電力隧道下穿地鐵運營區(qū)間的研究

文/李 春

1.工程概況

220千伏磨碟洲-柳園電力隧道位于海珠區(qū)雙塔路、藝景路、廣州大道南，是連接220千伏磨碟洲變電站與220千伏柳園變電站的重要電力走廊，是保障琶洲西區(qū)電力供應的重要通道。隧道全長約4.7公里，共設置8個工作井，隧道施工以盾構工法為主，線路三次上跨運營地鐵3號線，一次下穿運營地鐵8號線（見圖一）。

圖1 磨碟洲～柳園電力隧道線路示意圖

2.地質情況

隧道所處區(qū)域位于珠江三角洲沖積平原區(qū)的中部區(qū)域，處于沖積平原向丘陵區(qū)的過渡地帶。區(qū)域微地貌以沖積平原為主，局部為剝蝕殘丘。受人為工業(yè)活動影響，原始地貌經(jīng)過強烈的破壞。總體上雙塔路～藝景路區(qū)段地勢較為平坦，高差較小，廣州大道南周邊區(qū)段地勢較高。區(qū)域內工商業(yè)繁榮，交通繁忙，陸路交通方便但較擁堵。區(qū)域內的不良地質作用主要有砂土液化、軟土震陷。地層由上至下主要有：雜填土層、粉質粘土層、淤泥層、粉細砂層、粉質粘土層、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖、微風化粉砂巖。

電力隧道下穿地鐵8號線位置，地鐵盾構區(qū)間主要位于全風化粉砂巖、強風化粉砂巖，電力隧道位于中風化粉砂巖。

3.電力隧道與地鐵相互關系

廣州地鐵8號線鷺江～客村段屬于原廣州地鐵2號線，2010年拆分改為地鐵8號線。該段地鐵線路開通于2005年，區(qū)間采用6m盾構，上部覆土僅有約6m，屬于淺埋線路。由于地鐵占用了淺層地下空間，導致后續(xù)建設的電力隧道無法從地鐵上部通過，因此220千伏磨碟洲-柳園電力隧道在客村立交位置采用垂直下穿運營地鐵8號線，電力隧道采用外徑4.1m圓形盾構。

為減小電力隧道施工對地鐵運營的影響，電力隧道與地鐵區(qū)間豎向凈距采用1倍隧道凈距處理，兩者凈距為4m。

根據(jù)《城市軌道交通既有結構保護技術規(guī)范》（DBJ/T15-120-2017），從接近程度判斷，電力隧道與地鐵結構的相對凈距4.01m≤1D（D為盾構法的隧道外徑，圓形頂管法的隧道外徑），屬于“非常接近”；從外部作業(yè)的工程影響分區(qū)判斷，電力隧道位于地鐵八號線下方0.7h范圍內（h為礦山法和盾構法外部作業(yè)的隧道底板深度），屬于“強烈影響區(qū)（A）”，故判定磨碟洲～柳園電力隧道項目對地鐵隧道結構的影響等級屬于“特級”[1]（見圖二）。

綜合緊鄰地鐵八號線盾構隧道的結構特點，結合磨碟洲～柳園電力隧道項目的設計和施工特點，認為：磨碟洲～柳園電力隧道建設對地鐵盾構隧道造成的不利影響，主要體現(xiàn)在：（1）在地鐵結構上方穿越、側上方開挖卸荷對地鐵盾構隧道的影響；（2）在地鐵結構下方穿越對地鐵盾構隧道的影響。

4.電力隧道下穿地鐵影響分析

電力隧道盾構段施工將可能對地鐵盾構隧道結構造成不利影響。為此，結合地鐵盾構隧道結構特點和電力隧道盾構段結構設計及施工特點，采用三維有限元軟件Midas GTS，模擬電力隧道盾構段施工對地鐵盾構隧道結構產(chǎn)生的不利影響，重點分析地鐵盾構隧道結構的變形情況，進而判斷電力隧道盾構段施工對地鐵盾構隧道可能產(chǎn)生的不利影響。

電力隧道盾構段施工時，地鐵隧道周邊地層的力學性質對地鐵隧道的受力和變形起到關鍵約束作用，為此，進行三維模擬分析計算時充分考慮本項目的地層分布特點并合理選取計算參數(shù)。模型中的地層主要根據(jù)緊鄰地鐵盾構隧道結構附近的工程地質資料進行適當簡化，地層自上往下依次為人工填土、粉土、強風化細砂巖、中風化細砂巖和微風化細砂巖。各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)工程經(jīng)驗和工程地質勘察報告綜合分析確定，地鐵盾構隧道以及電力隧道盾構段結構體系的力學計算參數(shù)經(jīng)綜合考慮相關因素后確定。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

圖2 磨碟洲～柳園電力隧道與地鐵8號線位置關系示意圖

電力隧道盾構段施工對緊鄰地鐵隧道影響的三維動態(tài)施工模擬的主要流程為：場地初始應力分析；施工地鐵三號線盾構隧道結構；盾構掘進至地鐵3倍洞徑的影響范圍；盾構向前掘進58m、以后每次向前掘進6m，直至離開地鐵3倍洞徑的影響范圍外，分析過程共掘進15次。模擬主要分析盾構掘進過程中掌子面壓力和注漿作用對地鐵隧道結構的影響。

為了模擬土體損失與注漿，在襯砌外部加一個等代層，采用殼單元來模擬，等代層的彈性模量根據(jù)水泥土的壓縮模量來選擇，分析中不考慮漿體硬化過程，認為注漿完成后漿體立即硬化為強度很大的固體，結合相關工程中同步注漿漿液彈性模量的實測值，將等代層的彈性模量取為10GPa。在進行數(shù)值模擬過程中，考慮到盾構開挖和注漿對土體的擾動引起土體的剛度變化，將等代層取為20cm。

圖3 地鐵八號線盾構隧道結構的位移匯總

圖4 地鐵隧道沿線水平側向位移和豎向位移曲線

磨碟洲～柳園電力隧道盾構段施工過程對緊鄰地鐵盾構隧道影響的三維模擬分析結果表明：磨碟洲～柳園電力隧道施工誘發(fā)地鐵盾構隧道結構的最大水平位移為0.9mm，最大豎向位移為-2.1mm，最大總位移為2.1mm（見圖3、圖4）。

5.電力隧道下穿地鐵保護措施

根據(jù)計算分析，電力隧道下穿地鐵建設不危及地鐵盾構隧道的結構安全，不影響地鐵的正常運營。為在實際施工過程中保證地鐵運營安全，尚需采取以下措施。

（1）自動化監(jiān)測

監(jiān)測數(shù)據(jù)能及時并準確地反映電力隧道施工對地鐵影響，為不影響既有地鐵的運營，一般要求采用自動化監(jiān)測。自動化監(jiān)測需準確獲得初設值，電力隧道距離監(jiān)測斷面50m時，應開始自動化監(jiān)測。當電力隧道開挖面距離監(jiān)測斷面超過50m且監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定時，自動化監(jiān)測可以結束。

自動化監(jiān)測點布置應能反映既有線路兩根鋼軌的沉降差，和既有車站和區(qū)間的整體沉降及傾斜。監(jiān)測橫斷面間距一般為5m，影響較小的地段可放寬至10m。測站的布置應能滿足可視要求。自動化監(jiān)測一般情況1次/4小時，在電力隧道小于一倍洞徑通過期間或出現(xiàn)變形征兆時進行連續(xù)監(jiān)測（1次/2小時）。

變形控制標準應根據(jù)運營安全的要求確定，一般情況下，車站和隧道絕對沉降量和水平位移量限值：+20mm；運營線路軌道靜態(tài)尺寸容許偏差值：兩軌道軌距變形及橫向高差小于（4mm/10m）。警戒值可取限制的80%。

（2）盾構施工保護措施

在前期施工掘進中，不斷優(yōu)化調整盾構推進參數(shù)，確保以最好的盾構參數(shù)通過地鐵運營區(qū)間。施工過程中保持盾構開挖面的穩(wěn)定，嚴格控制出土量，通過設定推進速度、調整排土量或設定排土量調整推進速度，以求得艙壓力與地層壓力的平衡，不得超挖或欠挖。出土量一般控制在理論出土量的98%～100%。

加強同步注漿與二次注漿。在盾構掘進中，盡快在脫出盾構后的襯砌背面環(huán)形建筑空隙中充填足量的漿液材料。根據(jù)地質條件，確定漿液配比，注漿壓力及注漿量。采用二次（或多次）壓漿彌補同步注漿不足，減少盾構施工對周邊地表沉降的影響。

根據(jù)自動化監(jiān)測成果，及時反饋信息，做到信息化施工。

（3）設計補強措施

針對盾構通過后的工后沉降問題，除嚴格執(zhí)行二次壁后注漿外，還考慮了補償注漿。補償注漿分為內部與外部兩個方面。內部主要通過盾構管片預留注漿孔，待盾構二次壁后注漿固結后對管片外地層再一次進行補償注漿。外部主要通過在地面設置跟蹤注漿孔，根據(jù)實際監(jiān)測情況進行地面注漿。通過內外部注漿結合，確保地鐵隧道的運營安全。

（4）編制應急預案

為確保工程安全，施工前應編制專項應急預案。應急預案應做到貼合實際、有針對性、有實施性，不能流于形式。內容上不但要包括應急措施，還要包括預防報警、組織體系、響應機制和保障手段等。

6.結論及建議

根據(jù)磨碟洲～柳園電力隧道項目場地工程地質資料，結合電力隧道結構設計、施工特點，以及地鐵八號線盾構隧道結構特點，通過三維數(shù)值模擬計算分析，同時借鑒國內類似隧道建設對地鐵盾構隧道影響的案例調研，可以認為220kV磨碟洲～柳園電力隧道下穿既有地鐵運營線路安全可控，項目建設不危及地鐵盾構隧道的結構安全，不影響地鐵的正常運營。

結合本項目的開展，有以下幾點建議：

（1）規(guī)劃先行、統(tǒng)籌考慮

地下空間是稀缺寶貴資源，需容納市政管線、地下交通、地下商業(yè)、公共空間等設施。由于其開發(fā)的不可逆性，在規(guī)劃階段就應該對區(qū)域地下空間進行綜合規(guī)劃考慮?，F(xiàn)有的地下空間規(guī)劃往往是各自為政，地鐵、城際、綜合管廊、電力隧道等由于權屬單位不同，其規(guī)劃也只停留于各自權屬層面，缺乏整個城市層面的統(tǒng)籌規(guī)劃。這往往導致先行者不顧后來者需求，導致后續(xù)地下空間開發(fā)矛盾重重。建議從政府層面對地下空間做深化統(tǒng)籌規(guī)劃，預留好后續(xù)地下空間實施條件。

（2）提前對接、預留條件

在統(tǒng)籌規(guī)劃的前提下，針對工程交叉節(jié)點采取提前對接，預留穿越條件。本工程與規(guī)劃地鐵19號、28號線均有交叉，在工程實施時采取提前與地鐵對接，在交叉穿越位置進行地層加固和結構加強等處理措施，減小了后續(xù)工程的實施難度。

（3）保證安全、經(jīng)濟合理

安全是工程實施的前提，尤其是地下穿越工程更是安全管控的重點。為達到安全這一目標，目前存在人為拔高控制參數(shù)、安全保護措施一窩蜂上的情況，造成了一些不必要的浪費。建議實事求是，根據(jù)工程實際情況，制定切實可行經(jīng)濟合理的方案。