沈阳地铁 1号线东中街站—滂江街站盾构区间下穿 220 k V电力线杆塔施工技术

黄 俊

(沈阳地铁有限公司,沈阳 110011)

沈阳地铁 1号线东中街站—滂江街站盾构区间下穿 220 k V电力线杆塔施工技术

黄 俊

(沈阳地铁有限公司,沈阳 110011)

沈阳地铁 1号线东中街站—滂江街站区间位于沈阳市大东区沈海立交桥南端,区间起讫里程为 DK 18+863.51～DK 20+388.550,左线全长1 526.548m,右线全长1 525.04m,采用盾构法施工。区间左线隧道需要下穿 220 kV热顺甲乙线第 12、13、14号线杆塔,线杆塔为耐张钢管杆,基础为人工挖孔桩基础。主要对该区间盾构下穿高压线杆加固塔施工方案进行介绍。对高压线杆塔进行加固的可行方案有：局部水平冻结方案,浅基础加固方案,桩基础过桥方案,经比选决定采用浅基础加固方案。通过对原线杆塔基础从地表采取加固措施,并从盾构掘进角度采取可靠的施工措施,最终达到了确保电力线路安全运行和地铁隧道安全掘进的目的。

区间隧道;盾构掘进;220 kV高压线杆塔;浅基础加固;施工

1 工程概况

1.1 地铁区间简介

沈阳地铁 1号线东中街站—滂江街站区间(以下简称东—滂区间)位于沈阳市大东区沈海立交桥南端,大致呈东西走向,区间起讫里程为 DK18+863.51～DK20+388.550,左线全长1 526.548m,右线全长1 525.04m,隧道总长为3 051.588m,包括 1座联络通道。区间平面线形由直线和曲线组成,最小曲线半径为 350m,线间距 13m,线路纵向呈“V”形坡,最大纵坡为 25‰。区间最大埋深 23.753m,最小埋深 15.82 m,穿越地层为中粗砂、砾砂、圆砾,颗粒最大粒径约为110mm。地下水类型为第四系孔隙潜水,渗透系数 40～80m/d,稳定水位埋深在 6.2～8.2m。

本区间采用盾构法施工,隧道结构为普通环管片错缝拼装形式,普通环为常用的标准环和左转环、右转环(楔形环),在直线段使用标准环,曲线段采用楔形环。管片外径 6.0m,内径 5.4 m,厚度 0.30m,环宽1.2m,管片连接采用弯螺栓连接。东—滂区间盾构掘进平面示意见图1。

图1 东—滂区间盾构掘进平面示意

1.2 220 kV热顺甲乙线情况简介

沈阳市 220 kV热顺甲乙输电线路于 2000年开工建造,2001年 11月投运一回,2005年 6月双回全部投运。线路全部采用耐张钢管杆,裆距大(间距约 45 m),自重大(杆质量约 40 t),钢管杆基础均采用挖孔桩基础,埋深均在 9m左右。

东滂区间左线隧道需下穿该 220 kV双回电力线路第 12、13、14号线杆塔基础,结合沈阳供电公司施工图纸和地铁隧道线路图,经过现场放线,确定相关线杆塔与区间隧道的位置关系,具体如下：

(1)12号杆塔基础埋深为 8.8m,采用单基础形式,质量约 144 t,杆塔基础侵入左线隧道正上方 2.5 m,此位置隧道覆土为 12.56m,杆塔基础与隧道顶部的距离为 3.8m;

(2)13号杆塔基础埋深为 6.9m,采用双基础形式,质量约 142 t,杆塔基础距离左线隧道边线 0.18m,此位置隧道覆土为 15.22m,杆塔基础与隧道顶部的距离为 8.3m;

(3)14号杆塔的基础埋深为8.8m,采用单基础形式,质量约 360 t,杆塔基础距离左线隧道边线 2.3m,此位置隧道覆土为 17.39m,杆塔基础与隧道顶部的距离为 8.6m。

220 kV热顺甲乙线杆塔与地铁 1号线东—滂区间平、立面位置关系见图2,220kV热顺甲乙线杆塔图片见图3。

2 施工方案研究

2.1 现场实地踏勘

根据地质勘察资料,该段工程地质水文情况如下：地层由上至下依次为杂填土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、圆砾,其中大于 20mm颗粒占总重的 20%～30%,围岩类别为Ⅰ、Ⅱ类,地基土渗透系数 40～80m/d,地下水为第四系孔隙潜水,稳定水位埋深在 6.2～8.2m。

图2 东—滂区间隧道与 220 kV电力线杆塔基础平面、立面位置关系(单位：m)

图3 220 kV热顺甲乙线 12号杆塔图片

2008年 12月 4日上午,地铁建设方组织沈阳市规划设计院、沈阳电力设计院、沈阳供电公司等单位专业人员对现场进行了实地踏勘。220 kV双回高压线路杆塔基础与地铁隧道位置关系见上文所述。根据地铁施工规范,在正常地段区间隧道采用盾构法施工时地面沉降量一般控制在 30mm以内,隆起量控制在 10 mm以内,但盾构下穿 220 kV双回高压线杆塔基础,沉降量的控制要求必然会更加严格。通过与供电部门技术人员沟通,因该供电线路杆塔为耐张转角钢管杆,裆距大,自重大,采用独立挖孔桩基础,受力比较复杂,基础沉降控制相当困难。若隧道施工过程中出现过大变形,可能造成基础断桩、杆塔倾覆等事故;另外,由于杆塔基础距离隧道顶部较近,且基础质量较大,可能引起围岩失稳、塌方等事故。因此在盾构掘进前,必须采取可靠措施保证高压供电线路和地铁隧道施工同时满足安全要求。

经现场踏勘,电力杆北侧已经紧临居民楼或机动车道,因此不具备北侧立杆条件。区间隧道南侧为沈阳中捷友谊厂搬迁后已处于开发状态的“龙之梦”地产项目,基坑已经开挖完成,正在进行 ±0以下工程施工,该开发项目北侧红线与地铁右线隧道外边线仅隔3m。若电力杆南移,则势必侵入开发用地红线,因涉及商业利益,协调难度极大。经研究,推荐办法仍是研究对既有线杆塔进行加固。

2.2 加固方案比选

在确定对既有线杆塔进行加固为最可行方案后,地铁建设方即着手该加固方案的委托设计工作。因盾构下穿 220 kV双回电力线路在国内尚无实施先例,该加固方案无类似成功经验可以借鉴,沈阳市电力设计院和辽宁省电力设计院均表示未做过类似电力线路加固工程设计。后经地铁公司总经理办公会研究,最终委托东北电力设计院进行该加固工程方案设计工作。

在地铁隧道和供电线路均不具备改线、同时保证线路杆塔安全运行的情况下,设计部门依据架空送电线路基础和杆塔结构设计技术规定、混凝土结构加固设计规范、混凝土结构设计规范、原钢管杆及其基础设计图纸、沈阳供电公司送电工区相关要求等相关资料,共提出 3个比选方案。

(1)局部水平冻结方案

在隧道开挖前,先将隧道周围某一范围的土体进行冻结,电线杆塔荷载通过冻结的拱桥传递到隧道两侧的土体。待隧道开挖并安全支护后,再解冻隧道周围冻结土体。

冻结费用估算：总延米(20+20+10)m×20万/m=1 000万元 。

此方案优点：冻结工程在地下进行,不影响地面人群的正常生活,施工过程易于控制。

此方案缺点：冻结费用较高,并且隧道壁仍受到杆塔基础的集中荷载作用,须加强隧道壁的支护,增加隧道支护费用。

(2)浅基础加固方案

在原线杆塔桩基础上增设新的地表浅基础,通过调整基础底面积,使地基压力在地层中的影响深度不及隧道开挖影响范围。首先完成新增浅基础加固施工,通过力学转换,分散原有桩基础受力,使桩基础的承载方式转变为地表浅基础承载。

浅基础置换费用估算：3个 ×140万元/个 =420万元。

此方案优点：浅基础加固工程在地表进行,费用较低。

此方案缺点：影响地面人群的正常生活,须对杆塔进行临时加固,施工工序较多,受场地条件限制较多,浅部地层工程地质条件较差时,往往需要进行注浆加固地基。

(3)桩基础过桥方案

在隧道两侧增加桩基础,通过梁将新增加的桩基础相连接,并使杆塔荷载传递到该梁上。

桩基础过桥费用估算：3个 ×200万元/个 =600万元。

此方案优点：易于施工,费用适中。

此方案缺点：影响地面人群的正常生活,须对杆塔进行临时加固,施工工序较多,受场地条件限制较多,且对盾构机后续掘进产生一定影响。

3 施工方案确定及实施介绍

对上述 3个方案进行比较,可以发现第二方案还具备实施难度较低、工期较短的优点。经过对现场条件实地研究,最终选择第二方案作为最终实施方案,即对高压线杆塔桩基础实施新增浅基础加固。

3.1 方案指导思想

为减小地铁盾构掘进对线路杆塔地基的扰动,在原基础承台的下部增加承载筏板,以承受电力导线、钢管杆及其基础的重力等竖向荷载,增大承担杆塔荷载的地基土的范围,进而减小地铁隧道在开挖过程中钢管杆原桩基础传递到地基上的荷载。此外,还设置临时拉线,以承受线路杆塔的水平荷载。通过增加筏板和设置临时拉线这两种受力措施,来保证在地铁隧道开挖过程中输电线的安全。钢管杆的原基础、新加基础及加固完成后基础示意见图4。

图4 钢管杆基础加固示意

3.2 主要施工步骤

(1)基坑开挖前,先对既有线杆塔进行可调拉线加固,见图5、图6。

图5 拉线加固线杆塔示意(单位：m)

(2)在完成拉线加固措施后,按设计方案进行地表浅基础加固施工。

图6 拉线基础示意(单位：m)

首先对距离地面 2.5 m以下(新基础下)的杂填土进行注浆处理,所处理地基土的平面范围须大于8.5m×8.5m。处理后杂填土层的承载力特征值须大于 160kPa,采用静载试验检验。

然后施作新增基础,新增基础采用阶形基础,总高度1 300mm,采用 C40钢筋混凝土,底板布置 φ25mm受拉钢筋,原基础承台侧面径向植 φ20mm钢筋,承台周围布置环向 φ20mm钢筋。特别要求新施作基础混凝土达到设计强度后方可进行隧道掘进。另外,在开挖基坑过程中要根据土体稳定情况采取边坡支护措施,同时须严格遵守高空和带电作业安全规定。

第 12、13、14号线杆塔基础加固分别见图7、图8、图9。

图7 12号线杆塔基础加固示意(单位：m)

图8 13号线杆塔基础加固示意(单位：m)

图9 14号线杆塔基础加固示意(单位：m)

该线杆塔加固工程通过公开招标选取有相应资质的专业单位负责实施,施工单位于 2009年 2月 9日开始加固,至 2009年 3月 1日完成 12、13号线杆塔基础加固,3月 28日完成 14号线杆塔基础加固工作。

3.3 施工工艺要求

(1)临时拉线：每根线杆塔布置 4道临时拉线,在水平投影上每道拉索与横担的夹角宜为 45°;每根拉索的上端通过环箍连接在钢管杆上,另一端锚固在地基土中;拉索直径大于30mm,与地面夹角宜小于 60°;临时拉线的初应力 100MPa。

(2)植筋工程：植筋胶的选择和植筋工艺等须按照《混凝土结构加固设计规范》(GB50367—2006)和《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ145—2004)等相关规范执行,植筋完成后抽捡所植钢筋的承载性能,不允许植筋胶层出现破坏。

植筋的工艺流程：弹线定位→钻孔→洗孔→注胶→植筋→固化养护。植筋剖面大样见图10。

图10 植筋剖面大样(单位：mm)

4 盾构施工保证措施

为了确保工程安全万无一失,地铁建设方提出采取“双保险”方案,即除了从地表研究对电力线杆塔基础进行加固外,要求盾构施工单位从盾构掘进角度采取最可靠的施工措施,确保电力线路运行和盾构掘进施工均能确保安全。

4.1 盾构机选型确认

因该盾构穿越地层主要为砾砂、圆砾和中粗砂,且地下水富集,因此盾构机选型时,必须对刀盘形式、刀具形状及耐磨性、加泥系统、螺旋输送机等方面进行认真研究,保证所选机型能在地层中顺利施工。本区间选用日本川崎重工生产的 φ6.24m复合式土压平衡盾构机,刀盘为辐条式,开口率为 60%,通过右线隧道(全长1 525.04m)的成功掘进,中途未更换刀具,系统运行顺畅,证明该盾构机选型基本是合理的。因左线隧道掘进需要下穿 220 kV电力线杆塔基础,在左线隧道正式掘进前,地铁建设方要求盾构施工单位对盾构机做一次全面检测评估,并备好易损易耗件,确保盾构机能以最好的性能状态下穿高压电力线杆塔基础。

4.2 盾构机维修加固

该盾构机刀盘为辐条式,开口率为 60%,且刀具都镶有硬质合金刀头,刀具密度较高,具有高强度、超耐磨的特点。为了进一步保证施工安全与施工质量,在刀盘圆周、刀盘辅条、刀具支座、土仓内侧和螺旋机叶片上增加堆焊网状硬质合金耐磨层。通过对右线隧道全断面砂砾地层1 525.04m隧道掘进后观察,刀盘刀具及螺旋机等重点位置存在一定程度的磨损。为了保证左线隧道施工顺利进行,更是为了保证盾构机在下穿高压线杆塔过程中不出现意外事故,须对刀盘刀具及螺旋机等部位进行维修加固。主要措施如下。

(1)刀盘修补：对磨损量大于 10 mm的平面刮刀和贝壳刀进行全部更换;对刀盘周边先行刀全部更换;中心刀全部更换;并对刀盘相关部位加焊硬质合金耐磨网格。

(2)螺旋机维修：对叶片磨损部位进行堆补焊,加焊硬质合金耐磨网格;更换大功率液压马达。

4.3 合理确定盾构掘进参数

根据右线隧道掘进经验,合理确定左线盾构掘进参数,严格控制地表沉降：掘进速度控制在 40～45 mm/min,土压 120～150 kPa,采用膨润土泥浆作为改良土体添加剂来保护刀盘,加泥量控制在 6～8m3/环,刀盘扭距保持在2000 kN◦m。在合理的平衡压力及掘进速度等参数情况下,正常施工段每环管片同步注入 4.5～5.5m3浆液来控制盾尾地面沉降。

从已经贯通的右线隧道实施效果看,该掘进参数对地面沉降控制比较有效。

5 施工监测

盾构机掘进在线杆塔新增基础混凝土达到设计强度后进行,其中第 12号线杆塔对应的左线隧道穿越区管片环编号为“左第 136环 ～145环”,盾构机穿越该杆塔时间为 2009年 3月 9日 ～11日;第 13号线杆塔对应的左线隧道穿越区管片环编号为“左第 251环 ～263环”,盾构机穿越该杆塔时间为 2009年 3月 27日～29日;第 14号线杆塔对应的左线隧道穿越区管片环编号为“左第 377环 ～390环”,盾构机穿越该杆塔时间为 2009年 4月 11日 ～13日。

为说明线杆塔基础沉降情况,现摘取第 12、13、14号线杆塔基础部分沉降监测数据,见表1～表3。

通过监测数据显示：12号线杆塔基础因和左线隧道重叠较多,且基础与隧道顶距离较近,盾构机推进过程中对其影响相对较大,3月 12日后沉降数据趋于稳定;13、14号线杆塔基础沉降则相对较小。在盾构机顺利穿过杆塔基础并实施同步填充注浆后,地面沉降立即趋缓。

可以看出,通过对原线杆塔基础从地表采取加固措施,并从盾构掘进角度采取最可靠的施工措施,最终达到了确保电力线路安全运行和地铁隧道安全掘进的目的。

表1 12号线杆塔基础沉降监测数据 mm

表2 13号线杆塔基础沉降监测数据 mm

表3 14号线杆塔基础沉降监测数据 mm

6 结语

因地铁盾构从 220 kV高压线杆塔基础下方穿过尚无先例,地铁相关参建单位均无类似工程经验。因此,为了确保本工程安全实施,工程参建各方均本着“安全第一、预防为主”的原则,认真落实工程措施,精心组织,科学施工,确保盾构掘进过程中,不仅要保证隧道施工安全,更要保证 220 kV电力线杆塔安全运行。

(1)地铁建设方高度重视工程安全隐患,加大地铁建设投入,积极组织协调各方关系,坚持不懈,多次召开专题会议,研究对电力线杆塔的加固事宜,对本工程的成功实施起到了极为关键的核心作用。

(2)线杆塔基础加固方案设计单位在具体方案设计过程中与中国电力科学研究院共同合作,在方案设计过程中多次现场调查,确保设计方案更加科学可实施。

(3)在线杆塔基础加固方案实施过程中,选择专业施工队伍进行加固工程施工,同时制定应急预案,加强线杆塔基础沉降监测,确保加固工程安全顺利实施。工程施工过程中请电网运营单位进行监督,确保输电线路安全运行。

(4)盾构施工单位组织国内知名专家对盾构机穿越线杆塔专项方案进行论证,并进行详细的技术交底和施工部署,对盾构机机况进行全面检测,确保机器设备以最佳状态下穿电力线杆塔。在盾构机掘进过程中,严格控制掘进参数,做好掘进过程中同步注浆和二次补充注浆,减少盾尾通过后隧道外周围形成的空隙,严格控制地表沉降。

经过各方共同努力,盾构机终于在 2009年 4月12日安全顺利下穿 3座电力线杆塔。

[1]东北电力设计院.沈阳热顺线钢管杆基础加固工程施工图设计[Z].沈阳 ：2009.

[2]上海铁路城市轨道交通设计研究院.沈阳市地铁 1号线一期工程小什字街站—滂江街站区间施工图设计[Z].上海：2007.

[3]天津城建隧道股份有限公司.沈阳地铁全断面砂砾地层中盾构法施工技术研究技术资料[Z].天津：2009.

[4]铁道第三勘察设计院.沈阳市地铁 1号线工程总体设计(鉴后修改)[Z].天津：2004.

[5]中国电力科学研究院.沈阳 220 kV热顺甲乙线钢管杆基础加固方案及设计咨询意见书[Z].北京：2009.

[6]GB50299—1999(2003年版),地下铁道工程施工及验收规范[S].

[7]周秀普.盾构法施工技术在无水砂卵石地层中的应用[J].市政技术,2003(4).

[8]高毓才,彭泽瑞,郭建国.建设中的北京地铁—地铁“复—八”线[M].北京：中国铁道出版社,1999.

U 455.43

B

1004-2954(2010)11-0084-05

2010-06-30

黄 俊(1976—),男,高级工程师,1998年毕业于西南交通大学土木工程学院,工学学士,E-mail：hjzzyxl@163.com。