沈陽地鐵1號線東街站沈陽地鐵1號線東中街站滂江街站盾構(gòu)區(qū)間下穿220kV電力線桿塔施工技術(shù)

沈陽地鐵1號線東街站沈陽地鐵1號線東中街站滂江街站盾構(gòu)區(qū)間下穿220kV電力線桿塔施工技術(shù)

1東—工程概況1.1地鐵范圍總結(jié)。沈陽地鐵1號線東中街站—滂江街站區(qū)間(以下簡稱東—滂區(qū)間)位于沈陽市大東區(qū)沈海立交橋南端,大致呈東西走向,區(qū)間起訖里程為DK18+863.51～DK20+388.550,左線全長1526.548m,右線全長1525.04m,隧道總長為3051.588m,包括1座聯(lián)絡(luò)通道。區(qū)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(qū)間最大埋深23.753m,最小埋深15.82m,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(shù)40～80m/d,穩(wěn)定水位埋深在6.2～8.2m。本區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,隧道結(jié)構(gòu)為普通環(huán)管片錯縫拼裝形式,普通環(huán)為常用的標準環(huán)和左轉(zhuǎn)環(huán)、右轉(zhuǎn)環(huán)(楔形環(huán)),在直線段使用標準環(huán),曲線段采用楔形環(huán)。管片外徑6.0m,內(nèi)徑5.4m,厚度0.30m,環(huán)寬1.2m,管片連接采用彎螺栓連接。東—滂區(qū)間盾構(gòu)掘進平面示意見圖1。1.2220kV熱順甲乙線情況簡介沈陽市220kV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45m),自重大(桿質(zhì)量約40t),鋼管桿基礎(chǔ)均采用挖孔樁基礎(chǔ),埋深均在9m左右。東滂區(qū)間左線隧道需下穿該220kV雙回電力線路第12、13、14號線桿塔基礎(chǔ),結(jié)合沈陽供電公司施工圖紙和地鐵隧道線路圖,經(jīng)過現(xiàn)場放線,確定相關(guān)線桿塔與區(qū)間隧道的位置關(guān)系,具體如下:(1)12號桿塔基礎(chǔ)埋深為8.8m,采用單基礎(chǔ)形式,質(zhì)量約144t,桿塔基礎(chǔ)侵入左線隧道正上方2.5m,此位置隧道覆土為12.56m,桿塔基礎(chǔ)與隧道頂部的距離為3.8m;(2)13號桿塔基礎(chǔ)埋深為6.9m,采用雙基礎(chǔ)形式,質(zhì)量約142t,桿塔基礎(chǔ)距離左線隧道邊線0.18m,此位置隧道覆土為15.22m,桿塔基礎(chǔ)與隧道頂部的距離為8.3m;(3)14號桿塔的基礎(chǔ)埋深為8.8m,采用單基礎(chǔ)形式,質(zhì)量約360t,桿塔基礎(chǔ)距離左線隧道邊線2.3m,此位置隧道覆土為17.39m,桿塔基礎(chǔ)與隧道頂部的距離為8.6m。220kV熱順甲乙線桿塔與地鐵1號線東—滂區(qū)間平、立面位置關(guān)系見圖2,220kV熱順甲乙線桿塔圖片見圖3。2施工方案的研究2.1現(xiàn)場踏勘影響根據(jù)地質(zhì)勘察資料,該段工程地質(zhì)水文情況如下:地層由上至下依次為雜填土、粉質(zhì)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(shù)40～80m/d,地下水為第四系孔隙潛水,穩(wěn)定水位埋深在6.2～8.2m。2008年12月4日上午,地鐵建設(shè)方組織沈陽市規(guī)劃設(shè)計院、沈陽電力設(shè)計院、沈陽供電公司等單位專業(yè)人員對現(xiàn)場進行了實地踏勘。220kV雙回高壓線路桿塔基礎(chǔ)與地鐵隧道位置關(guān)系見上文所述。根據(jù)地鐵施工規(guī)范,在正常地段區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工時地面沉降量一般控制在30mm以內(nèi),隆起量控制在10mm以內(nèi),但盾構(gòu)下穿220kV雙回高壓線桿塔基礎(chǔ),沉降量的控制要求必然會更加嚴格。通過與供電部門技術(shù)人員溝通,因該供電線路桿塔為耐張轉(zhuǎn)角鋼管桿,襠距大,自重大,采用獨立挖孔樁基礎(chǔ),受力比較復(fù)雜,基礎(chǔ)沉降控制相當(dāng)困難。若隧道施工過程中出現(xiàn)過大變形,可能造成基礎(chǔ)斷樁、桿塔傾覆等事故;另外,由于桿塔基礎(chǔ)距離隧道頂部較近,且基礎(chǔ)質(zhì)量較大,可能引起圍巖失穩(wěn)、塌方等事故。因此在盾構(gòu)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(jīng)現(xiàn)場踏勘,電力桿北側(cè)已經(jīng)緊臨居民樓或機動車道,因此不具備北側(cè)立桿條件。區(qū)間隧道南側(cè)為沈陽中捷友誼廠搬遷后已處于開發(fā)狀態(tài)的“龍之夢”地產(chǎn)項目,基坑已經(jīng)開挖完成,正在進行±0以下工程施工,該開發(fā)項目北側(cè)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(fā)用地紅線,因涉及商業(yè)利益,協(xié)調(diào)難度極大。經(jīng)研究,推薦辦法仍是研究對既有線桿塔進行加固。2.2電力線路加固方案在確定對既有線桿塔進行加固為最可行方案后,地鐵建設(shè)方即著手該加固方案的委托設(shè)計工作。因盾構(gòu)下穿220kV雙回電力線路在國內(nèi)尚無實施先例,該加固方案無類似成功經(jīng)驗可以借鑒,沈陽市電力設(shè)計院和遼寧省電力設(shè)計院均表示未做過類似電力線路加固工程設(shè)計。后經(jīng)地鐵公司總經(jīng)理辦公會研究,最終委托東北電力設(shè)計院進行該加固工程方案設(shè)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(shè)計部門依據(jù)架空送電線路基礎(chǔ)和桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定、混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、原鋼管桿及其基礎(chǔ)設(shè)計圖紙、沈陽供電公司送電工區(qū)相關(guān)要求等相關(guān)資料,共提出3個比選方案。(1)后凍結(jié)土體凍結(jié)在隧道開挖前,先將隧道周圍某一范圍的土體進行凍結(jié),電線桿塔荷載通過凍結(jié)的拱橋傳遞到隧道兩側(cè)的土體。待隧道開挖并安全支護后,再解凍隧道周圍凍結(jié)土體。凍結(jié)費用估算:總延米(20+20+10)m×20萬/m=1000萬元。此方案優(yōu)點:凍結(jié)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(jié)費用較高,并且隧道壁仍受到桿塔基礎(chǔ)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(chǔ)加固方案在原線桿塔樁基礎(chǔ)上增設(shè)新的地表淺基礎(chǔ),通過調(diào)整基礎(chǔ)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(chǔ)加固施工,通過力學(xué)轉(zhuǎn)換,分散原有樁基礎(chǔ)受力,使樁基礎(chǔ)的承載方式轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇頊\基礎(chǔ)承載。淺基礎(chǔ)置換費用估算:3個×140萬元/個=420萬元。此方案優(yōu)點:淺基礎(chǔ)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(zhì)條件較差時,往往需要進行注漿加固地基。(3)樁基基礎(chǔ)錯誤費用估算在隧道兩側(cè)增加樁基礎(chǔ),通過梁將新增加的樁基礎(chǔ)相連接,并使桿塔荷載傳遞到該梁上。樁基礎(chǔ)過橋費用估算:3個×200萬元/個=600萬元。此方案優(yōu)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(gòu)機后續(xù)掘進產(chǎn)生一定影響。3實施難度較低、工程潛力較短對上述3個方案進行比較,可以發(fā)現(xiàn)第二方案還具備實施難度較低、工期較短的優(yōu)點。經(jīng)過對現(xiàn)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(chǔ)實施新增淺基礎(chǔ)加固。3.1通過設(shè)置臨時拉線來規(guī)避地基承載力為減小地鐵盾構(gòu)掘進對線路桿塔地基的擾動,在原基礎(chǔ)承臺的下部增加承載筏板,以承受電力導(dǎo)線、鋼管桿及其基礎(chǔ)的重力等豎向荷載,增大承擔(dān)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(chǔ)傳遞到地基上的荷載。此外,還設(shè)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(shè)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(chǔ)、新加基礎(chǔ)及加固完成后基礎(chǔ)示意見圖4。3.2雜填土層基礎(chǔ)加固(1)基坑開挖前,先對既有線桿塔進行可調(diào)拉線加固,見圖5、圖6。(2)在完成拉線加固措施后,按設(shè)計方案進行地表淺基礎(chǔ)加固施工。首先對距離地面2.5m以下(新基礎(chǔ)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(chǔ),新增基礎(chǔ)采用階形基礎(chǔ),總高度1300mm,采用C40鋼筋混凝土,底板布置?25mm受拉鋼筋,原基礎(chǔ)承臺側(cè)面徑向植?20mm鋼筋,承臺周圍布置環(huán)向?20mm鋼筋。特別要求新施作基礎(chǔ)混凝土達到設(shè)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(jù)土體穩(wěn)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(yè)安全規(guī)定。第12、13、14號線桿塔基礎(chǔ)加固分別見圖7、圖8、圖9。該線桿塔加固工程通過公開招標選取有相應(yīng)資質(zhì)的專業(yè)單位負責(zé)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(chǔ)加固,3月28日完成14號線桿塔基礎(chǔ)加固工作。3.3施工技術(shù)要求(1)擔(dān)、根拉索的角度每根線桿塔布置4道臨時拉線,在水平投影上每道拉索與橫擔(dān)的夾角宜為45°;每根拉索的上端通過環(huán)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(yīng)力100MPa。(2)植筋膠層質(zhì)量控制植筋膠的選擇和植筋工藝等須按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367—2006)和《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》(JGJ145—2004)等相關(guān)規(guī)范執(zhí)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(xiàn)破壞。植筋的工藝流程:彈線定位→鉆孔→洗孔→注膠→植筋→固化養(yǎng)護。植筋剖面大樣見圖10。4“段外一方”方案為了確保工程安全萬無一失,地鐵建設(shè)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(chǔ)進行加固外,要求盾構(gòu)施工單位從盾構(gòu)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(gòu)掘進施工均能確保安全。4.1工程應(yīng)用驗證因該盾構(gòu)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(gòu)機選型時,必須對刀盤形式、刀具形狀及耐磨性、加泥系統(tǒng)、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(qū)間選用日本川崎重工生產(chǎn)的?6.24m復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機,刀盤為輻條式,開口率為60%,通過右線隧道(全長1525.04m)的成功掘進,中途未更換刀具,系統(tǒng)運行順暢,證明該盾構(gòu)機選型基本是合理的。因左線隧道掘進需要下穿220kV電力線桿塔基礎(chǔ),在左線隧道正式掘進前,地鐵建設(shè)方要求盾構(gòu)施工單位對盾構(gòu)機做一次全面檢測評估,并備好易損易耗件,確保盾構(gòu)機能以最好的性能狀態(tài)下穿高壓電力線桿塔基礎(chǔ)。4.2刀盤刀具及螺旋機相關(guān)部位的加固施工該盾構(gòu)機刀盤為輻條式,開口率為60%,且刀具都鑲有硬質(zhì)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(zhì)量,在刀盤圓周、刀盤輔條、刀具支座、土倉內(nèi)側(cè)和螺旋機葉片上增加堆焊網(wǎng)狀硬質(zhì)合金耐磨層。通過對右線隧道全斷面砂礫地層1525.04m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(gòu)機在下穿高壓線桿塔過程中不出現(xiàn)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)更換中間刀和殼刀對磨損量大于10mm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(guān)部位加焊硬質(zhì)合金耐磨網(wǎng)格。(2)螺旋機維護對葉片磨損部位進行堆補焊,加焊硬質(zhì)合金耐磨網(wǎng)格;更換大功率液壓馬達。4.3美國膨潤土改革土體法根據(jù)右線隧道掘進經(jīng)驗,合理確定左線盾構(gòu)掘進參數(shù),嚴格控制地表沉降:掘進速度控制在40～45mm/min,土壓120～150kPa,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(huán),刀盤扭距保持在2000kN·m。在合理的平衡壓力及掘進速度等參數(shù)情況下,正常施工段每環(huán)管片同步注入4.5～5.5m3漿液來控制盾尾地面沉降。從已經(jīng)貫通的右線隧道實施效果看,該掘進參數(shù)對地面沉降控制比較有效。5第12、13、14號線桿塔基礎(chǔ)沉降盾構(gòu)機掘進在線桿塔新增基礎(chǔ)混凝土達到設(shè)計強度后進行,其中第12號線桿塔對應(yīng)的左線隧道穿越區(qū)管片環(huán)編號為“左第136環(huán)～145環(huán)”,盾構(gòu)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(yīng)的左線隧道穿越區(qū)管片環(huán)編號為“左第251環(huán)～263環(huán)”,盾構(gòu)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(yīng)的左線隧道穿越區(qū)管片環(huán)編號為“左第377環(huán)～390環(huán)”,盾構(gòu)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(chǔ)沉降情況,現(xiàn)摘取第12、13、14號線桿塔基礎(chǔ)部分沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),見表1～表3。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:12號線桿塔基礎(chǔ)因和左線隧道重疊較多,且基礎(chǔ)與隧道頂距離較近,盾構(gòu)機推進過程中對其影響相對較大,3月12日后沉降數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定;13、14號線桿塔基礎(chǔ)沉降則相對較小。在盾構(gòu)機順利穿過桿塔基礎(chǔ)并實施同步填充注漿后,地面沉降立即趨緩?？梢钥闯?通過對原線桿塔基礎(chǔ)從地表采取加固措施,并從盾構(gòu)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。6線桿塔基礎(chǔ)加固方案設(shè)計及實施因地鐵盾構(gòu)從220kV高壓線桿塔基礎(chǔ)