電纜隧道穿越珠江重要風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策研究

李嘉業(yè)，楊振中

（廣州市電力工程設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510031）

0 引言

架空線路由于其建設(shè)成本低、維護(hù)方便，一直是我國(guó)電纜、電線主要架設(shè)方式。但黨的十八大以來(lái)，習(xí)近平總書記多次提到“追求美好生活，是永恒的主題”。架空線路不僅影響市容市貌，同樣也存在觸電、信息安全等較大的安全問(wèn)題，亟需改造。纜線入地不但適應(yīng)城市的發(fā)展需求，還可提升城市面貌［1］，從經(jīng)濟(jì)性、合理性、發(fā)展性來(lái)看，都是解決這一問(wèn)題的最佳方案，并且已在國(guó)內(nèi)外多地取得成功經(jīng)驗(yàn)。廣州作為一線城市，纜線入地勢(shì)在必行。然而廣州水系發(fā)達(dá)，電纜隧道穿越珠江在所難免。

1 風(fēng)險(xiǎn)源分析及對(duì)策研究

2002 年，謝保鋒等人［2］在廣州地鐵二號(hào)線海珠廣場(chǎng)站至江南西站區(qū)間隧道工程中首次采用盾構(gòu)穿越珠江，對(duì)地下水、滾刀適應(yīng)性等問(wèn)題進(jìn)行了研究。陳剛［3］對(duì)復(fù)雜條件下盾構(gòu)下穿珠江前航道施工過(guò)程控制措施進(jìn)行了研究。譚智文等人［4］對(duì)土壓盾構(gòu)下穿珠江施工技術(shù)研究。劉益平等人［5］對(duì)南京地區(qū)電纜隧道工程重要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策進(jìn)行了研究。通過(guò)以上研究，結(jié)合電纜隧道穿越珠江的技術(shù)要求，采用盾構(gòu)法穿越珠江是較為穩(wěn)妥的選項(xiàng)。

另外，張恒源等人［6］過(guò)江隧道建設(shè)全過(guò)程管理中BIM 技術(shù)的運(yùn)用對(duì)工程管理帶來(lái)的技術(shù)價(jià)值、成本價(jià)值、管理優(yōu)化價(jià)值進(jìn)行了研究。劉磊等人［7］對(duì)基于BIM 的隧道施工可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。白朋輝等人［8］對(duì)VR 技術(shù)在檢測(cè)作業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。以上研究表明，BIM 技術(shù)、數(shù)值分析等技術(shù)也是重要的工程管理研究方法。

本文研究選用盾構(gòu)法，并針對(duì)盾構(gòu)工藝穿越珠江的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，包括地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、水文風(fēng)險(xiǎn)、地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。并采用BIM 技術(shù)、數(shù)值分析技術(shù)等輔助研究分析穿越珠江重要風(fēng)險(xiǎn)源。

1.1 水文風(fēng)險(xiǎn)

越江越河隧道工程在高水頭條件下的盾構(gòu)作業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)有：

⑴高壓力風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)作業(yè)時(shí)盾構(gòu)殼體將承受巨大的壓力，如果盾構(gòu)殼體沒(méi)有足夠的強(qiáng)度和剛度，就失去了盾構(gòu)施工的基礎(chǔ)，進(jìn)而引發(fā)掌子面失穩(wěn)，如果不能及時(shí)控制，將可能導(dǎo)致大規(guī)模的掌子面坍塌，泥水進(jìn)入隧道，造成嚴(yán)重的災(zāi)難性事故；

⑵襯砌結(jié)構(gòu)防水失效，由于水壓高，需提高管片的制造和拼裝精度及管片接縫密封墊材的性能，以滿足管片接縫的防水要求。否則，可能出現(xiàn)使用期間的滲漏水現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

高水壓條件下的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的源頭是承壓水對(duì)盾構(gòu)隧道施工及運(yùn)營(yíng)的影響。因此，此條件下盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)防范的要點(diǎn)是針對(duì)承壓水采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。主要如下：

⑴盾殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受較高的水土壓并不變形，確保施工人員和設(shè)備安全和盾構(gòu)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；

⑵盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，殼體外的水（漿）只能通過(guò)盾尾密封圈進(jìn)入盾構(gòu)，因此高水壓條件下必須強(qiáng)化盾尾的密封性能，要求其至少能承受1.0 MPa 的水壓而不發(fā)生滲漏；

⑶在盾構(gòu)機(jī)中配置保壓泵碴系統(tǒng)，通過(guò)保壓泵碴系統(tǒng)的出土軟管出土，以保證地下水不涌出，從而保證施工安全；

⑷做好施工籌劃，盡可能將開倉(cāng)換刀等工作在河道外完成，保持河道下施工的連續(xù)性和勻速性，盡量避免出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象；

⑸做好掌子面失穩(wěn)、江水或泥砂涌入隧道時(shí)，刀盤開口自動(dòng)關(guān)閉和江面封堵預(yù)案，保證盾尾和開挖面不進(jìn)水或泥。

1.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

珠江航道地層為常呈現(xiàn)的上硬下軟的復(fù)合地層，表層人工填土層、海沖積淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層承載力較低，下部微風(fēng)化巖石強(qiáng)度達(dá)40～60 MPa。域內(nèi)斷層發(fā)育，溶土洞等不良地質(zhì)多見(jiàn)。上軟下硬復(fù)合地層在盾構(gòu)施工中常常造成盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)不佳、刀具磨損嚴(yán)重及地表塌陷，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致管片局部出現(xiàn)破損。斷層、溶土洞可能導(dǎo)致盾構(gòu)開挖面不穩(wěn)、掘進(jìn)方向偏移、作業(yè)環(huán)境高壓等。

為降低盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，具體可采取如下措施：

⑴做好地質(zhì)補(bǔ)勘。針對(duì)詳勘揭露的上軟下硬地層區(qū)域增設(shè)施工補(bǔ)勘鉆孔，查清上軟下硬地層的位置和長(zhǎng)度。有條件的情況下，通過(guò)調(diào)線等方式予以避免；

⑵穿越上軟下硬地層前，提前換刀，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢查和維護(hù)，確保盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，不得在上軟下硬地層更換刀具；

⑶嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)出土情況，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)工作參數(shù)及渣土情況，判斷硬巖的比例，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)；

⑷盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，低速掘進(jìn)，合理控制上下千斤頂?shù)耐七M(jìn)油壓，避免盾構(gòu)姿態(tài)向上抬，確保掘進(jìn)線路正確；

⑸以盾構(gòu)機(jī)進(jìn)尺來(lái)控制出土量，防止超挖，同時(shí)保證盾尾回填注漿。

⑹對(duì)溶土洞等進(jìn)行充填、跨越等；

⑺上部軟弱地層變形迅速，前奏時(shí)間短，采取增大監(jiān)測(cè)頻率及至跟蹤監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)分析反映至施工等有關(guān)單位，指導(dǎo)盾構(gòu)施工。

1.3 地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)隧道沿線建（構(gòu)）筑物的保護(hù)是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是衡量工程建設(shè)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。隧道設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)隧道與建（構(gòu)）筑物關(guān)系、相互影響程度及盾構(gòu)隧道施工可能產(chǎn)生的后果，制定加固保護(hù)原則，對(duì)沿線建（構(gòu)）筑物進(jìn)行分類分級(jí)保護(hù)。

盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面土壓力、出土量、推進(jìn)速度、姿態(tài)變化，保持開挖面的平衡和穩(wěn)定，降低對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，及時(shí)進(jìn)行同步注漿和二次補(bǔ)充注漿，充填建筑空隙，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)施工影響范圍內(nèi)建構(gòu)筑物的變形及其發(fā)展情況，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)和注漿參數(shù)。減少施工過(guò)程中的土體變形，確保盾構(gòu)施工過(guò)程和隧道運(yùn)營(yíng)期間的安全。

2 工程應(yīng)用實(shí)踐

2.1 工程概況

大坦沙島現(xiàn)狀有220 kV高壓架空線路5回，110 kV高壓架空線路或電纜線路5回。為滿足大坦沙全島規(guī)劃開發(fā)，需要建設(shè)符合規(guī)劃要求的電纜隧道，將現(xiàn)狀高壓架空線路及不滿足規(guī)劃建設(shè)要求的電纜線路搬遷至隧道，規(guī)整電力線路走廊以滿足全島規(guī)劃及各項(xiàng)目開發(fā)條件。本次遷改線路隧道起點(diǎn)為220 kV 羅涌變電站，終點(diǎn)為220 kV 泮塘變電站，全線采用隧道型式敷設(shè)（見(jiàn)圖1）。

圖1 電纜在電力隧道敷設(shè)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Cable Laying in Power Tunnel

2.2 地質(zhì)情況

本項(xiàng)目中間部分為珠江西航道，區(qū)域地貌為剝蝕低丘陵與海陸交互相沉積平原相間，線路總體處于海陸交互沉積平原內(nèi)，局部地段處在平原與低丘相接地帶，整體地勢(shì)較平坦，地形起伏不大。自上至下發(fā)育的地層分別為人工填土層（Q4ml）、海陸交互相沉積層（Q4mal）、殘積土層（Qel）、石炭系大賽壩組全風(fēng)化帶（C1ds）、石炭系大賽壩組強(qiáng)風(fēng)化帶（C1ds）、石炭系大賽壩組中風(fēng)化帶（C1ds）。溶洞基本無(wú)充填，呈空洞狀，厚度為0.90～1.50 mm。工程附近發(fā)育的斷裂主要為廣三斷裂帶、鹽步斷裂帶及螺崗嶺斷裂組。

2.3 技術(shù)措施

隧道穿越珠江，隧道頂距離河床底豎向距離約7 m。在常規(guī)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，采用BIM 技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)減少地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖2）。

圖2 流程圖Fig.2 Flow Chart

⑴采用BIM 技術(shù)建立地質(zhì)三維模型（見(jiàn)圖3）。將地層、斷裂帶、溶土洞、建筑、樁基、電力、風(fēng)井等體現(xiàn)在BIM 模型空間上，確保電力隧道與既有建構(gòu)筑保持足夠安全距離。在實(shí)施前預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的地層條件，完善技術(shù)方案。對(duì)重點(diǎn)位置進(jìn)行切片，對(duì)各斷面的水壓條件和抗浮條件進(jìn)行驗(yàn)算；

圖3 過(guò)江段BIM地質(zhì)整合模型Fig.3 Geological BIM Model of River Crossing Section

⑵高水壓下施工風(fēng)險(xiǎn)控制。盾殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；盾尾密封，至少能承受1.0 MPa 的水壓而不發(fā)生滲漏；保持在江中段不出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象；

⑶管片上浮應(yīng)對(duì)措施。采用膠凝時(shí)間可以調(diào)節(jié)的塑性漿液，采用縱向剛度與抗剪強(qiáng)度大的接頭，盾尾3環(huán)管片進(jìn)行二次壁后注漿；

⑷突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)控制。盾尾密封良好，至少能夠承受1.0 MPa 的水壓而不出現(xiàn)滲漏；盾構(gòu)設(shè)備具有高水壓條件下的施工技術(shù)性能；當(dāng)出現(xiàn)突水（泥）時(shí)，盾構(gòu)設(shè)備具有自動(dòng)關(guān)閉功能，且密封性能良好，不出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；江面設(shè)置監(jiān)測(cè)船，監(jiān)測(cè)船配有GPS 系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、砂土袋或粘土、注漿設(shè)備等；

⑸ 江底開倉(cāng)換刀應(yīng)對(duì)措施：該盾構(gòu)區(qū)段長(zhǎng)約860 m，進(jìn)入江底前，應(yīng)進(jìn)行開倉(cāng)檢查或更換刀具，盡量避免江底換刀；當(dāng)在江中心被困時(shí)，必須通過(guò)措施首先保證工作面和盾構(gòu)周圍土體的穩(wěn)定，而穩(wěn)定工作面氣壓不能過(guò)大，否則工作人員無(wú)法進(jìn)入；

⑹土洞處理。注漿充填土洞，確保頂管頂進(jìn)過(guò)程中不發(fā)生跑偏、塌落等事故，保證施工期間安全，鉆孔采用砂漿回灌形成樹根樁；運(yùn)營(yíng)階段則通過(guò)定期監(jiān)測(cè)、注漿來(lái)發(fā)現(xiàn)和處理土洞的產(chǎn)生。處理范圍為隧道邊線范圍以內(nèi)，深度為隧道底下4 m以上范圍；

⑺溶洞處理原則。對(duì)溶洞進(jìn)行填充處理，處理范圍：在土層時(shí)，處理的范圍是隧道兩側(cè)5 m，及隧道底板下7 m；在巖層時(shí)，處理離隧道下方5 m。

2.4 數(shù)值驗(yàn)證

結(jié)合隧道下穿珠江堤防場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、施工工法、隧道與既有線（構(gòu)筑物）相對(duì)位置關(guān)系及工程處理措施等因素，在充分模擬研究區(qū)域地形地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，在MIDAS GTS中建立地層、隧道、周邊建構(gòu)筑物等整體三維有限元計(jì)算模型，運(yùn)用三維非線性有限元法，開展有限元模擬分析。

2.4.1 計(jì)算模型的建立

模型采用四面體網(wǎng)格，各巖土層均采用彈塑性模型，三維實(shí)體單元，屈服準(zhǔn)則采用修正Mohr?Coulomb準(zhǔn)則；盾構(gòu)隧道管片采用彈性模型。模型頂面為自由面，無(wú)約束；底面每個(gè)方向均約束；4 個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無(wú)約束（見(jiàn)圖4）。

圖4 過(guò)江段數(shù)值分析整合模型Fig.4 Finite Element Analysis Model of River Crossing Section

施加初始應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)行收斂計(jì)算。盾構(gòu)隧道的開挖為由遠(yuǎn)到近逐步開挖，在實(shí)際數(shù)值模擬過(guò)程中需要對(duì)隧道開挖過(guò)程進(jìn)行分步分階段處理，模擬循環(huán)開挖進(jìn)尺與現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)管片施工相符合，通過(guò)激活盾構(gòu)管片單元模擬管片施工。在完成每次開挖步后，進(jìn)行收斂計(jì)算來(lái)模擬這步開挖過(guò)程的應(yīng)力釋放過(guò)程，然后才進(jìn)入下一個(gè)開挖步計(jì)算。

2.4.2 模型地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)本線勘察報(bào)告提供的巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)建議值，結(jié)合工程實(shí)際情況及與其他工程類比，對(duì)計(jì)算中所用到的巖土體與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值，其中電力隧道管片彈性模量考慮管片連接對(duì)管片剛度的折減效應(yīng)，取0.8的折減系數(shù)。

2.4.3 施工工況

根據(jù)盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)方案及周邊建構(gòu)筑物相對(duì)位置關(guān)系，本次有限元分析主要分析工況為：初始應(yīng)力場(chǎng)分析（位移清零）?堤防施工（位移清零）?盾構(gòu)隧道左線施工?盾構(gòu)隧道右線施工。

2.4.4 結(jié)果分析

通過(guò)三維有限元計(jì)算分析，區(qū)間下穿珠江過(guò)程中最大位移在堤防處發(fā)生，最大水平位移為0.25 mm、最大豎向位于為1.5 mm，河床底最大豎向位移為2.1 mm、周邊地面沉降最大為1.18 mm（見(jiàn)圖5～圖7），處于可控范圍，技術(shù)方案可行。

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

圖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

圖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 結(jié)語(yǔ)

為滿足對(duì)“美好生活”的追求，纜線入地勢(shì)在必行。線纜入地工程穿越珠江的主要風(fēng)險(xiǎn)源可分為地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、水文風(fēng)險(xiǎn)和地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。借鑒地鐵盾構(gòu)隧道穿越珠江的經(jīng)驗(yàn)，首先應(yīng)通過(guò)工籌、技術(shù)方案調(diào)整，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行規(guī)避，并制定針對(duì)性預(yù)案。

若無(wú)法規(guī)避，水文風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)選擇合適盾殼、盾尾密封圈，設(shè)置保壓泵碴系統(tǒng)等方式予以應(yīng)對(duì)；地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、掘進(jìn)速度、盾構(gòu)姿態(tài)，加強(qiáng)外部監(jiān)控，充填、跨越等手段予以應(yīng)對(duì)。對(duì)于地面環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)控制盾構(gòu)機(jī)參數(shù)、及時(shí)注漿予以應(yīng)對(duì)。同時(shí)可采用BIM 技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)減少地表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)大坦沙島過(guò)江電纜隧道工程，以BIM 技術(shù)最大程度規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)數(shù)值分析驗(yàn)算，證明風(fēng)險(xiǎn)處理對(duì)策有效。