,正在進行 ±0以下工程施工,該開發項目北側紅線與地鐵右線隧道外邊線僅隔3m。若電力桿南移,則勢必侵入開發用地紅線,因涉及商業利益,協調難度極大。經研究,推薦辦法仍是研究對既有線桿塔進行加固。

2.2 加固方案比選

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

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,設計部門依據架空送電線路基礎和桿塔結構設計技術規定、混凝土結構加固設計規范、混凝土結構設計規范、原鋼管桿及其基礎設計圖紙、沈陽供電公司送電工區相關要求等相關資料,共提出 3個比選方案。

(1)局部水平凍結方案

在隧道開挖前,先將隧道周圍某一范圍的土體進行凍結,電線桿塔荷載通過凍結的拱橋傳遞到隧道兩側的土體。待隧道開挖并安全支護后,再解凍隧道周圍凍結土體。

凍結費用估算：總延米(20+20+10)m×20萬/m=1 000萬元 。

此方案優點：凍結工程在地下進行,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：凍結費用較高,并且隧道壁仍受到桿塔基礎的集中荷載作用,須加強隧道壁的支護,增加隧道支護費用。

(2)淺基礎加固方案

在原線桿塔樁基礎上增設新的地表淺基礎,通過調整基礎底面積,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加固施工,通過力學轉換,分散原有樁基礎受力,使樁基礎的承載方式轉變為地表淺基礎承載。

淺基礎置換費用估算：3個 ×140萬元/個 =420萬元。

此方案優點：淺基礎加固工程在地表進行,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,淺部地層工程地質條件較差時,往往需要進行注漿加固地基。

(3)樁基礎過橋方案

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

樁基礎過橋費用估算：3個 ×200萬元/個 =600萬元。

此方案優點：易于施工,費用適中。

此方案缺點：影響地面人群的正常生活,須對桿塔進行臨時加固,施工工序較多,受場地條件限制較多,且對盾構機后續掘進產生一定影響。

3 施工方案確定及實施介紹

對上述 3個方案進行比較,可以發現第二方案還具備實施難度較低、工期較短的優點。經過對現場條件實地研究,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實施新增淺基礎加固。

3.1 方案指導思想

為減小地鐵盾構掘進對線路桿塔地基的擾動,在原基礎承臺的下部增加承載筏板,以承受電力導線、鋼管桿及其基礎的重力等豎向荷載,增大承擔桿塔荷載的地基土的范圍,進而減小地鐵隧道在開挖過程中鋼管桿原樁基礎傳遞到地基上的荷載。此外,還設置臨時拉線,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、新加基礎及加固完成后基礎示意見圖4。

圖4 鋼管桿基礎加固示意

3.2 主要施工步驟

(1)基坑開挖前,先對既有線桿塔進行可調拉線加固,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,按設計方案進行地表淺基礎加固施工。

圖6 拉線基礎示意(單位：m)

首先對距離地面 2.5 m以下(新基礎下)的雜填土進行注漿處理,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,新增基礎采用階形基礎,總高度1 300mm,采用 C40鋼筋混凝土,底板布置 φ25mm受拉鋼筋,原基礎承臺側面徑向植 φ20mm鋼筋,承臺周圍布置環向 φ20mm鋼筋。特別要求新施作基礎混凝土達到設計強度后方可進行隧道掘進。另外,在開挖基坑過程中要根據土體穩定情況采取邊坡支護措施,同時須嚴格遵守高空和帶電作業安全規定。

第 12、13、14號線桿塔基礎加固分別見圖7、圖8、圖9。

圖7 12號線桿塔基礎加固示意(單位：m)

圖8 13號線桿塔基礎加固示意(單位：m)

圖9 14號線桿塔基礎加固示意(單位：m)

該線桿塔加固工程通過公開招標選取有相應資質的專業單位負責實施,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號線桿塔基礎加固,3月 28日完成 14號線桿塔基礎加固工作。

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的夾角宜為 45°;每根拉索的上端通過環箍連接在鋼管桿上,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《混凝土結構加固設計規范》(GB50367—2006)和《混凝土結構后錨固技術規程》(JGJ145—2004)等相關規范執行,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破壞。

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

圖10 植筋剖面大樣(單位：mm)

4 盾構施工保證措施

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

4.1 盾構機選型確認

因該盾構穿越地層主要為礫砂、圓礫和中粗砂,且地下水富集,因此盾構機選型時,必須對刀盤形式、刀具形狀及耐磨性、加泥系統、螺旋輸送機等方面進行認真研究,保證所選機型能在地層中順利施工。本區間選用日本川崎重工生產的 φ6.24m復合式土壓平衡盾構機,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,中途未更換刀具,系統運行順暢,證明該盾構機選型基本是合理的。因左線隧道掘進需要下穿 220 kV電力線桿塔基礎,在左線隧道正式掘進前,地鐵建設方要求盾構施工單位對盾構機做一次全面檢測評估,并備好易損易耗件,確保盾構機能以最好的性能狀態下穿高壓電力線桿塔基礎。

4.2 盾構機維修加固

該盾構機刀盤為輻條式,開口率為 60%,且刀具都鑲有硬質合金刀頭,刀具密度較高,具有高強度、超耐磨的特點。為了進一步保證施工安全與施工質量,在刀盤圓周、刀盤輔條、刀具支座、土倉內側和螺旋機葉片上增加堆焊網狀硬質合金耐磨層。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行,更是為了保證盾構機在下穿高壓線桿塔過程中不出現意外事故,須對刀盤刀具及螺旋機等部位進行維修加固。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;并對刀盤相關部位加焊硬質合金耐磨網格。

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

4.3 合理確定盾構掘進參數

根據右線隧道掘進經驗,合理確定左線盾構掘進參數,嚴格控制地表沉降：掘進速度控制在 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刀盤,加泥量控制在 6～8m3/環,刀盤扭距保持在2000 kN?m。在合理的平衡壓力及掘進速度等參數情況下,正常施工段每環管片同步注入 4.5～5.5m3漿液來控制盾尾地面沉降。

從已經貫通的右線隧道實施效果看,該掘進參數對地面沉降控制比較有效。

5 施工監測

盾構機掘進在線桿塔新增基礎混凝土達到設計強度后進行,其中第 12號線桿塔對應的左線隧道穿越區管片環編號為“左第 136環 ～145環”,盾構機穿越該桿塔時間為 2009年 3月 9日 ～11日;第 13號線桿塔對應的左線隧道穿越區管片環編號為“左第 251環 ～263環”,盾構機穿越該桿塔時間為 2009年 3月 27日～29日;第 14號線桿塔對應的左線隧道穿越區管片環編號為“左第 377環 ～390環”,盾構機穿越該桿塔時間為 2009年 4月 11日 ～13日。

為說明線桿塔基礎沉降情況,現摘取第 12、13、14號線桿塔基礎部分沉降監測數據,見表1～表3。

通過監測數據顯示：12號線桿塔基礎因和左線隧道重疊較多,且基礎與隧道頂距離較近,盾構機推進過程中對其影響相對較大,3月 12日后沉降數據趨于穩定;13、14號線桿塔基礎沉降則相對較小。在盾構機順利穿過桿塔基礎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從地表采取加固措施,并從盾構掘進角度采取最可靠的施工措施,最終達到了確保電力線路安全運行和地鐵隧道安全掘進的目的。

表1 12號線桿塔基礎沉降監測數據 mm

表2 13號線桿塔基礎沉降監測數據 mm

表3 14號線桿塔基礎沉降監測數據 mm

6 結語

因地鐵盾構從 220 kV高壓線桿塔基礎下方穿過尚無先例,地鐵相關參建單位均無類似工程經驗。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、預防為主”的原則,認真落實工程措施,精心組織,科學施工,確保盾構掘進過程中,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)地鐵建設方高度重視工程安全隱患,加大地鐵建設投入,積極組織協調各方關系,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鍵的核心作用。

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

(3)在線桿塔基礎加固方案實施過程中,選擇專業施工隊伍進行加固工程施工,同時制定應急預案,加強線桿塔基礎沉降監測,確保加固工程安全順利實施。工程施工過程中請電網運營單位進行監督,確保輸電線路安全運行。

(4)盾構施工單位組織國內知名專家對盾構機穿越線桿塔專項方案進行論證,并進行詳細的技術交底和施工部署,對盾構機機況進行全面檢測,確保機器設備以最佳狀態下穿電力線桿塔。在盾構機掘進過程中,嚴格控制掘進參數,做好掘進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,嚴格控制地表沉降。

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

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U 455.43

B

1004-2954(2010)11-0084-05

2010-06-30

黃 俊(1976—),男,高級工程師,1998年畢業于西南交通大學土木工程學院,工學學士,E-mail：hjzzyxl@163.com。