沈阳地铁1号线东街站沈阳地铁1号线东中街站滂江街站盾构区间下穿220kV电力线杆塔施工技术

沈阳地铁1号线东街站沈阳地铁1号线东中街站滂江街站盾构区间下穿220kV电力线杆塔施工技术

1东—工程概况1.1地铁范围总结。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1526.548m,右线全长1525.04m,隧道总长为3051.588m,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15.82m,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5.4m,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。1.2220kV热顺甲乙线情况简介沈阳市220kV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45m),自重大(杆质量约40t),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220kV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144t,杆塔基础侵入左线隧道正上方2.5m,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142t,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360t,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。220kV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施工方案的研究2.1现场踏勘影响根据地质勘察资料,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。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。220kV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10mm以内,但盾构下穿220kV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电力线路加固方案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220kV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)后冻结土体冻结在隧道开挖前,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=1000万元。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)桩基基础错误费用估算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实施难度较低、工程潜力较短对上述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通过设置临时拉线来规避地基承载力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。3.2杂填土层基础加固(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。(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。首先对距离地面2.5m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1300mm,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。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施工技术要求(1)担、根拉索的角度每根线杆塔布置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)植筋胶层质量控制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。4“段外一方”方案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工程应用验证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1525.04m)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220kV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刀盘刀具及螺旋机相关部位的加固施工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1525.04m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)更换中间刀和壳刀对磨损量大于10mm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)螺旋机维护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美国膨润土改革土体法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40～45mm/min,土压120～150kPa,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2000kN·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第12、13、14号线杆塔基础沉降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。6线杆塔基础加固方案设计及实施因地铁盾构从220kV高压线杆塔基础