电力隧道施工工艺及其适应性分析

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  摘要:文章论述了电力隧道不同施工工艺的特点及其适应性;针对电力隧道路径不同的具体情况采用合适的施工工艺可以达到安全、快捷、对周边影响小、综合造价低的效果。
   关键词:电力隧道;明挖;顶管;矿山法;盾构
  
   近年来,国内多个城市的建设规模随着经济的腾飞不断扩大和深入,其中高压电力线路下地受到政府和市民越来越多的重视;电力隧道采用埋置地下的方式对城市景观、地面、地下空间利用及电力线路的运营及管理都有很直接明显的作用。现对电力隧道(主要是4米左右直径)施工工艺进行总结分析。
   电力隧道施工工艺的选择,主要根据工程地质条件、水文地质条件、隧道埋深大小、隧道断面形状及尺寸、施工技术条件和施工技术水平及工期要求等诸多因素综合确定。下面简单论述几种可适用于本工程施工的施工技术及其主要的优缺点。
   一、明挖法
   明挖法是浅埋隧道比较常用的施工方法,包括明挖现浇隧道和明挖预制隧道,预制隧道结构可以是分段整体预制结构,也可以是分段拼装结构。
   (一)明挖法的主要优点
   1.施工简单:只涉及常规的技术问题,设计和施工都相对简单;施工技术和工序较简易、施工管理较简单,所需的设备较少、较简单,对施工队伍技术水平要求也相对较低。此外,还便于进行施工监理、安全监测和质量检验。
   2.施工效率高:可以在多个作业面同时进行,容易实行“兵团式”作业,有较高的施工速度和效率,施工工期短。
   3.对地质条件的适应性较强:采用机械或人工开挖,可适应各种地层条件,包括各种土质和岩质地层。
   4.施工安全容易保证:可以露天作业,有良好的通风条件,同时容易觉察施工险情,并便于人员和设备疏散,容易保证施工人员和设备的安全。
   5.施工成本相对较低:由于施工较简单,施工效率较高;对于普通地层开挖支护要求较简单。因此,综合施工成本比较低。
   (二)明挖法的主要缺点
  1.对环境安全有较大的影响:将产生较大的地层变形,对邻近既有管线、地下设施和建筑物的安全构成较大的危害;同时,施工引起的地面沉降较大,容易引起路面损坏。
  2.对交通干扰大:占用道路,通常進行封路施工,造成交通堵塞或需要改道行驶,对交通的干扰很大。
  3.受施工环境的限制:难于穿越建筑物和管线密集区,不能穿越建筑物,同时管线的覆盖阻碍了明挖施工,因此受到环境条件的严格限制。
  4.受埋深的限制:随着隧道埋深的增大,开挖支护结构的要求提高,施工技术的复杂性和难度增加,对施工环境安全的影响也增大,通常需采取辅助技术方法。因此综合成本随隧道埋深的增大而增加,一般采用明挖施工的隧道埋深限制在7.0m以内。
  5.对环境的破坏:需开挖路面、破坏绿化植被,影响城市的文明和景观。同时道路恢复后的路面状况劣化、耐久性降低,绿化恢复成本也较高。
  6.对环境干扰大:施工噪音较大,容易造成施工扰民。此外,施工可能造成一定的环境污染。
   二、矿山法
   矿山法是在长期的矿山开采中发展起来的一种“暗挖”隧道施工方法。传统的矿山法以木材、钢构件等作为临时支撑,待隧道开挖成型后,逐步将临时支撑撤换下来,而代之以整体式厚衬砌作为永久支护的施工方法,基本原则是“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”。木构件支撑由于其耐久性差和对坑道形状的适应性差,支撑的撤换较麻烦和不安全,且对围岩扰动较大,因此,目前已很少采用。钢构件支撑可采用装配式结构重复使用,具有较好的耐久性及对坑道形状较好的适应性,并且更加安全可靠。由于传统矿山法临时支撑存在的一些缺陷,对地质条件的适应性比较有限,因此,在一定的程度上限制了它的发展和应用。随着科学技术的进步,在传统的矿山法基础上已发展了管棚支护和锚杆支护的矿山法以及新奥法,这些新技术的应用使隧道施工技术的适应性、安全可靠性大大提高,并产生明显的技术效益。根据本工程的具体特点,这里所指的矿山法,包括喷锚支护(新奥法)现浇、管棚支护和锚杆注浆支护现浇隧道施工方法。
   (一)矿山法的主要优点
   1.受施工环境条件的限制小:矿山法采用“暗挖”的施工方法,隧道能穿越建筑物和管线密集区,受地面的环境条件的限制和影响小。
  2.施工环境的安全性较高:与明挖法相比,矿山法引起的地层变形和地面沉降较小,尤其当隧道埋深较大时,对浅埋的管线、地下设施和建筑物的安全危害小,因而施工环境的安全性较高。
  3.对地层条件变化的适应性较好:矿山法遇到不同的地层条件时,可采取不同的相应辅助技术,对围岩(土)进行加固、防水处理等,使隧道能穿越各种变化的地层,因而受地层条件变化的影响小。
  4.对交通的干扰小:对于埋深较大的隧道采用矿山法“暗挖”施工,不影响地面的车辆通行;当隧道埋深较小时,采用“早强”混凝土浇铸隧道结构,隧道作业面正上方道路在1-2天后可以行车,因而施工对交通的干扰小。
  5.对周围环境的影响小:矿山法不开挖地面,不破坏绿化植被,无噪音干扰,施工沿线无污染物排放,因此对施工的周围环境的影响小。
  6.综合成本较低:矿山法所需的设备较简单,施工效率较高,与盾构法施工相比,综合施工成本较低。
   (二)矿山法的主要缺点
  1.施工设计复杂:矿山法隧道设计采用动态设计理论,计算分析复杂;需要对不同工序、不同地层条件进行分析,工作量大;要求设计人员具有丰富的设计经验和较高的设计水平。
  2.施工技术复杂:施工过程需根据地层和地下水的变化情况,对围岩的变形性质、稳定性作出判断,灵活采用不同的施工措施,包括围岩超前支护、涌水处理、支撑加固、开挖方法等,所涉及技术多而复杂。
  3.施工工序复杂:矿山法施工工序随地层条件的变化而不同,涉及的工序包括锚杆施工、钢筋网混凝土喷射施工、超前支护施工、灌浆施工、内衬砌混凝土浇铸等。
  4.施工管理复杂:由于施工技术和工序复杂,同时需要各种技术方法和工序之间相互配合与协调,因此需要对人员配备、设备及材料供应、质量管理、各工序衔接制定详细的计划,任一环节的疏忽都可能影响施工质量和施工安全。因而需要严格的施工管理,保证施工组织计划的严格实施。
  5.施工监测要求高:矿山法施工的关键手段是实施信息化施工方法,而施工监测是提供施工信息的唯一方法,提供信息的及时性、有效性和可靠性直接影响施工质量和施工安全,因此对施工监测的方法、内容、仪器和数据处理都有严格的要求。
   三、顶管法
  顶管法是继盾构法之后发展起来的一种地下管道施工方法。它利用岩土掘进手段在不开挖地表的情况下完成一段管线的铺设施工,是一种具有环保功能的施工技术。过去,由于顶管施工技术较复杂而只作为一种特殊的施工手段,应用不大广泛。现在,顶管作为一种常规施工方法已被业主所接受。尤其在现代城市中要求实行文明施工,减少施工对交通、环境的影响,明挖的管线施工受到很大的限制,从而推动了顶管法的广泛应用。随着技术的发展,顶管法施工管线的口径越来越大,施工距离越来越长,并随着城市建设的发展已越来越普及,应用的领域也越来越广泛。
   顶管法的工作原理是:先在管道设计路线上,建造一定数量的小基坑用作顶管的工作井,并作为一段顶管的起点与终点。在工作井的一面或两面侧壁凿出圆孔作为预制管节的进口或出口,孔口对面侧墙为顶推预制管节的承压墙。通过孔口由安装在承压墙上的液压千斤顶和承压垫板把带有切口和支护开挖外壳的工具头水平地顶入土层中,然后以工具头为先导,将预制管节按设计轴线逐节顶入土层中,直至工具头后的第一段管节前端进入下一工作井的出口而完成两个工作井之间的管道铺设。
  顶管法的应用范围最早主要用于下水道的施工,近年来,越来越广泛地应用于自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆等管道工程中。特别是当管线穿越铁路、公路、建筑物、河流、湖泊等不宜或难于明挖施工的情况下,采用顶管法具有明显的技术和经济优势。目前,顶管施工一次铺设管线距离(即两工作井之间的距离)可达500m,甚至更大,管径可达4.0m以上,在城市的大型长距离给排水管线、电力电缆隧道等重大建设项目中已有许多的工程应用实例。
   (一)顶管法的主要优点
  1.施工自动化程度高:集开挖、支护、推进、衬砌、出土等各种工序于一体,施工过程一气呵成,自动化程度很高,具有较高的施工效率。
  2.受施工环境条件的影响小:顶管法属于“机械暗挖”施工方法,隧道能穿越建筑物和管线密集区,受地面的环境条件的限制和影响很小。
  3.施工环境的安全性高:顶管施工过程,围岩的开挖和支护是同步的,施工引起的周围土层的变形小,对地下管线、邻近设施和建筑物的安全影响小。
  4.对地质条件变化的适应性强:只要合理地选用顶管工具头,隧道可穿越各种变化的地层,因而顶管隧道施工方法对地层条件变化具有很强的适应性。
  5.对交通的影响小:顶管施工除了每隔500m左右需建造工作井和接收井,在地面开挖占用小块场地外,在施工沿线不作地面开挖,只要合理地选择工作井和接收井的位置,施工对交通的影响不大。
  6.无噪音、无污染:顶管施工沿线无噪音、无污染;同时,地表的绿化植被可完好地保护,因此,顶管法是一种具有环保功能的施工技术。
   (二)顶管法的主要缺点
  1.受线路平滑度的限制:采用顶管法施工时,由于受工具头摆动角度的限制,要求管线比较平直,在水平面和垂直平面内的曲率半径一般要求大于100-150m。
  2.施工设备较昂贵:顶管工具头集机械、电子、测量、导向、自动控制于一体,设备较复杂、价格较昂贵。
  3.综合成本较高:由于顶管的施工设备较昂贵,设备分摊费用较高,在一般情况下,综合成本较高。
  4.受管道口径变化的限制:受工具头固定直径的影响,一种工具头只能用于一种口径的管线施工,管线的口径变化时,必须相应更换工具头,由此将增加施工成本。
   四、盾构法
   盾构法的工作原理、施工过程包括施工的工序、工艺等,甚至施工设备都与顶管法非常相似。在工作原理上,盾构机的推进是依靠支顶在管片环向均匀分布的千斤顶的推力,而顶管机的推进是依靠工作井后座上的千斤顶和中继环千斤顶的推力;在工序上,盾构法增加了盾构机尾部的管片拼装和管片周围的注浆;同时,盾构法的隧道直径更大,设备更加昂贵,施工对地层的扰动、变形相对较大,对周围环境的安全的影响也相对更大。
   (一)盾构法的主要优点
   1.施工自动化程度高:集开挖、支护、推进、衬砌、出土等各种工序于一体,施工过程一气呵成,自动化程度很高,具有较高的施工效率。
  2.受施工环境条件的影响相对小:盾构法属于“机械暗挖”施工方法,隧道能穿越建筑物和管线密集区,受地面的环境条件的限制和影响较小。
  3.施工环境的安全性高:盾构施工过程,围岩的开挖和支护是同步的,施工引起的周围土层的变形较小,对地下管线、邻近设施和建筑物的安全影响较小。
  4.平面及剖面可方便设置半径较小的曲线,同时对地质条件变化的适应性很强,只要合理地选用盾构工具头,隧道可穿越各种变化的地层,因而盾构隧道施工方法对隧道走向及地层条件变化具有很强的适应性。
  5.对交通的影响小:盾构施工单从工艺上来讲,盾构始发井与盾构吊出井之间间距可以达到10公里而不需要中间工作井;因此电力隧道只需要根据通风的需要大约每500米设置一个盾构过井用作通风,除盾构过井在地面开挖占用小块场地外,在施工沿线不作地面开挖,只要合理地选择工作井的位置,施工对交通的影响不大。
  6.无噪音、无污染:盾构施工沿线无噪音、无污染;同时,地表的绿化植被可完好地保护,因此,盾构法是一种具有环保功能的施工技术。
   (二)盾構法的主要缺点
  1.施工设备非常昂贵, 综合成本较高:盾构工具头集机械、电子、测量、导向、自动控制于一体,设备较复杂、价格较昂贵;特别是4米的非标准口径盾构工具头需要定制,在无成熟市场的情况下单位长度的电力隧道工具头摊销费用巨大。
  2.受管道口径变化的限制:受工具头固定直径的影响,一种工具头只能用于一种口径的管线施工,管线的口径变化时,必须相应更换工具头,由此将增加施工成本。
   因此,盾构法与顶管法具有基本相同的优缺点和适应性,只不过盾构法在适应性更强的情况下设备更复杂、价格更昂贵、施工成本更高。
   五、各种施工方案的综合比较
   各种施工方案技术、经济对比表
  施工方案 明挖法 矿山法 顶管法 盾构法
  主要优点 施工简单、安全、效率高、适应性强、成本低 不受施工环境条件限制、安全、适应性强 自动化程度高、对周围环境影响小、安全性高 自动化程度高、施工安全性高、隧道管径大;平、剖面及地层适应性更强,可减少工作井。
  主要缺点 对周围环境及交通影响大 施工设计、施工技术、施工工序、施工监测复杂 受线路平滑度限制,综合成本较高 工具头成本巨大
  综合单价(元/米) 18000 25000 23000 32000
   注:经济成本与所采用的施工方法、施工的环境条件、尤其是地层的地质条件等因素有密切的关系,由于目前暂时没有详细的地质勘察资料,难于给出较准确的施工成本估计。以上数据仅根据所收集的资料及以往的工程经验所得。
   按照上述的分析,各种工艺均有各自的特点和适应性,具体的工程设计中必须全面分析具体情况,选用最合适的工艺进行施工。
  
  参考文献
   [1]盾构法隧道施工与验收规范(GB 50446-2008).
   [2]顶管施工及验收规范(试行).中国非开挖技术协会.2006.
   [3]铁路隧道设计规范(TB10003-2005).
   [4]建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99).
  
  
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