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钻地如神龙,挖洞小盾构(二)——记国内电力电缆隧道盾构施工

已有 5301 次阅读 2017-7-9 07:48 |个人分类:工程实践|系统分类:科研笔记

钻地如神龙,挖洞小盾构

——第二篇:记国内中小直径电力电缆隧道盾构施工

■陈仁全

一、电力隧道施工主要方法

电力隧道主要功能是用来敷设电缆线,并确保检修和运行维护要求,具有必要的安全防护措施。与轨道交通隧道、公路隧道等相比,具有明显的用途和功能区别,首先在于隧道断面直径上相对小一些,通常为3~6m的隧道直径,其次隧道内侧壁上要固定电缆支架,中间留出适当空间便于人员检修通行。在防水、通风、消防方面也有单独的行业规范要求。

电力隧道与架空线路比,运行更安全、辐射小、环保性好,也能极大利用城市紧张的土地资源,避免影响地面空间规划与使用,腾出更多的建设空间。集中敷设在隧道里,也便于电力部门统一管理和抢修。特别作为城市几百万一两千万人口的生命线,埋设地下在战时也具有一定抵抗力,有一定的“国防”优势

隧道内敷设电缆主要是采用空气中敷设方式。具体为在隧道侧壁上固定电缆支架,在托架上放置电缆的方式。此种敷设方式相比于电缆埋管、槽盒的好处在于可利用隧道内流动空气帮助电缆散热,以提高电缆输送容量。隧道内电缆敷设的原则是隧道由下自上,电压等级由高到底。此外,根据电缆截面尺寸的不同,电缆支架层间距应不同设计,并按照规范取一定的裕量以便施工作业。支架层间净距对220kV电缆一般取400mm110kV电缆一般取300mm(广州电力设计院)

按照不同的施工工艺,目前电力电缆隧道分为以下几种开挖方式:

1)明挖法(opencut method

采用明挖方法施工时,开挖深度小、技术简单、施工速度快、施工成本低。因此,在道路条件、管线情况及施工环境容许的情况下,明挖施工方法通常是浅埋隧道首选的施工方法。明挖隧道内空尺寸在运用中多为净宽2.4m、净高2.5m~3.7m。主要根据所放电缆回路数确定其高度,可放置6~10回电缆。

2)矿山法(mining method

矿山法是一种传统的施工方法,又叫钻爆法,原理是隧道开挖后受爆破影响,造成岩体破裂形成松弛状态,随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据,其施工方法是按分部顺序采取分割式一块一块的开挖。随着喷锚支护的出现,使分部数目得以减少,并进而发展成新奥法(NATM)。常用施工方法有全断面法、台阶法、中隔墙法(CD法)、交叉中隔墙法(CRD法)、双侧壁导坑法、洞桩法(PBA法)等。在重庆地区,还有一种地域创新型工法,采用水磨钻机沿着边界线钻孔,再实施破岩开挖,笔者见时深感震撼。

3)顶管法(pipe jacking method

顶管法隧道与盾构法隧道类似,同样属于非开挖施工方式,其土层适应性不如盾构,但顶管施工场地较小,施工成本较盾构低,使其在电力隧道施工中也占有较大比重。顶管法隧道截面为圆形,其内径目前运用有3.0m3.5m。可放置电缆6~10回。

4)盾构法(shield method

盾构法隧道施工具有机械化程度高,施工速度快,质量有保障,安全性高,适用性广,对地面建筑影响少,有利于环保等优点。由于盾构机主体及盾构管片的制约,盾构法隧道截面为圆形,其内径目前运用有3~6m多种,可放置电缆8~14回。

明挖隧道与盾构、顶管隧道的不同之处主要在于明挖隧道一般截面为矩形,支架形状一般为直线,而盾构、顶管隧道需采用特制的弧形支架以适应电缆摆放及尽可能利用隧道内空间。在5.4m盾构隧道中,采用上下左右分隔形式,将隧道分隔为四个空间。采用此方式尽可能利用了隧道中部较大的空间;其次有利于不同电压等级的电缆分开安全运行。


二、盾构机类型划分

目前,市场上有很多不同种类的盾构机,划分类型的依据也有多种。如按掘削地层分类:硬岩盾构(又叫狭义的TBM)、软岩盾构、软土盾构和硬岩软土盾构。按掘土出土器械的机械化程度程度分类:人工挖掘式半机械掘削式机械掘削式等。按开挖面与作业室之间的隔板构造的不同,又可以分为:全敞开式、部分敞开式闭胸式三种。

闭胸式盾构机是当前最主要盾构机类型,工作面与盾尾之间设有一道压力墙,根据所使用的平衡介质不同,又将其细分为气压平衡(压缩空气)盾构机、泥水平衡式盾构机土压平衡式盾构机等。

盾构机分类原则:无论是那种盾构机或TBM,不管是圆形的方形的、单圆的多园的、人工的、机械的、半机械的等,它们都必须具备两种功能:①与围岩的主动土压和水压的平衡方式;②出土方式。


盾构作为一种保护人体和设备的护体,其外形(断面形状)随所建的工程要求不同有圆形、双圆形、三圆形、矩形、马蹄形、半圆形等。上海隧道工程股份集团针对城市下穿隧道应用过矩形顶管工艺,2014年成功实施在郑州红专路下穿中州大道工程中,为当时世界上最大断面的矩形顶管机,采用矩形顶管机,将大增效率,预计可节省2/3时间,与圆形断面相比,可使隧道的空间利用率提高近20%2016年,中铁装备生产了一台马蹄形盾构机准备实施蒙华铁路陕西白城隧道,为当时世界上最大断面的马蹄形盾构机。但总体而言,因圆形断面受力好、圆形盾构设备制造相对简单及成本相对低廉,绝大部分盾构还是采用圆形。

1)气压平衡式盾构机(Air Pressure Balance, APB——通过调节出泥舱的气压稳定开挖面,弃土以泥水方式排出,适用于黏土、黏砂土和多水松软地层。但当覆土层较浅,隧道工作面可能泄露空气,从而引起“喷发”的危险,工作条件也差,现已被泥水平衡式盾构取代。

2)土压平衡式盾构机(Earth Pressure Balance, EPB——通过调节出泥舱的土压力稳定开挖面,弃土可以从出泥舱排出,通过螺旋输送机调节平衡掌子面的水土压力。主要应用在黏稠的土层中,富含黏土、亚黏土或者淤泥质土,具有低渗性。也可以改变刀具布置,能适应中硬岩施工,需要适当使用泡沫和膨润土,地下水少时,还宜适量加入一些水改良渣土性质,便于螺旋输送机排土;

3)泥水平衡式盾构机(Slurry Pressure Balance, SPB——通过调节出泥舱的泥水压力稳定开挖面,弃土以泥浆方式排出。适用于淤泥质土、流塑性大黏性土、砂砾层、卵石砂层、砂砾与坚硬土互层等的多水地层。也可以更换刀具,切削岩石等,几乎能适用所有地层。

三、盾构施工工序与流程

建造工作井与盾构安装:在隧道的始端和终端开挖基坑或建造竖井,用作盾构及其设备的拼装井和拆卸井。将盾构机安装到井底,并装配相应的千斤顶。工作井的施工原理就是开挖一个基坑,这在房建地下室、地铁区站、桥墩基坑开挖中很常见,工作方法也类似。

盾构始发:在盾构开挖土层过程中,为了安全并减少对地层的扰动,一般先将盾构前面的切口贯入土体,然后在切口内进行土层开挖。在盾构起始段50~100m进行试掘进,根据监测结果,分析和调整盾构掘进推力、掘进速度、盾构正面压力及壁后注浆量和压力等施工参数,优化后续掘进阶段的施工参数和操作经验。

掘进:启动刀盘,开始旋转切削,渣土经粉碎后,与供浆管路输来的泥浆混合,借助排浆泵,从排浆管路一直送到地面泥水处理设备中。经过分离,固体颗粒排出,泥浆循环利用。盾构机尾部有一圈按圆周分布的液压千斤顶,千斤顶一端顶在管片侧面,一端顶在盾构机上,为盾构机提供前进推力。当始发掘进到50~60环时(提供摩阻力足够时),可拆除反力架和负环管片。

衬砌拼装:每掘进一定距离,停止掘进,逐个收回千斤顶。在盾构机尾拼装一环新的管片。管片是一个个扇形混凝土构件,6片正好拼成一个圆环,随着一环环管片的拼装,隧道逐渐建成。

壁后注浆:为防止地表沉降,必须将盾尾和衬砌之间的空隙及时压注充填。压注后还可改善衬砌受力状态,并增进衬砌的防水效果。

盾构接收与解体:在盾构达到接收井前100m时,应对盾构轴线进行复测和调整。盾构机必须从接收井中已预留好的密封洞口破土而出,整个隧道才能准确贯通。盾构主机到达接收工作井后,及时密封管片环与洞门间隙。盾构解体前,编制详细的解体方案,对各部件进行检查和标识,安全高效地实施解体作业。

盾构施工过程中综合管理系统和操作平台如3.13.2所示。


四、电力隧道盾构施工案例

案例一2012年,南京市雨花台区220kV雨花变-南站变电缆线路工程,由2个工作井、1条隧道段组成,沿途穿越农花河,河面宽25m,之后由绕城高速桥下桩间穿过,进入K15接收井。隧道段采用盾构法施工,全线长828m,坡度为1.7%,隧道转弯半径为360m

案例二20139月,北京市首条、全国第2500kV电缆线路——海淀500kV输变电工程电缆隧道是我国继上海之后的第2500kV电缆线路。电缆隧道6.41km,共分4个标段。施工路段地形复杂,多次上穿地铁段、下穿多条市政管线和高压架空线走廊。将已广泛应用于城市轨道交通建设的直径6m盾构机首次应用在北京市电力施工中,使用外径6m、厚度300mm管片。

案例三2014年,广州220kV航云输变电电缆隧道工程建设采用了江苏锐成机械有限公司生产的泥浓式推进盾构机(简称推盾机),可进行“小半径三维转弯”、可长距离推进施工等优势。后该公司在广州还成功实施了220kV永福输变电工程,采用推盾机,进行多处小转弯半径(R=80m)施工。在广州环西路电力隧道施工中最小转弯半径达到了R=30m

案例四2015年,上海市潘广路—逸仙路电力隧道全长约14.36km,其中顶管隧道9.27km、盾构隧道5.09km,沿线共设15座工作井。3号至4号工井之间全长788m的隧体顶管作业,隧道管材采用外径4140mm、内径3500mm的钢筋混凝土管,口径居全国之最;单管长度2.5m,平均每日可推进约15m

案例五2016816日,淮南-南京-上海1000千伏特高压交流输变电工程苏通GIL综合管廊工程在苏州开工。江中盾构隧道土建工程长度为5528.545米,其中盾构段5466.545米,江南盾构井32米、江北30米,管片外径11.6米。这是世界特高压输电首次采用盾构隧道过江。

北京已完成了上千公里的电力隧道建设(断面2.4m×2.6m2.0m×2.3m等),上海早在2014年之前就完成了20多条电力隧道建设,另外广州规划电缆地下廊道总长也达到了266.38km。内地省会城市如南京、长沙、重庆也都开始城市电力隧道建设。对于中小直径的隧道另外在水务、市政、城投等建设单位也有多个实施案例,总体上仍以明开挖、矿山法居多,但严重影响城市环境、地面交通和群众生活。顶管法也有广泛应用,但限于其转弯和抗地面变形能力较弱,施工不尽灵活。尽管目前盾构法因其工程造价并不低廉,但施工的安全性、环保性和系统性,在今后几年里随着城市“微血管”工程建设,势必迎来发展的高增长率,也一定程度可提高社会生产工业化、智能化发展。

 谢:本资料整理得到了诸多朋友的帮助,有朋友提供项目考察机会,有朋友提供了资料信息等。如:重庆建工集团110KV渝东西线改造工程项目部、武汉大学刘泉声课题组吴坚同学、江苏锐成机械有限公司、日本小松中国公司张球生、广州土木金建筑工程有限公司尚毅、上海宏诚市政工程有限公司、武汉在建地铁某标段盾构司机吴顺宇等。

版权说明:

l        文章内容和图片参考了网络资料和多本专著,因精力有限错误难免,并暂未列出所引用的原文,若有侵权和冒犯之处可提醒,亦可以来函索取资料目录。

l        本文为作者根据业务交流的资料总结原创,未经作者允许不得转发至其他平台。

l        联系人:陈仁全,314809035@qq.com



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1 尤明庆

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