电缆隧道穿越珠江重要风险分析及对策研究

李嘉业，杨振中

（广州市电力工程设计院有限公司 广州 510031）

0 引言

架空线路由于其建设成本低、维护方便，一直是我国电缆、电线主要架设方式。但党的十八大以来，习近平总书记多次提到“追求美好生活，是永恒的主题”。架空线路不仅影响市容市貌，同样也存在触电、信息安全等较大的安全问题，亟需改造。缆线入地不但适应城市的发展需求，还可提升城市面貌［1］，从经济性、合理性、发展性来看，都是解决这一问题的最佳方案，并且已在国内外多地取得成功经验。广州作为一线城市，缆线入地势在必行。然而广州水系发达，电缆隧道穿越珠江在所难免。

1 风险源分析及对策研究

2002 年，谢保锋等人［2］在广州地铁二号线海珠广场站至江南西站区间隧道工程中首次采用盾构穿越珠江，对地下水、滚刀适应性等问题进行了研究。陈刚［3］对复杂条件下盾构下穿珠江前航道施工过程控制措施进行了研究。谭智文等人［4］对土压盾构下穿珠江施工技术研究。刘益平等人［5］对南京地区电缆隧道工程重要地质风险分析及对策进行了研究。通过以上研究，结合电缆隧道穿越珠江的技术要求，采用盾构法穿越珠江是较为稳妥的选项。

另外，张恒源等人［6］过江隧道建设全过程管理中BIM 技术的运用对工程管理带来的技术价值、成本价值、管理优化价值进行了研究。刘磊等人［7］对基于BIM 的隧道施工可视化管理系统设计进行了研究。白朋辉等人［8］对VR 技术在检测作业中的应用进行了研究。以上研究表明，BIM 技术、数值分析等技术也是重要的工程管理研究方法。

本文研究选用盾构法，并针对盾构工艺穿越珠江的主要风险进行分析，包括地质风险、水文风险、地表环境风险。并采用BIM 技术、数值分析技术等辅助研究分析穿越珠江重要风险源。

1.1 水文风险

越江越河隧道工程在高水头条件下的盾构作业主要风险有：

⑴高压力风险，盾构作业时盾构壳体将承受巨大的压力，如果盾构壳体没有足够的强度和刚度，就失去了盾构施工的基础，进而引发掌子面失稳，如果不能及时控制，将可能导致大规模的掌子面坍塌，泥水进入隧道，造成严重的灾难性事故；

⑵衬砌结构防水失效，由于水压高，需提高管片的制造和拼装精度及管片接缝密封垫材的性能，以满足管片接缝的防水要求。否则，可能出现使用期间的渗漏水现象，严重时可能影响衬砌结构的安全。

高水压条件下的盾构施工风险的源头是承压水对盾构隧道施工及运营的影响。因此，此条件下盾构施工风险防范的要点是针对承压水采取相应的应对措施。主要如下：

⑴盾壳应具有足够的强度和刚度，以承受较高的水土压并不变形，确保施工人员和设备安全和盾构设备的正常运转；

⑵盾构掘进时，壳体外的水（浆）只能通过盾尾密封圈进入盾构，因此高水压条件下必须强化盾尾的密封性能，要求其至少能承受1.0 MPa 的水压而不发生渗漏；

⑶在盾构机中配置保压泵碴系统，通过保压泵碴系统的出土软管出土，以保证地下水不涌出，从而保证施工安全；

⑷做好施工筹划，尽可能将开仓换刀等工作在河道外完成，保持河道下施工的连续性和匀速性，尽量避免出现长时间停机现象；

⑸做好掌子面失稳、江水或泥砂涌入隧道时，刀盘开口自动关闭和江面封堵预案，保证盾尾和开挖面不进水或泥。

1.2 地质风险

珠江航道地层为常呈现的上硬下软的复合地层，表层人工填土层、海冲积淤泥质粉细砂层承载力较低，下部微风化岩石强度达40～60 MPa。域内断层发育，溶土洞等不良地质多见。上软下硬复合地层在盾构施工中常常造成盾构掘进姿态不佳、刀具磨损严重及地表塌陷，严重时还可能导致管片局部出现破损。断层、溶土洞可能导致盾构开挖面不稳、掘进方向偏移、作业环境高压等。

为降低盾构掘进风险，具体可采取如下措施：

⑴做好地质补勘。针对详勘揭露的上软下硬地层区域增设施工补勘钻孔，查清上软下硬地层的位置和长度。有条件的情况下，通过调线等方式予以避免；

⑵穿越上软下硬地层前，提前换刀，并对盾构机进行全面检查和维护，确保盾构机各项设备处于最佳工作状态，不得在上软下硬地层更换刀具；

⑶严格控制盾构掘进参数。根据出土情况，结合盾构机工作参数及渣土情况，判断硬岩的比例，及时调整掘进参数；

⑷盾构机在上软下硬地层中掘进时，低速掘进，合理控制上下千斤顶的推进油压，避免盾构姿态向上抬，确保掘进线路正确；

⑸以盾构机进尺来控制出土量，防止超挖，同时保证盾尾回填注浆。

⑹对溶土洞等进行充填、跨越等；

⑺上部软弱地层变形迅速，前奏时间短，采取增大监测频率及至跟踪监测，并将监测数据及时分析反映至施工等有关单位，指导盾构施工。

1.3 地表环境风险

对隧道沿线建（构）筑物的保护是本工程的重点和难点，也是衡量工程建设质量的重要标准。隧道设计应根据盾构隧道与建（构）筑物关系、相互影响程度及盾构隧道施工可能产生的后果，制定加固保护原则，对沿线建（构）筑物进行分类分级保护。

盾构通过时，应严格控制盾构正面土压力、出土量、推进速度、姿态变化，保持开挖面的平衡和稳定，降低对周围土体的扰动，及时进行同步注浆和二次补充注浆，充填建筑空隙，严密监测施工影响范围内建构筑物的变形及其发展情况，并根据监测结果，及时调整掘进和注浆参数。减少施工过程中的土体变形，确保盾构施工过程和隧道运营期间的安全。

2 工程应用实践

2.1 工程概况

大坦沙岛现状有220 kV高压架空线路5回，110 kV高压架空线路或电缆线路5回。为满足大坦沙全岛规划开发，需要建设符合规划要求的电缆隧道，将现状高压架空线路及不满足规划建设要求的电缆线路搬迁至隧道，规整电力线路走廊以满足全岛规划及各项目开发条件。本次迁改线路隧道起点为220 kV 罗涌变电站，终点为220 kV 泮塘变电站，全线采用隧道型式敷设（见图1）。

图1 电缆在电力隧道敷设示意图Fig.1 Schematic Diagram of Cable Laying in Power Tunnel

2.2 地质情况

本项目中间部分为珠江西航道，区域地貌为剥蚀低丘陵与海陆交互相沉积平原相间，线路总体处于海陆交互沉积平原内，局部地段处在平原与低丘相接地带，整体地势较平坦，地形起伏不大。自上至下发育的地层分别为人工填土层（Q4ml）、海陆交互相沉积层（Q4mal）、残积土层（Qel）、石炭系大赛坝组全风化带（C1ds）、石炭系大赛坝组强风化带（C1ds）、石炭系大赛坝组中风化带（C1ds）。溶洞基本无充填，呈空洞状，厚度为0.90～1.50 mm。工程附近发育的断裂主要为广三断裂带、盐步断裂带及螺岗岭断裂组。

2.3 技术措施

隧道穿越珠江，隧道顶距离河床底竖向距离约7 m。在常规技术方案的基础上，采用BIM 技术和数值分析技术减少地表环境风险（见图2）。

图2 流程图Fig.2 Flow Chart

⑴采用BIM 技术建立地质三维模型（见图3）。将地层、断裂带、溶土洞、建筑、桩基、电力、风井等体现在BIM 模型空间上，确保电力隧道与既有建构筑保持足够安全距离。在实施前预测盾构掘进过程中的地层条件，完善技术方案。对重点位置进行切片，对各断面的水压条件和抗浮条件进行验算；

图3 过江段BIM地质整合模型Fig.3 Geological BIM Model of River Crossing Section

⑵高水压下施工风险控制。盾壳应具有足够的强度和刚度；盾尾密封，至少能承受1.0 MPa 的水压而不发生渗漏；保持在江中段不出现长时间停机现象；

⑶管片上浮应对措施。采用胶凝时间可以调节的塑性浆液，采用纵向刚度与抗剪强度大的接头，盾尾3环管片进行二次壁后注浆；

⑷突水、突泥风险控制。盾尾密封良好，至少能够承受1.0 MPa 的水压而不出现渗漏；盾构设备具有高水压条件下的施工技术性能；当出现突水（泥）时，盾构设备具有自动关闭功能，且密封性能良好，不出现渗漏现象；江面设置监测船，监测船配有GPS 系统、声纳系统、砂土袋或粘土、注浆设备等；

⑸ 江底开仓换刀应对措施：该盾构区段长约860 m，进入江底前，应进行开仓检查或更换刀具，尽量避免江底换刀；当在江中心被困时，必须通过措施首先保证工作面和盾构周围土体的稳定，而稳定工作面气压不能过大，否则工作人员无法进入；

⑹土洞处理。注浆充填土洞，确保顶管顶进过程中不发生跑偏、塌落等事故，保证施工期间安全，钻孔采用砂浆回灌形成树根桩；运营阶段则通过定期监测、注浆来发现和处理土洞的产生。处理范围为隧道边线范围以内，深度为隧道底下4 m以上范围；

⑺溶洞处理原则。对溶洞进行填充处理，处理范围：在土层时，处理的范围是隧道两侧5 m，及隧道底板下7 m；在岩层时，处理离隧道下方5 m。

2.4 数值验证

结合隧道下穿珠江堤防场地工程地质条件、施工工法、隧道与既有线（构筑物）相对位置关系及工程处理措施等因素，在充分模拟研究区域地形地质条件的基础上，在MIDAS GTS中建立地层、隧道、周边建构筑物等整体三维有限元计算模型，运用三维非线性有限元法，开展有限元模拟分析。

2.4.1 计算模型的建立

模型采用四面体网格，各岩土层均采用弹塑性模型，三维实体单元，屈服准则采用修正Mohr−Coulomb准则；盾构隧道管片采用弹性模型。模型顶面为自由面，无约束；底面每个方向均约束；4 个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束（见图4）。

图4 过江段数值分析整合模型Fig.4 Finite Element Analysis Model of River Crossing Section

施加初始应力场，进行收敛计算。盾构隧道的开挖为由远到近逐步开挖，在实际数值模拟过程中需要对隧道开挖过程进行分步分阶段处理，模拟循环开挖进尺与现场盾构管片施工相符合，通过激活盾构管片单元模拟管片施工。在完成每次开挖步后，进行收敛计算来模拟这步开挖过程的应力释放过程，然后才进入下一个开挖步计算。

2.4.2 模型地质参数

根据本线勘察报告提供的岩土体及结构物理力学指标建议值，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到的岩土体与结构物理力学参数进行取值，其中电力隧道管片弹性模量考虑管片连接对管片刚度的折减效应，取0.8的折减系数。

2.4.3 施工工况

根据盾构隧道设计方案及周边建构筑物相对位置关系，本次有限元分析主要分析工况为：初始应力场分析（位移清零）➝堤防施工（位移清零）➝盾构隧道左线施工➝盾构隧道右线施工。

2.4.4 结果分析

通过三维有限元计算分析，区间下穿珠江过程中最大位移在堤防处发生，最大水平位移为0.25 mm、最大竖向位于为1.5 mm，河床底最大竖向位移为2.1 mm、周边地面沉降最大为1.18 mm（见图5～图7），处于可控范围，技术方案可行。

图5 隧道施工完成后珠江堤防水平及竖向位移Fig.5 Horizontal and Vertical Displacement of Pearl River Embankment in Post-construction Settlement

图6 隧道施工完成后珠江河床底及地面沉降Fig.6 Vertical Displacement of Pearl River Bed and Ground Settlement in Post-construction Settlement

图7 隧道施工完成后隧道水平位移Fig.7 Horizontal Displacement of Tunnel in Post-construction Settlement

3 结语

为满足对“美好生活”的追求，缆线入地势在必行。线缆入地工程穿越珠江的主要风险源可分为地质风险、水文风险和地表环境风险。借鉴地铁盾构隧道穿越珠江的经验，首先应通过工筹、技术方案调整，对风险进行规避，并制定针对性预案。

若无法规避，水文风险可以通过选择合适盾壳、盾尾密封圈，设置保压泵碴系统等方式予以应对；地质风险可以通过控制盾构掘进参数、掘进速度、盾构姿态，加强外部监控，充填、跨越等手段予以应对。对于地面环境风险，通过控制盾构机参数、及时注浆予以应对。同时可采用BIM 技术和数值分析技术减少地表环境风险。通过大坦沙岛过江电缆隧道工程，以BIM 技术最大程度规避风险，通过数值分析验算，证明风险处理对策有效。