摘要：通过昆明市220kV永和（云纺）输变电工程电力隧道土建工程可研设计，介绍盾构法电力隧道的可研设计内容，即：盾构法电力隧道的平、断面设计；盾构结构、管片、工作井设计；电缆支架、接地及防排水的设计；盾构机的选择；盾构监控测量、注浆加固、施工工艺流程和施工进度。通过本文的描述，明确盾构法电力隧道可研阶段的设计深度要求，为其他工程提供参考。
关键词：盾构片；工作井；防排水；沉降控制；注浆加固
0、前言
盾构法是暗挖法施工中一种全机械化施工的方法。在南水北调工程、过海和过江隧道及全国各地的众多城市地铁隧道工程中盾构法施工得到广泛的应用；盾构法也在广州、重庆、北京等地的电力隧道中也得到应用；220kV永和（云纺）输变电工程电力隧道是云南省第一个拟采用盾构法设计的电力隧道项目，通过本文盾构法电力隧道的可研设计的描述，明确盾构法电力隧道可研阶段的设计深度要求。
1、电缆隧道的平面、纵断面设计
1.1电缆隧道的平面设计
本工程盾构段隧道长约4.1km，分1个区间施工。始发井布置在明波加油站南侧的绿化带内，靠近昆安公路，交通便利，绿化范围60m宽，180m长，需迁改2回10kV线路及部分通信线路；接收井布置在盛高大成小区与二环南路之间的绿化带内，靠近二环南路，交通便利，绿化范围30m宽，200m长；盾构段间距800m设置一个检查井，与197号路电力隧道衔接处和与二环南路电力隧道衔接处分别布置一个检查井，共有6个检查井，均采用沉井。所有工作井位置均布置在昆安公路及二环南路路边，交通便利，有利于建材的运输，渣土外运，考虑所有工作井所影响的地下管线迁改，架空线迁改费用。
采用盾构段的隧道过明波立交时，避让高架桥桥墩，转弯半径为200m，其他沿线转弯半径设计为350m。
1.2电缆隧道纵断面设计
（1）与河流、下穿道路的交叉
电缆隧道沿途受河流（乌龙河、大观河、西坝河、弥勒寺大通道、兰花通道及采莲河）及下穿路（二环西路、西福路、福海立交）等因素控制，保证盾构隧道距河底及路面不小于6m（1.5倍的盾构断面），同时尽可能使盾构始发井和接收井的埋深减小，设计不小于0.5%、不大于3%的坡度。
（2）与地铁的交叉
电缆隧道走线过福海立交时，与滇池路上的规划地铁5号线有交叉。地铁5号线沿滇池路西侧布置，地铁采用外径6.2m盾构隧道，整个结构宽20m,与电力隧道交叉处地铁埋深14.0m。规划地铁目前还未实施，预计2019年建设。电力隧道过地铁隧道时，保证电力隧道外径离地面5m，电力隧道外径距离地铁隧道5m。
2、盾构法电力隧道的设计
2.1盾构结构形式及管片
本工程拟采用衬砌圆环直径3.5m的盾构，单层钢筋混凝土管片衬砌。管片厚度250mm，宽度1200mm，隧道外径4.0m。
管片采用通缝拼装，每环管片分为6块，分别为封顶块（1块）、邻接块（2块）、标准块（3块）。管片封顶块的拼装采用纵向插入，并在防水胶条处留有构造槽。管片采用弯螺栓连接。
2.2结构荷载组合及计算方法
盾构结构的设计荷载：永久荷载：结构自重、水土压力；可变荷载：地面超载；偶然荷载：地震荷载。
荷载组合：使用阶段对于承载力极限状态按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载组合，其组合为：
基本组合：永久荷载+基本可变荷载
偶然组合：永久荷载+部分可变荷载+地震荷载
使用阶段对于正常使用极限状态采用荷载的标准组合，其组合为：标准组合：永久荷载+基本可变荷载，但分项系数为1.0。
结构计算按考虑三角形抗力的匀质圆环法进行计算。
2.3 盾构法隧道断面电缆支架的设计
盾构法隧道断面为圆形，若按常规立式支架布置方式，对隧道内整体空间布置和电缆敷设是不合理的。电缆支架采用沿内弧线布置，支架立柱采用弧形立柱，电缆支架横担采用非磁性不锈钢制作。弧形立柱通过植筋与隧道内壁连接，这样隧道内的净空可最大限度使用，便于220kV大截面的电缆施工和运行。
2.4盾构法隧道综合接地网的设计
电缆隧道内设计一个总的综合接地网，接地电阻不大于10Ω。盾构法隧道综合接地网的设计应充分利用隧道的初期支护锚杆、钢架、钢筋网或地板钢筋作为接地装置。用作接地极的锚杆环向间距要求为2倍锚杆长度；接地锚杆与钢筋网、钢拱架或专用环向接地钢筋应可靠焊接；隧道地板钢筋应形成一个1mx1m的单层钢筋网。
各接地装置均通过直径不小于φ16的钢筋连接，间隔约30m,与两条贯通隧道的金属接地均压带相互焊接连通；接地线的焊接采用搭接焊；接地网在腐蚀性较强的地区采用钢镀铜或铜材；隧道接入变电站内时，综合接地网与变电站接地网有两点及以上相连接；接地网的设计应校验接触电位差和跨步电位差。
2.5工作井的设计
因本工程盾构段地质条件差，始发井基坑支护费用较高，拟设置1个盾构始发井、1个盾构接收井、6个检查井，均采用明挖法施工。
始发井平面为矩形断面，净空尺寸为20mx7m。基坑开挖深度14m,围护结构采用钻孔灌注桩+止水帷幕支护形式，主体结构采用C35模筑混凝土，抗渗等级p8。围护结构与主体结构之间设柔性防水层。始发井顶板待盾构隧道贯通后再施工。
接收井平面为矩形断面，净空尺寸为10mx7m。基坑开挖深度12m,围护结构采用钻孔灌注桩+止水帷幕支护形式，主体结构采用C35模筑混凝土，抗渗等级p8。围护结构与主体结构之间设柔性防水层。接收井顶板待盾构隧道贯通后再施工。
检查井平面为圆形，采用圆形单孔沉井,净空尺寸为直径7m，采用钢筋混凝土沉井，井壁厚度0.6m。
各个工作井在隧道施工完成以后，改造为安全人孔和进出风口，安全人孔兼顾放线孔使用。
3、盾构隧道结构防水与排水
3.1防水设计的原则及标准
设计原则：隧道的防水采用防排结合，以防为主的方式。衬砌防水设计遵循“以防为主，刚柔相济，多道防线，因地制宜，综合治理”的原则。采用高精度钢模制作高精度管片，以管片结构自防水为根本，接缝防水为重点，确保隧道整体防水。
防水标准：盾构隧道应满足一级防水等级，隧道内不允许渗漏水。
3.2结构的防水措施
（1）衬砌混凝土自防水：管片混凝土的抗渗等级为P10。
（2）管片接缝处采用弹性密封垫防水。
（3）管片内弧面嵌缝槽用氯丁乳胶水泥进行密封止水。
（4）螺栓孔采用螺栓密封圈防水。
（5）吊装孔采用钢板止水片防水。
（6）变形缝环面应贴设垫片，同时采用适应变形量大的弹性密封垫。
隧道的排水方式：沿隧道纵向设不小于0.5%坡度，纵向在最低点出设置集水井，设计时尽量考虑人孔与集水井的排水口兼顾使用。
4、盾构隧道施工方案
4.1盾构法施工工艺流程
（1）在盾构隧道的始发端和接收端各建一个工作竖井。
（2）盾构机在始发井内安装就位。
（3）盾构掘进：依靠盾构千斤顶推力，将盾构机从始发井的墙壁开孔处推出，盾构机在地层中沿设计轴线推进，在推进的同时不断出土，通过螺旋输送机运出开挖出的渣土到小车中，通过铁轨拉出小车到始发井，有吊车吊出小车，外运走渣土。
（4）管片安装：掘进的同时进行管片安装，衬砌管片通过观片机逐个安装在隧道边墙相应位置，逐环拼装；每环拼装时，自上而下，左右对称，交替拼装，及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌环位置。
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4.2盾构机的选型原则
（1）盾构机的选择应对工程地质、水文地质有较强的适应性，首先要满足施工安全的要求。
（2）安全适应性、技术先进性、经济性相统一，在安全可靠的情况下，考虑技术先进性和经济合理性。
（3）满足隧道外径、长度、埋深、施工场地、周围环境等条件。
（4）满足安全、质量、工期、造价及环保等条件。
（5）后配套设备的能力与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度相匹配，同时具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。
（6）盾构制造商的知名度、业绩、信誉和技术服务。
本工程盾构机主要穿越的地层为泥炭质土、黏土及粉土，且地下水位较高，结合昆明市区地铁盾构使用的经验，建议施工选用土压平衡盾构机，同时配备同步注浆和二次注浆系统，有利于控制盾构施工时造成的地层变形。盾构机配备注浆系统，能改善密封舱内土体的流动性。
4.3主要技术指标
最小曲线半径：200m
最小坡度：0.3%
最大坡度：3%
最短坡长：25m
竖曲线半径：2000m
4.4盾构机进出洞口的处理
始发段和接收段地层加固是盾构机始发和出洞阶段的重要辅助工程，加固区的质量和范围以及洞门的密封效果是影响盾构机顺利始发和接收的重要因素。盾构机进出洞时，洞口段土层须预先进行加固处理以保证盾构机进出洞安全。加固方法建议采用旋喷桩全深加固，加固后的地层应有良好的均匀性和自立性，其无侧限抗压强度：1.0—1.5Mpa；渗透系数≤1.0x10-8cm3/s。
4.5盾构地面变形沉降控制
（1）地面变形沉降原因分析
1）开挖面土体的移动
当隧道掘进时，开挖面土体的水平支护应力可能大于或小于原始侧压力，开挖面前方土体会产生下沉或隆起。
2）建筑空隙引起的沉降
土体挤入盾尾空隙，由于向盾尾后面隧道外围建筑空隙中压浆不及时、注浆量不足、压浆压力不适当，使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态，引起地层损失；盾构在曲线中掘进或纠偏掘进过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆形，故引起地层损失。
3）衬砌变形和沉降
在土压力作用下，隧道衬砌产生变形也会引起少量的地层损失，衬砌渗漏也会引起沉降。
4）受扰动土体的固结再沉降
由于盾构掘进过程中的挤压作用或盾尾注浆作用等因素，使周围地层形成超空隙的水压区，需经过一段时间后才能消散复原。在此过程中因地层发生排水固结变形引起地面沉降。
（2）地面沉降的控制措施
1）衬砌背后压浆
盾尾脱出后及时压浆，使衬砌与土层间的空隙迅速填充，起到减少地面沉降的目的，建议同步注浆；实际压浆量要大于理论压浆量，保证压浆量充足；严格控制压浆压力，压浆压力略大于该点的静水压力和土压力之和，要考虑由于注浆管的压力损耗和管口的扩散效应所导致的压力减弱；采用2次以上的压浆，弥补一次压浆不足，减少地面沉降；浆液选择、配比、拌制和储运必须合理。
2）开挖面施加土压力
保持开挖面土压力的平衡可以减少开挖面土体的坍塌、变形、土体损失等。在盾构前方形成一定的压力，来平衡土体中的水平侧向土压力，通常采用气压、泥水压力及土压来平衡。
3）其他施工参数优化
加强推进速度控制，尽量不使或少使前方土体受挤压；控制盾构推进中的“姿态”，推进轴线尽量与隧道保持一致，减少纠偏；控制衬砌拼装偏差，提高隧道质量，减少施工后期沉降。
4.6盾构监控量测
在隧道施工及相关辅助施工（如地基加固、跟踪注浆）过程中，均应对隧道结构、地层、地表、建构筑物及管线等，进行系统全面的监控量测。监控量测项目主要包括隧道结构的竖向、水平位移和净空收敛；地层变形及地表沉降、建构筑物及管线变形位移、建构筑物外观观察等。监测点的位置应布设在建构筑物及管线对沉降敏感的位置，如房屋的基础、窗台、门槛、屋顶、管道接口、桥梁桥墩等位置。根据监测反馈信息，及时调整、优化各项施工参数，以确保盾构施工安全和建构筑物及管线的正常使用。当发生异常时应即刻上报有关部门，并采取应急措施。
盾构隧道施工引起的地面沉降一般控制在30mm以内，隆起控制在10mm以内并以最大值的70%作为安全警界值。当穿越重要的建构筑物时，沉降控制值应按相关规范、规程及权属部门要求从严确定。
4.7盾构施工降水
根据岩土工程勘察报告，施工工作井时需降水，建议采用管井降水，水位将至基坑底1m。
4.8对邻近建、构筑物的保护
盾构机穿越的立交桥有明波立交、福海立交，计划从立交桥桥墩之间穿越，提前对桥墩基础进行地面注浆加固；掘进过程中穿越河流时同步注浆并保证注浆量；掘进过程与滇池路规划地铁5号线交叉时，交叉处每边10m，且电力隧道外径周边3m范围内注浆加固；盾构机穿越下穿道路时，计划从下穿路桩基之间穿越，提前对下穿路基础进行地面注浆加固；本工程路径沿绿化带及空地布置，没有穿越房屋，但穿越大观建材市场时，距离一栋2层的房屋只有2.5m，距离一栋4层的房屋只有7m，穿越西华公园时，距离西华公园大门入口处的两栋房子只有3m和8.5m，提前对临近的房屋基础进行地面注浆加固，后期对这4栋房子进行房屋安全鉴定。
盾构法穿越沿线道路、立交桥、下穿路、地下管线时，为确保安全，建议做如下处理：
（1）盾构掘进过程，不应使开挖面的稳定受到损害。一般是在开挖后立即推进，或在开挖的同时进行推进。每次推进的距离可为一环衬砌的长度，也可为一环衬砌长度的几分之一，推进速度为10-20mm/min。衬砌组装完成后，应立即进行开挖或推进，尽量缩短开挖面的暴露时间。
（2）掘进过程中同步注浆并保证注浆量，确保填充管片与开挖轮廓的间隙。洞内适时进行二次注浆。
（3）加强监测，必要时采取加强洞内注浆和地面跟踪注浆的方法控制桥墩变形，注浆材料采用水泥+水玻璃双液型浆，注浆压力0.2-0.5Mpa，并根据现场实际情况进行调整。
4.9、盾构法工程施工进度计划
（1）进行盾构始发井场地围挡，移栽地表绿化，调整地下管线，迁改地面上10kV线路及通信线路，约需2个月。
（2）盾构始发井施工，约需3个月。
（3）盾构机组装及始发，约需1个月。
（4）盾构机推进、检修，约需9个月。
（5）盾构到达及吊出，约需2个月。
土建施工工期约需17个月。
5、结语
本工程可研设计阶段参观了广州及重庆地区的盾构法电力隧道成品，到昆明市在建的地铁9号线施工现场进行参观学习，结合本工程自身的特点进行可研设计，目前可研设计审查已经完成，可研设计审查会邀请了广州电力设计院专家及地铁隧道设计专家参会，对盾构法电力设计的设计深度给予肯定，可为其他盾构法电力隧道工程提供参考。
参考文献
[1]中华人民共和国电力行业标准DL/T5484-2013，《电力电缆隧道设计规程》
[2]中华人民共和国国家标准，GB50108-2008，《地下工程防水技术规范》
[3]《工程地质手册》（第四版），中国建筑工业出版社
[4]高等学校城市地下空间工程专业规划教材，《地下工程施工》，人民交通出版社股份有限公司，2017
[5]高等学校土木横穿学科专业指导委员会规划教材，《地下结构设计》，中国建筑工业出版社，2014
论文作者:朱玲
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/15
标签：盾构论文; 隧道论文; 管片论文; 荷载论文; 电力论文; 注浆论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第35期论文;