电力隧道下穿地铁运营区间的研究

文/李 春

1.工程概况

220千伏磨碟洲-柳园电力隧道位于海珠区双塔路、艺景路、广州大道南，是连接220千伏磨碟洲变电站与220千伏柳园变电站的重要电力走廊，是保障琶洲西区电力供应的重要通道。隧道全长约4.7公里，共设置8个工作井，隧道施工以盾构工法为主，线路三次上跨运营地铁3号线，一次下穿运营地铁8号线（见图一）。

图1 磨碟洲～柳园电力隧道线路示意图

2.地质情况

隧道所处区域位于珠江三角洲冲积平原区的中部区域，处于冲积平原向丘陵区的过渡地带。区域微地貌以冲积平原为主，局部为剥蚀残丘。受人为工业活动影响，原始地貌经过强烈的破坏。总体上双塔路～艺景路区段地势较为平坦，高差较小，广州大道南周边区段地势较高。区域内工商业繁荣，交通繁忙，陆路交通方便但较拥堵。区域内的不良地质作用主要有砂土液化、软土震陷。地层由上至下主要有：杂填土层、粉质粘土层、淤泥层、粉细砂层、粉质粘土层、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩、微风化粉砂岩。

电力隧道下穿地铁8号线位置，地铁盾构区间主要位于全风化粉砂岩、强风化粉砂岩，电力隧道位于中风化粉砂岩。

3.电力隧道与地铁相互关系

广州地铁8号线鹭江～客村段属于原广州地铁2号线，2010年拆分改为地铁8号线。该段地铁线路开通于2005年，区间采用6m盾构，上部覆土仅有约6m，属于浅埋线路。由于地铁占用了浅层地下空间，导致后续建设的电力隧道无法从地铁上部通过，因此220千伏磨碟洲-柳园电力隧道在客村立交位置采用垂直下穿运营地铁8号线，电力隧道采用外径4.1m圆形盾构。

为减小电力隧道施工对地铁运营的影响，电力隧道与地铁区间竖向净距采用1倍隧道净距处理，两者净距为4m。

根据《城市轨道交通既有结构保护技术规范》（DBJ/T15-120-2017），从接近程度判断，电力隧道与地铁结构的相对净距4.01m≤1D（D为盾构法的隧道外径，圆形顶管法的隧道外径），属于“非常接近”；从外部作业的工程影响分区判断，电力隧道位于地铁八号线下方0.7h范围内（h为矿山法和盾构法外部作业的隧道底板深度），属于“强烈影响区（A）”，故判定磨碟洲～柳园电力隧道项目对地铁隧道结构的影响等级属于“特级”[1]（见图二）。

综合紧邻地铁八号线盾构隧道的结构特点，结合磨碟洲～柳园电力隧道项目的设计和施工特点，认为：磨碟洲～柳园电力隧道建设对地铁盾构隧道造成的不利影响，主要体现在：（1）在地铁结构上方穿越、侧上方开挖卸荷对地铁盾构隧道的影响；（2）在地铁结构下方穿越对地铁盾构隧道的影响。

4.电力隧道下穿地铁影响分析

电力隧道盾构段施工将可能对地铁盾构隧道结构造成不利影响。为此，结合地铁盾构隧道结构特点和电力隧道盾构段结构设计及施工特点，采用三维有限元软件Midas GTS，模拟电力隧道盾构段施工对地铁盾构隧道结构产生的不利影响，重点分析地铁盾构隧道结构的变形情况，进而判断电力隧道盾构段施工对地铁盾构隧道可能产生的不利影响。

电力隧道盾构段施工时，地铁隧道周边地层的力学性质对地铁隧道的受力和变形起到关键约束作用，为此，进行三维模拟分析计算时充分考虑本项目的地层分布特点并合理选取计算参数。模型中的地层主要根据紧邻地铁盾构隧道结构附近的工程地质资料进行适当简化，地层自上往下依次为人工填土、粉土、强风化细砂岩、中风化细砂岩和微风化细砂岩。各地层的计算参数取值主要依据工程经验和工程地质勘察报告综合分析确定，地铁盾构隧道以及电力隧道盾构段结构体系的力学计算参数经综合考虑相关因素后确定。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部Z方向位移约束，模型前后面Y方向约束，模型左右面X方向约束。

图2 磨碟洲～柳园电力隧道与地铁8号线位置关系示意图

电力隧道盾构段施工对紧邻地铁隧道影响的三维动态施工模拟的主要流程为：场地初始应力分析；施工地铁三号线盾构隧道结构；盾构掘进至地铁3倍洞径的影响范围；盾构向前掘进58m、以后每次向前掘进6m，直至离开地铁3倍洞径的影响范围外，分析过程共掘进15次。模拟主要分析盾构掘进过程中掌子面压力和注浆作用对地铁隧道结构的影响。

为了模拟土体损失与注浆，在衬砌外部加一个等代层，采用壳单元来模拟，等代层的弹性模量根据水泥土的压缩模量来选择，分析中不考虑浆体硬化过程，认为注浆完成后浆体立即硬化为强度很大的固体，结合相关工程中同步注浆浆液弹性模量的实测值，将等代层的弹性模量取为10GPa。在进行数值模拟过程中，考虑到盾构开挖和注浆对土体的扰动引起土体的刚度变化，将等代层取为20cm。

图3 地铁八号线盾构隧道结构的位移汇总

图4 地铁隧道沿线水平侧向位移和竖向位移曲线

磨碟洲～柳园电力隧道盾构段施工过程对紧邻地铁盾构隧道影响的三维模拟分析结果表明：磨碟洲～柳园电力隧道施工诱发地铁盾构隧道结构的最大水平位移为0.9mm，最大竖向位移为-2.1mm，最大总位移为2.1mm（见图3、图4）。

5.电力隧道下穿地铁保护措施

根据计算分析，电力隧道下穿地铁建设不危及地铁盾构隧道的结构安全，不影响地铁的正常运营。为在实际施工过程中保证地铁运营安全，尚需采取以下措施。

（1）自动化监测

监测数据能及时并准确地反映电力隧道施工对地铁影响，为不影响既有地铁的运营，一般要求采用自动化监测。自动化监测需准确获得初设值，电力隧道距离监测断面50m时，应开始自动化监测。当电力隧道开挖面距离监测断面超过50m且监测数据趋于稳定时，自动化监测可以结束。

自动化监测点布置应能反映既有线路两根钢轨的沉降差，和既有车站和区间的整体沉降及倾斜。监测横断面间距一般为5m，影响较小的地段可放宽至10m。测站的布置应能满足可视要求。自动化监测一般情况1次/4小时，在电力隧道小于一倍洞径通过期间或出现变形征兆时进行连续监测（1次/2小时）。

变形控制标准应根据运营安全的要求确定，一般情况下，车站和隧道绝对沉降量和水平位移量限值：+20mm；运营线路轨道静态尺寸容许偏差值：两轨道轨距变形及横向高差小于（4mm/10m）。警戒值可取限制的80%。

（2）盾构施工保护措施

在前期施工掘进中，不断优化调整盾构推进参数，确保以最好的盾构参数通过地铁运营区间。施工过程中保持盾构开挖面的稳定，严格控制出土量，通过设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，以求得舱压力与地层压力的平衡，不得超挖或欠挖。出土量一般控制在理论出土量的98%～100%。

加强同步注浆与二次注浆。在盾构掘进中，尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件，确定浆液配比，注浆压力及注浆量。采用二次（或多次）压浆弥补同步注浆不足，减少盾构施工对周边地表沉降的影响。

根据自动化监测成果，及时反馈信息，做到信息化施工。

（3）设计补强措施

针对盾构通过后的工后沉降问题，除严格执行二次壁后注浆外，还考虑了补偿注浆。补偿注浆分为内部与外部两个方面。内部主要通过盾构管片预留注浆孔，待盾构二次壁后注浆固结后对管片外地层再一次进行补偿注浆。外部主要通过在地面设置跟踪注浆孔，根据实际监测情况进行地面注浆。通过内外部注浆结合，确保地铁隧道的运营安全。

（4）编制应急预案

为确保工程安全，施工前应编制专项应急预案。应急预案应做到贴合实际、有针对性、有实施性，不能流于形式。内容上不但要包括应急措施，还要包括预防报警、组织体系、响应机制和保障手段等。

6.结论及建议

根据磨碟洲～柳园电力隧道项目场地工程地质资料，结合电力隧道结构设计、施工特点，以及地铁八号线盾构隧道结构特点，通过三维数值模拟计算分析，同时借鉴国内类似隧道建设对地铁盾构隧道影响的案例调研，可以认为220kV磨碟洲～柳园电力隧道下穿既有地铁运营线路安全可控，项目建设不危及地铁盾构隧道的结构安全，不影响地铁的正常运营。

结合本项目的开展，有以下几点建议：

（1）规划先行、统筹考虑

地下空间是稀缺宝贵资源，需容纳市政管线、地下交通、地下商业、公共空间等设施。由于其开发的不可逆性，在规划阶段就应该对区域地下空间进行综合规划考虑。现有的地下空间规划往往是各自为政，地铁、城际、综合管廊、电力隧道等由于权属单位不同，其规划也只停留于各自权属层面，缺乏整个城市层面的统筹规划。这往往导致先行者不顾后来者需求，导致后续地下空间开发矛盾重重。建议从政府层面对地下空间做深化统筹规划，预留好后续地下空间实施条件。

（2）提前对接、预留条件

在统筹规划的前提下，针对工程交叉节点采取提前对接，预留穿越条件。本工程与规划地铁19号、28号线均有交叉，在工程实施时采取提前与地铁对接，在交叉穿越位置进行地层加固和结构加强等处理措施，减小了后续工程的实施难度。

（3）保证安全、经济合理

安全是工程实施的前提，尤其是地下穿越工程更是安全管控的重点。为达到安全这一目标，目前存在人为拔高控制参数、安全保护措施一窝蜂上的情况，造成了一些不必要的浪费。建议实事求是，根据工程实际情况，制定切实可行经济合理的方案。