公路隧道近距離下穿電力管線施工技術研究

吳文娟，王振飛

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450001）

0 引 言

近年來隨著城鎮化建設的不斷推進，各種市政工程建設越來越多，建設規模越來越大，施工單位在缺乏地下管線保護意識的情況下極易在施工過程中損壞地下管線，尤其是隧道及地下工程建設施工過程中對地下管線的損壞現象頻繁發生，導致地下管線無法正常工作，嚴重影響人們的正常生活，甚至造成重大的災難性后果。另外，施工過程中地下管線的安全對工程造價有著直接影響，如果對地下管線的保護措施不到位，不僅不會節約成本，還可能引發重大的安全事故，結果導致工程費用增加。因此，在隧道及地下工程施工過程中，施工單位要充分認識到地下管線正常運行的重要性，提高地下管線保護意識，加強地下管線安全保護，將施工操作對地下管線的不良影響降到最低[1]。

杭州市香積寺路西延工程盾構段需下穿220kV電力管線（半霞線）、半霞線電力管溝橫穿東側明挖段隧道基坑（4#工作井）及燃霞、燃灣線電力管溝與隧道基坑呈“L”形交叉施工，受工期及周圍環境的影響，管線不具備遷改的條件，需在原位進行加固保護，工程在施工過程中將面臨防止地表隆陷對電力管溝造成破壞和深基坑穩定開挖的難題。因此采取有效措施確保盾構掘進及基坑開挖時不影響電力管線安全運行、正常供電是本工程的重點和難點，也將為今后類似工程提供寶貴的工程經驗。

1 工程概況

杭州市香積寺路西線工程西起教工路（與余杭塘路相接），東至德苑路（與現狀香積寺路相連），沿線經過賈家弄新村、拱墅區行政服務中心、京杭大運河、大兜路歷史街區、香積寺、紅建河、建華新村、霞灣變電站等區域。工程全長2.65km，其中隧道長2290m。城市次干路標準，雙向4車道，設計車速50km/h。工程信息見圖1。

圖1 杭州市香積寺路西延工程分段區間示意圖（單位：m）

施工項目主要為盾構隧洞、明挖段、工作井及其附屬結構等。本段涉及地層巖性主要有淤泥質粉質黏土夾粉土、淤泥質粉質黏土。

2220 kV電力管線與工程項目位置關系

2.1 盾構隧道與半霞線關系

東段盾構隧道下穿半霞線220kV電力管線，兩者成斜交約14.1°。經過精測，220kV超高壓電力管線最深處距離地面7.9m，與電力管線相交處的隧道埋深約9.9m，即隧道與電力管線凈距約2m。隧道及管線平面位置和剖面位置見圖2、圖3。

圖2 220kV半霞線與隧道平面關系圖

圖3 220kV半霞線與隧道剖面關系圖（單位：m）

2.2 明挖隧道與半霞線關系

220kV半霞線電力管溝在東側明挖段橫穿隧道基坑、4#工作井附屬結構基坑。經現場調查核實，220kV半霞線電力管線為1個電力管廊，埋深1m，內1回路電纜（3根電纜線），管線外側采用C25鋼筋混凝土包方。電力管線與隧道及其附屬工程位置關系圖見圖4。

圖4 220kV電力管線與4#井明挖段及附屬基坑關系圖

2.3 燃霞、燃灣線與隧道關系

220kV燃霞、燃灣線在紅建河東側中間明挖段橫穿基坑后進入霞灣變電站，且隧道平行部分管溝與基坑圍護結構重合20~30cm，如圖5所示。經現場調查，該電力管廊由霞灣變電站引出，沿基坑南側跨基坑后向北敷設。該電力管廊為霞灣變電站的進出線（10回路高壓進出），包含3回路220kV高壓線。該電力管廊為混凝土結構，外輪廓寬2.5~4m，管廊高度0.9~1.8m。

3 220kV電力線路保護措施

圖5 中間明挖段隧道與220kV電力管線關系圖

本工程針對半霞線電力管溝橫穿東側明挖段隧道基坑及燃霞、燃灣線電力管溝與隧道基坑呈“L”形交叉的施工難題。受邊界條件的影響，為降低施工難度，現場采用工字鋼+托板方案即工字鋼橫梁頂托混凝土電纜溝和鋼筋混凝土蓋板托撐電力管溝的就地保護，輔以自動化監測措施；同時針對工程盾構段下穿220kV電力管線（半霞線）的施工難點，通過對盾構施工的影響范圍、地表隆陷變化規律以及電力管溝對地表變形適應能力評估的研究，采取優化掘進參數、控制泥水壓力、掘進速度、出渣量、盾構糾偏量以及同步和二次注漿等措施對管線進行保護，且保護效果良好，使工程隧道基坑得以順利開挖，盾構按時始發，即節省了成本，又縮短了工期，為今后類似工程的施工提供了參考。

3.1 明挖段半霞線保護措施

3.1.1 總體保護方案

由于明挖基坑北側3m 范圍內存在高壓燃氣及通信管線，南側3m范圍內存在中壓燃氣、φ600給水等管線，南側基坑圍擋位于基坑圍護結構上，不具備施工貝雷架的條件。

綜合考慮現場條件和基坑概況，為降低施工保護難度，采用工字鋼+托板方案（見圖6）進行就地保護半霞線，即設置工字鋼橫梁頂托混凝土電纜溝，托板位于工字鋼下部，對220kV既有電纜溝進行溝槽保護，然后在監測電纜溝安全的條件下，有序進行基坑土方開挖、支撐架設、鋼筋混凝土結構澆筑。等隧道結構達到強度后，用素混凝土填實電纜溝與隧道結構頂板間的空隙，拆除托板，恢復路面交通。

圖6 托板斷面圖

3.1.2 電纜溝處的施工處理措施

為加大電纜溝處基坑圍護結構的承載能力，電纜溝處連續墻采用改裝的成槽機施工，以盡可能降低因管廊交叉引起的斷口尺寸；同時在斷口外側采用MJS超高壓旋噴樁進行土體加固，作為斷口處圍護結構墻使用，以增強基坑側壁的剛度，控制基坑的變形。

土方開挖過程中，由于該處豎向土體穩定性較差，需分層進行開挖，開挖深度不大于2m，并及時架設型鋼做為擋板，型鋼擋板采用16號槽鋼，基坑深度內間距為1.0m，與圍護結構連續墻鋼板進行可靠焊接，同時在墻面施作φ42注漿導管，進行掛網噴射厚10cmC20早強混凝土，鋼筋網片為φ8@200mm×200mm。

3.2 明挖段燃霞、燃灣線保護措施

3.2.1 總體施工保護方案思路

由于220kV燃霞、燃灣線電力管溝與隧道基坑呈“L”形交叉，為確保電力管溝施工安全和基坑施工安全，采用鋼筋混凝土蓋板托撐電力管溝（見圖7）。因部分管溝坐落在隧道圍護結構上，為減少圍護結構開口，將隧道南側圍護結構外放4.8m，并對該跨基坑呈“L”形布置的管溝采用整體格構柱支頂，在格構柱上現澆1塊混凝土蓋板，將“L”形管溝整體放置在蓋板上，同時采用自動監測裝置對施工過程中的管廊進行適時自動監測，確保電力管溝安全、后續基坑開挖施工支撐架設和鋼筋混凝土結構澆筑。等隧道結構達到強度后，用素混凝土填實電纜溝與隧道結構頂板間的空隙，拆除托板，恢復路面交通。

圖7220 kV電力管廊保護示意圖（單位：mm）

3.2.2 局部基坑支護安全性分析

（1）墻底抗隆起驗算[2]。基坑墻底受力示意圖見圖8。坑內側向外12.3m范圍內總荷載為7023.3kN/m；驗算斷面處土體內聚力c為28.0kPa；內摩擦角φ為13.0°，地基承載力Nc為：

圖8 基坑墻底應力示意圖

式中：Nq為地基承載力系數，其表達式為：

地基極限承載力Ru的表達式為：

式中：q為基礎側荷載。

安全系數=1377.1×12.3/7023.3=2.41，施工要求安全系數1.8，滿足要求。

（2）坑底抗隆起驗算。基坑坑底受力示意圖見圖9。同理，坑底抗隆起穩定安全系數為2.24，大于施工要求的安全系數2.2，滿足要求。

圖9 基坑坑底應力示意圖

（3）抗傾覆穩定性計算。基坑側墻承受水土壓力示意圖見圖10。采用滑移失穩理論計算得[3]，抗傾覆安全系數為1.35，施工要求安全系數為1.15，滿足工程要求。

圖10 基坑側墻承受水土壓力示意圖

（4）整體穩定計算。應力狀態計算方法采用總應力法，整體穩定計算采用瑞典條分法。基坑局部應力示意圖見圖11。計算結果為整體穩定安全系數1.73，滿足施工安全系數1.35的要求。

圖11 基坑局部受力示意圖

3.3 盾構下穿半霞線施工措施

3.3.1 試驗段

根據220kV半霞線與隧道位置關系，選定180m為試驗段。試掘進段、穿越段地層與隧道埋深對比表見表1。通過總結試驗段試掘進參數來優化盾構下穿220kV電力管線的各項掘進參數，見表2。

表1 試掘進段、穿越段地層與隧道埋深對比表

表2 試掘進段參數控制表

3.3.2 穿越前準備

（1）技術準備。施工前詳細了解220kV半霞線保護標準，制定可靠的保護方案；建立完善的預警機制，在監測結果超過預警值時立即采取措施，將地面隆沉控制在要求范圍內。對電纜接頭兩端采用抱箍的形式進行固定保護，施工前采用渦流探傷技術對接頭進行封鉛檢測。

（2）人員保證。施工前配備足夠人員，及時將監測信息傳達給洞內值班工程師及主司機，指導盾構施工；對所有施工人員進行技術交底，使每個參加施工的工作人員清楚盾構機與220kV管線的相對位置以及采取的技術措施。

（3）確保機械設備狀態。在刀盤到達影響范圍前5環時，對盾構機、門吊、軌道運輸車等機械設備和注漿管路進行一次全面檢查和維護，對于存在故障和故障隱患的機械一律進行維修，并對注漿管路進行一次徹底的清洗，確保盾構機及配套設備在穿越過程中處于良好的工作狀態。

（5）菌苗基礎研究較為落后。從目前的具體實際分析，菌苗生產和使用的菌種都是20世紀60～70年代分離的菌株，由于時間過長，在免疫特性方面與現代流行性的菌株存在一定的差距，會在一定程度上造成免疫失敗。

（4）施工參數優化。將盾構機到達影響范圍之前的180m作為模擬段，及時總結出盾構機穿越該類土層的最佳參數，掌握控制地表沉降的措施，并通過以往施工實踐經驗與地表沉降結果不斷優化盾構推進參數，控制地表變形；緊密依靠地表變形監測數據，及時調整盾構掘進參數，不斷完善施工工藝，為盾構穿越220kV半霞線提供參數依據。

3.3.3 穿越階段控制措施

（1）各施工階段掘進主要控制參數。按照盾構穿越順序，對地表沉降的控制主要可分為4個階段，各階段主要控制參數見表3。

表3 盾構穿越各階段重點控制參數表

（2）嚴格控制盾構正面泥水壓力[4]。通過黏性土地層水土合算和砂性土承壓水地層水土分算的原則，計算出掌子面的泥水壓力設定值；再通過“靜止觀察法”進行復核校正，同時根據掘進過程中地質和埋深情況以及地表沉降監測信息進行反饋和調整優化，使泥水壓力設定值更加精確。一般設定壓力高于計算水土壓力0.02MPa，壓力波動值控制在±0.01MPa。根據地質情況及地面建筑情況，及時調整地面泥漿的各項技術指標，既能對掌子面進行穩定支護，又能滿足攜渣要求，使得整個泥水循環系統運行順暢，不存在堵倉或堵管情況，保證氣倉壓力及液位的相對穩定，從而確保盾構機掌子面泥水壓力的穩定。

（3）推進速度控制。穿越220kV電力管線期間推進速度控制在1.5~2cm/min，并在推進過程中保持穩定，每日推進3環（6m）；保持推進速度、出碴量和注漿速度相匹配。

（4）出碴量控制。通過安裝在盾構機上的泥漿比重計及流量計，記錄每環實時的進出漿液比重數據及流量數據，計算機自主計算出每環的出渣量。再輔以人工測量比重數據及泥水分離設備出渣數據，可對電腦計算出的出渣數據進行復核與校驗，從而能更加準確、真實的反映出渣量，評估出渣量與對應掘進里程間的相對關系，根據已編制好的應對方案，做出有針對性的調控，使整個出渣過程處于嚴密監控、實時反饋、實時控制的良性循環。

（5）同步注漿。因盾構外徑大于管片外徑，盾尾通過后管片外圍和土體之間存在空隙，施工中采用同步注漿來充填這一部分空隙，減少周圍土體在填充空隙時引起的變形，減小地面沉降。同步注漿漿液選用可硬性漿液，根據以往經驗采取的配合比見表4。施工過程中嚴格控制同步注漿量和漿液質量，嚴格控制漿液配比，使漿液和易性好，泌水性小。為減小漿液的固結收縮[5]，實驗室定期取樣試驗，進行配合比的優化。

表4 同步注漿材料初步配比表 單位：kg/m3

同步注漿量一般控制在建筑空隙的180%～150%，實際施工中漿液的用量結合前一階段施工用量和監測報表以及注漿壓力綜合進行合理選擇，同步注漿盡可能保證勻速、連續的壓注，防止推進尚未結束而注漿停止的情況發生。

盾構下穿220kV管線期間實際的注漿量為理論注漿量的1.7倍，即為23m3。

（6）嚴格控制盾構糾偏量[6]。盾構進行平面或高程糾偏的過程中，必然會增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾構機進入220kV管線影響范圍之前，將盾構機調整到良好的姿態，并且保持這種良好姿態穿越220kV電力管線。在盾構穿越的過程中盡可能勻速推進，推進速度不宜過快，最快不大于2.5cm/min，以確保盾構機能均衡、勻速地穿越，減小盾構推進對前方土體的擾動。盾構姿態變化不可過大、過頻，控制每環糾偏量不大于10mm（高程、平面），控制盾構變坡不大于0.1%，以減少盾構施工對地層的擾動影響，盡可能減少地表沉降，保證220kV電力管線安全。

（7）管片拼裝。管片下井及拼裝前由質檢工程師負責對所用管片進行檢查，確保下井管片符合設計要求。同時檢查防水材料是否粘貼到位、是否存在脫落現象，以確保所拼裝管片的質量。

在盾構處于拼裝狀態下時，千斤頂的收縮會引起盾構機的微量后退，因此在盾構推進結束之后不要立即拼裝，等待幾分鐘之后，到周圍土體與盾構機固結在一起后再進行千斤頂的回縮，回縮的千斤頂數量盡可能少，滿足管片拼裝要求即可。在管片拼裝過程中，安排最熟練的拼裝工進行拼裝，減少拼裝時間和縮短盾構停頓時間，以減少土體沉降。拼裝過程中若發現氣壓倉液位上升，則立即增加氣壓，保證液位穩定和泥水倉壓力不變，起到維持土壓力的作用。拼裝結束后，盡快恢復推進，減少土體沉降。

（8）泥水系統。泥漿起著穩定掌子面，防止掌子面的變形、坍塌及地層沉降的作用。泥漿須具備如下特性：物理穩定性好；化學穩定性好；泥水的粒度級配、相對密度、黏度適當；流動性好；成膜性好。泥漿配比在隧道掘進前根據隧址處地質特點和現場試驗結果確定，泥漿指標為：泥水盾構施工中要求控制進漿密度為1.16~1.30g/cm3，排漿密度較進漿密度高0.05~0.25g/cm3，進漿黏度為16.5~18.5s，排漿黏度為17~20s。由于在穿越建筑物施工過程中，采用重漿模式，故進漿密度控制范圍為1.3~1.4g/cm3，排漿密度較進漿密度高0.05~0.25g/cm3。

3.3.4 穿越后控制措施（二次注漿）

（1）二次注漿條件。地面沉降值超出控制報警值；注漿點位須脫離盾尾6m以上。

（2）注漿參數。二次注漿采用雙液漿注漿，漿液為水泥、水玻璃雙液漿，配比為1∶1，凝固時間控制在40~60s，注漿壓力0.3～0.5MPa。二次注漿量根據地面監測情況隨時進行調整，從而使地層變形量減至最小。

（3）二次注漿流程對接。在盾構掘進過程中項目部根據監測數據認為需啟動二次注漿時，將二次注漿時間、位置及預計注漿量提前1d通知運檢室，請運檢室在注漿期間協調其他部門及時做好各項監測和線路養護工作；運檢單位根據監測情況認為需啟動二次注漿以控制沉降時，及時通知項目部進行二次注漿。

4 沉降監測

工程施工過程中，明挖段電力管線通過原位托舉保護，盾構段電力管線通過細化掘進施工，管線沉降變化均比較小，且數據曲線平穩。其中220kV半霞線橫跨主體結構基坑最大沉降為7.60mm，橫跨4#工作井附屬結構基坑最大沉降為5.04mm，橫跨中間明挖段主體結構基坑最大沉降為8.1mm，盾構下穿220kV半霞線最大沉降為9.05mm，監測數據滿足管線正常運營的要求，管線處于安全穩定狀態。以220kV半霞線橫跨主體結構基坑監測數據為例，主體結構基坑監測點平面布置圖見圖12，管線沉降變化曲線圖見圖13。

圖12 主體結構基坑監測點平面布置圖

5 結 語

圖13 管線沉降變化曲線圖

工程針對盾構段下穿220kV半霞線的施工難點，通過對盾構施工的影響范圍、地表隆陷變化規律以及電力管溝對地表變形適應能力評估的研究，采取優化掘進參數、控制泥水壓力、掘進速度、出渣量、盾構糾偏量以及同步和二次注漿等措施對管線進行保護；針對半霞線電力管溝橫穿東側明挖段隧道基坑及燃霞、燃灣線電力管溝與隧道基坑呈“L”形交叉的施工難題，現場采用工字鋼+托板方案即工字鋼橫梁頂托混凝土電纜溝和鋼筋混凝土蓋板托撐電力管溝的就地保護措施對管線進行保護，取得了良好的效果。既避免了因管線遷改造成的工期不可控、成本虧損（較管線拆改方案節約成本約1500萬元）等問題，又為項目的正常快速推進提供了技術支撐，也為類似工程施工提供了實踐經驗。