电力管廊顶管施工杆塔保护方法探讨

卞茂斌

(无锡供电公司，江苏无锡214061)

地下电力管廊是提高土地利用率、改善电力供应可靠性的一项有效输电方式。由于较多为架空输电线路改建成地下管廊，因此，对施工区域内无法规避的运行电力杆塔的切实可靠保护，成为地下管廊施工的严重困难。结合管廊顶管的多处电力杆塔保护的施工经验，为类似工程施工提供实践借鉴。

1 项目概况

某电力管廊项目位于区域供电的变电所周边，为配合该区域商业地块建设开发，将现有和今后规划建设的220 kV电力架空线路入地敷设。工程布置在道路两侧绿化带内，从220 kV输电终端铁塔，用地下顶管连接至变电所附近，再用涵道接通变电所。设计规模为220 kV电力电缆九回。其路径示意如图1示。

图1 路径示意

1.1 工程地质水文

工程沿线地基地层土体分为11层：

1-1 层素填土（Q4ml）：为耕植土，以粉质黏土、黏土为主。平均厚度1.35 m。

1-3层淤泥（Q4ml）：流塑状态，工程性质极差。厚度：0.50～2.00 m。

2-1 层淤泥质粉质黏土（Q43（al+l））：流塑，含少量腐植物。平均厚度2.17 m。承载力fao=65 kPa，压缩模量Es1-2=4.0 MPa。

3-1 层黏土（Q43（al+l））：硬塑，含氧化铁、铁锰质结核。平均厚度3.82 m。地基土承载力fao=200 kPa，压缩模量Es1-2=8.0 MPa。

3-2 层粉质黏土（Q43（al+l））：可塑，含铁锰斑纹。 平均厚度1.37 m。地基土承载力fao=140 kPa，压缩模量Es1-2=6.0 MPa。

4-1 层粉土（Q42（al+l））：湿，中密，部分为细砂，含石英、云母碎屑。平均厚度6.10 m。承载力fao=140 kPa，压缩模量Es1-2=5.5 MPa。

4-1A 层淤泥质粉质黏土（Q42（al+l））湿，流塑，部分为细砂，含石英、云母碎屑。平均厚度1.48 m。承载力fao=80 Pa，压缩模量 Es1-2=3.5 MPa。

5层淤泥质粉质黏土（Q42al）：流～软塑，夹少量薄层粉土。平均厚度1.15 m。土承载力fao=100 kPa，压缩模量Es1-2=4.0 MPa。

6-1 层黏土（Q33（al+l））：硬塑，部分为粉质黏土，含氧化铁、铁锰质结核和高岭土。平均厚度4.45 m。承载力fao=260 kPa，压缩模量 Es1-2=8.0 MPa。

6-2 层黏土（Q33（al+l））：硬塑，含铁锰结核。 平均厚度4.45 m。承载力fao=300 kPa，压缩模量Es1-2=8.5 MPa。

7-1 层粉质黏土（Q33（al+l））：可塑。 该层钻孔未揭穿。地基土承载力fao＝110 kPa，压缩模量Es=7.0 MPa。

该项目的顶管工程埋深9～14.3 m，均在3-2层至5层土层中。地下水主要为松散土类孔隙水，稳定水位埋深为0.40～1.80 m，主要接受大气降水和地表水渗入补给，与地表水联系密切，以蒸发及向河道排泄为主要排泄方式。地下水位设计埋深取0.5 m。

1.2 工程分析

按照电力线路运行规程，输电线路路径边线两侧15 m为保护区域，是工程建设禁区。该项目施工区域与输电线路保护区多处重叠。顶管I～IV段工程，路径经过A-F（见图1）6基电力杆塔必需保护。根据以往经验和地质报告，预计顶管后杆塔沉降平均值大于150 mm，难于达到保护目的，需采取预加固措施。其中，A钢管塔为220 kV大转角塔，结构荷载大，顶管路径穿过塔基水平受压区，竖直距离小，沉降控制要求较高；B-F钢管塔为110 kV直线塔，结构荷载较小，顶管外边线与塔基最近点距离为-0.87～3.5 m，结构的竖直距离3.5～7.8 m，沉降控制措施困难相对较小。为此，分别对上述两类杆塔分别采取不同加固方案。

2 加固方案

2.1 A钢管塔

该钢管位于顶管I段区，钢管外径2.4 m，其基础为4层台阶重力式扩大基础，每层台阶高1.3 m，埋深4.75 m，底层台阶平面尺寸11.8 m×11.8 m，顶层台阶6.4 m×6.4 m。区间内采用直线顶管施工，D内＝2.4 m，壁厚 0.24 m，D外＝2.88 m。

2.1.1 加固计算

依据JGJ79—2002[1]。计算条件：选择高压旋喷桩的直径为D＝0.6 m，则桩的截面面积Ap＝0.2826 m2，桩的周长μp＝1.884 m，桩间距0.8 m，等边三角形排列。基础土层特征值如表1。

表1 钢管塔基础土层计算特征值

桩体单独承载的单桩竖向承载力Rkd1为：

式中：η为桩身强度折减系数，取0.33；fcu为桩身抗压强度平均值，取10 000 kPa。桩体和土体联合承载的单桩承载力Rkd2为：

式中：qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值；li为桩周第i层土的厚度；qp为桩端地基土承载力特征值，取260。经计算，Rkd1，Rkd2分别为 933 kN，1605 kN， 取其较小值，即单桩承载力Rkd=933 kN。

单桩承担的处理面积Ae为0.554 m2，单桩分担的处理地基面积的等效圆直径De为：

式中：a为布桩特征系数，等边三角形布桩a=1.05；s为桩间距。面积置换率m为：

则，复合地基承载力fspk为：

式中：β为桩间土承载力折减系数，取0.2；fsk为处理后桩间土承载力特征值，取140 kPa。计算得fspk=1697 kPa，加固后的土体复核地基承载力将近1700 kPa，可确保顶管施工对基础承载土体的沉降影响很小。

2.1.2 加固方法

采用D＝0.6 m高压旋喷桩[2]，等边三角形布桩，桩间距0.8 m×0.8 m，桩长15 m，共140根。加固范围长15.8 m，严禁接触碰撞基础；基础下部无法施工高压旋喷桩的区域，采用高压注浆加固，但是不影响基础运行[3]，加固面积15.4 m2，深度为基础底面以下6 m。加固平面如图2所示，立面布置和土层分布如图3所示。

图2 A钢管塔加固平面图

图3 A钢管塔加固立面和土层分布

2.1.3 主要施工参数

高压旋喷桩水泥为不低于42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比取1，水泥掺量取土天然重度的30%，喷浆压力为2.0 MPa，喷浆量100～150 L/min，气压0.7 MPa，风量 10 m/min，水压 30 MPa，水流量 80～120 L/min，提升速度6～10 cm/min。桩身垂直度不大于1/100，孔位偏差不大于50 mm。施工及质量符合JGJ 79-2002[1]和 JGJ 120-2012[4]。

2.1.4 施工检测

高压旋喷桩施工28 d后，钻孔取芯检查成桩的质量[5]，桩身无侧限抗压强度值应大于10 MPa，若不满足，应及时调整施工工艺后加密复喷。保养龄期到后，钻检桩体完整性，并检测注浆凝固体强度和变形性能。

2.2 B-F钢管塔

以C和F钢管塔为例，其他杆塔的加固方法类似。C和F钢管塔位于顶管IV段。C钢管塔为三级台阶扩大基础，基础底层平面尺寸3.4 m×3.4 m，埋深2.5 m。F钢管塔为三级台阶扩大基础，底层平面尺寸7.2 m×7.2 m，埋深3.0 m。

2.2.1 加固计算

采用液压注浆加固，加固后的土体复核地基承载力，经核算为130 kPa，达到天然黏土至粉质黏土的地基承载力水平，结合钢管塔下3～4 m厚的原状黏土持力层，可保证顶管施工对钢管塔的沉降影响较小。

2.2.2 加固方法

对顶管外边线两侧1.5 m范围内的土体进行液压注浆加固，注浆孔间距1 m，以提高土体的承载力，增大土体力学参数，减小顶管施工引起的土体沉降。C钢管塔土体加固如图4和图5所示，F钢管塔土体加固与此类似。

图4 C钢管塔加固平面图

2.2.3 主要施工参数

水泥浆采用42.5级硅酸盐水泥，水灰比取1，水泥浆塌落25～75 mm，黏度80～90 s，7 d抗压强度应为0.3～0.5 MPa，注浆流量 7～10 L/min，注浆压力 1～7 MPa。施工及质量符合相关规定。

2.2.4 施工检测

注浆凝固体强度和变形性能检测采用标准贯入试验、现场十字板剪切试验、静力轴探试验。

2.2.5 施工监测

注浆施工和顶管施工过程中，同步检测土体的隆起量和铁塔的沉降和倾斜度等。当观测值超过预警时应及时报告监理、施工单位及设计单位，采取相应保护措施。沉降监测的控制值与报警值如表2所示。

表2 沉降控制值与报警值

3 加固效果

图5 C钢管塔加固立面和土层分布

按上述施工方案实施加固施工及保养，结合工程进度要求，分别对加固区进行4 d，10 d和28 d保养龄期后的土体加固效果检测[6]，检测结果如下。

3.1 A钢管塔

28 d龄期后，高压旋喷桩区采用地探钻机随机钻芯取样，抽检桩体6根。实验室试验芯样，检测桩体搅拌效果和深度范围内的水泥含量。同时，对桩体芯样进行无侧限抗压强度试验，综合评定桩身质量。检测结果表明，芯样质地坚硬，水泥与土体搅拌均匀性良好，完整性较好，水泥含量高，桩端持力层为灰褐色可塑粉质黏土。检测无侧限抗压强度1.39～9.95 MPa，达到1700 kPa的设计要求。

3.2 C钢管塔

4d龄期后，在加固区注浆孔位之间静力触探机施钻静力触探孔，孔深11～11.5 m。检测结果表明，注浆加固对黏土和粉质粘土层的影响较小，但对粉土层强度的提高作用明显，推算28 d强度可达到160～170 kPa，可以达到设计的加固效果，达到控制顶管后地表浅层基础沉降。

3.3 F钢管塔

10 d龄期后，在加固区注浆孔位之间采用钻机施钻探孔，孔深均为10 m，重力动力触探试验和钻芯取土样目测鉴定相结合。 检测结果表明，注浆加固对粉质黏土层（3-2）的影响较小，对粉土（4）强度的提高作用明显，推算28 d强度可达到160～170 kPa，可以达到设计的加固效果，控制了基础的沉降。

4 顶管施工和沉降监测结果

4.1 A钢管塔

顶管I施工穿越A钢管塔加固区时，顶进速度受加固土体阻力影响，在顶力400 t不变的条件下，由原土区1.5 cm/min减缓为1.0 cm/min，穿越后恢复到1.5 cm/min，刀具磨损十分严重。

同时，A钢管塔基础4个角点的沉降监测记录显示，顶管穿越该区时，基础有明显沉降，最大累计沉降量为-19.65～-15.15 mm，满足基础的保护要求。

4.2 C和F钢管塔

顶管IV施工穿越F钢管塔基础加固区时，顶力450 t不变，顶进速度由5 cm/min减缓为4 cm/min，穿越后恢复到5 cm/min，顶管完成后刀具磨损轻微；穿越C钢管塔时，顶力725 t不变，顶进速度由5 cm/min减缓为3.5 cm/min，穿越后恢复到5 cm/min，刀具磨损也轻微。

F钢管塔基础在顶管穿越时有明显沉降，并在顶管穿越后持续沉降0.32～5.35 mm，累计沉降量稳定在-5.59～+2.12 mm的状态。C钢管塔基础在顶管穿越时沉降明显，最大累计沉降量-19.73～-9.13mm，并且在穿越后继续沉降0.47～0.84 mm，至累计沉降量稳定在-20.57～-9.74 mm。基本满足基础的保护要求。

5 差别性效果分析

5.1 地质条件

地质报告和相同顶进长度下的顶管顶力及顶进速度表明，顶管I段的地质工程特征比顶管IV段高50%左右，因此A钢管塔基础的地质条件比C和F钢管塔好很多。

5.2 基础受力状态

A钢管塔为双回路220 kV大转角塔，顶管穿越区处于其基础的集中受压区；而C和F钢管塔为单回路110 kV直线塔，顶管穿越区处于其基础侧边的均匀受压区。因此，A钢管塔基础的加固要求比C和F钢管塔高得多。

5.3 土体加固方法

A钢管塔基础加固采用高压旋喷桩工艺，可采用恰当措施，控制加固施工对基础下承载土层的扰动，效果良好。F钢管塔采用压密注浆工艺，为控制造价，施工方案限定了浆液渗透范围，加固施工扰动保护基础较明显抬升，减小了顶管穿越后的累计沉降量。同样采用压密注浆工艺的C钢管塔，由于加固区为地质软弱层，限定浆液渗透范围的措施的效果较差，加固施工对保护基础的抬升扰动不明显，累计沉降量较大。

6 结束语

保护基础沉降趋于稳定后，总沉降量基本到达设计限值，均达到了保护基础的目的。决定加固方法选择的主要因素为地质条件和基础受力。加固措施成功的五个主要因素为：选择有代表性的地质参数进行加固计算，精确分析和计算基础受力，规范化实施施工技术措施,检测确认加固施工效果，预先控制顶管穿越加固区施工参数，并在过程中及时调整。以上分析及保护方法的取用，对其他类似的大直径顶管施工中可能遇到的杆塔保护具有借鉴意义。

[1]中华人民建设部.JGJ79—2002建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]苏新法.高压旋喷桩在深基坑加固的应用[J].西部探矿工程，2010，4：29-30.

[3]李方楠，沈水龙，罗春泳，等.考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法[J].岩土力学，2012，33(1)：205-208.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ120—2012建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[5]中国工程建设标准化协会.CECS03—2007钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].

[6]王国英.注浆加固在顶管施工的应用[J].中国高新技术企业，2010（3）：155-156.