無錫市地鐵1號線工程沿蠡湖大道DN2200渾水管遷改方案研究

蔣智慧

（無錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇無錫214072）

1 沿蠡湖大道站點(diǎn)及區(qū)間設(shè)置概況

無錫市軌道交通1號線工程在線路南端主要沿蠡湖大道呈南北走向位于道路東側(cè)的綠化帶內(nèi)。線路由觀山路西端以300 m曲線半徑穿越順馳天鵝湖地塊后向南轉(zhuǎn)向蠡湖大道東側(cè)綠化帶內(nèi)，保持與蠡湖大道基本平行并于吳越路北側(cè)設(shè)置大學(xué)城站；線路繼續(xù)向南基本平行于蠡湖大道設(shè)置，在規(guī)劃震澤路南側(cè)綠化帶內(nèi)設(shè)置雪浪站，車站內(nèi)凈長度279 m，站后設(shè)出入場線連接雪浪停車場；雪浪站預(yù)留向南延伸條件，延伸線路同樣沿蠡湖大道東側(cè)設(shè)置于綠化帶內(nèi)，于停車場西側(cè)設(shè)置橫山站，站后延伸線路穿越蠡湖大道后轉(zhuǎn)向南泉。

線路由觀山路轉(zhuǎn)向蠡湖大道后直至大學(xué)城站區(qū)間盾構(gòu)隧道頂覆土厚度為15.8 m～8.7 m，盾構(gòu)區(qū)間主要穿越⑤層粉質(zhì)粘土層、⑥1層粘土層。大學(xué)城站為地下兩層車站，明挖順做法施工，車站底板埋深16.4 m，開挖深度范圍內(nèi)③3粉土夾粉質(zhì)粘土層對車站施工影響較大。大學(xué)城-雪浪站盾構(gòu)區(qū)間隧道頂覆土厚度為8.2 m～13.9 m，盾構(gòu)區(qū)間主要穿越③3粉土夾粉質(zhì)粘土層、⑤層粉質(zhì)粘土層、⑥1層粘土層。雪浪站為地下兩層車站，明挖順做法施工，車站底板埋深15.2 m，開挖深度范圍內(nèi)③3粉土夾粉質(zhì)粘土層對車站施工影響較大。出入場線采用明挖順做法施工，基坑深度15.2 m～1.2 m，出入場線由雪浪站后至接地點(diǎn)長度約為523 m。

2 沿蠡湖大道DN2200渾水管現(xiàn)狀

根據(jù)無錫華毅管道有限公司提供的資料，沿蠡湖大道東側(cè)綠化帶內(nèi)的DN2200渾水管為PCCP管材。

PCCP是一種預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，由預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼筒、混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，這種管材是在帶鋼筒的混凝土管芯上，環(huán)向纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，最后在管外部施噴水泥砂漿保護(hù)層而制成的，詳見圖1所示。PCCP接頭采用公差配合，采用鋼質(zhì)承口圈和插口圈，密封橡膠圈填充在凹槽內(nèi)，PCCP密封接頭形式見圖2所示。PCCP接頭是一種半剛性接頭，其接頭能夠轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，直徑2200 mm的管道允許相對轉(zhuǎn)角一般不超過0.5°。這種管材克服了鋼管的抗腐蝕能力差和混凝土管抗?jié)B能力差的缺點(diǎn)。

圖1 PCCP標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PCCP管密封接頭示意圖

根據(jù)無錫市自來水總公司介紹，DN2200渾水管一般要求管底鋪設(shè)200 mm厚的砂墊層，管頂覆土厚度要求大于800 mm。

軌道交通1號線在蠡湖大道段與道路東側(cè)的南泉水源廠渾水輸水管線平行并在其下方穿越。受影響的DN2200渾水管基本與蠡湖大道平行敷設(shè)于道路東側(cè)綠化帶內(nèi)，影響范圍從蠡湖大道北端觀山路開始一直到南端橫山路站后渾水管轉(zhuǎn)向道路西側(cè)為止，長度約3.6 km。

按照目前線路坡度，湖濱路站-大學(xué)城站區(qū)間盾構(gòu)隧道距離渾水管豎向凈距最小處約6.2 m，大學(xué)城站-雪浪站區(qū)間盾構(gòu)隧道距離渾水管豎向凈距最小處約4 m。盾構(gòu)區(qū)間與渾水管剖面關(guān)系見圖3所示。

表1為蠡湖大道東側(cè)渾水管情況匯總表。

表1 渾水管基本情況匯總表（單位：m）

3 沿蠡湖大道DN2200渾水管遷改方案

根據(jù)軌道交通1號線盾構(gòu)區(qū)間及車站與渾水管的相對位置關(guān)系，以及DN2200渾水管現(xiàn)狀，對軌道交通施工受到影響的渾水管進(jìn)行遷改，遷改方案一為渾水管整體遷移避開軌道交通1號線的施工影響范圍，遷改方案二為局部改遷，對車站范圍內(nèi)受到影響的渾水管進(jìn)行遷改，區(qū)間施工受到影響的渾水管進(jìn)行局部加固保護(hù)。

3.1 渾水管遷改方案一（整體遷移）

無錫市軌道交通1號線工程在蠡湖大道段設(shè)計(jì)與南泉水源廠渾水輸水管線DN2200 PCCP管平行并在其下方穿越，軌道交通對渾水管的影響主要有以下幾點(diǎn)：

（1）地鐵隧道在管線下方穿越，可能造成管線基礎(chǔ)下沉變動(dòng)或撓動(dòng)，進(jìn)而造成管線局部下沉或移位，一般管節(jié)接頭相對轉(zhuǎn)角超過0.5°時(shí)就會(huì)產(chǎn)生管線輸水的漏水或脫節(jié)。

（2）供水管線鋪設(shè)好后在輸水過程中隨著管線內(nèi)水壓的變化而產(chǎn)生的流量變化而引起管線的震動(dòng)和抖動(dòng)。該管線設(shè)計(jì)的工作壓力為1.0 MPa，壓力較高，引起的震動(dòng)和抖動(dòng)主要靠管線周圍的土和管外水泥砂漿保護(hù)層之間的摩擦來穩(wěn)定管線，管線的大彎管部位由于側(cè)向推力需靠管線安裝時(shí)澆注的混凝土支墩來穩(wěn)定。由于地鐵隧道在管線下方平行穿越，地鐵隧道施工，以及地鐵列車高速運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，同時(shí)地鐵施工過程中如果遇到管線基礎(chǔ)下沉，可能會(huì)使管線周邊的土及彎管處的支墩松動(dòng)，給管線在輸水過程中產(chǎn)生的震動(dòng)擴(kuò)大了空間，給管線的穩(wěn)定帶來嚴(yán)重的影響，在管線輸水產(chǎn)生的振動(dòng)及地鐵運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)共同作用下，供水管線處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。

（3）地鐵運(yùn)行一般為電力驅(qū)動(dòng)，除了雜散電流會(huì)對PCCP管材內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕外，正常運(yùn)行的電流磁力線也會(huì)在預(yù)應(yīng)力鋼絲中感生出電勢差，從而產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，大大縮短供水管線的使用壽命。

綜合以上幾點(diǎn)，在地鐵施工和運(yùn)行過程中對DN2200 PCCP管線的安全運(yùn)行將帶來很大的影響，輸水管線一旦發(fā)生漏水事故，會(huì)影響到無錫市的供水安全和地鐵施工和運(yùn)營的安全。無錫華毅管道有限公司建議地鐵隧道與DN2200 PCCP管道的水平距離應(yīng)保持大于50 m，以保證地鐵隧道與輸水管各自都能安全運(yùn)行。因此，對整個(gè)蠡湖大道東側(cè)綠化帶內(nèi)的DN2200渾水管作了了整體遷移方案。

整體遷移方案介紹如下：

將橫山站至觀山路之間的蠡湖大道東側(cè)現(xiàn)狀DN2200渾水管遷移至蠡湖大道西側(cè)綠化帶內(nèi)；新排管線管位原則上距蠡湖大道最西側(cè)管線凈距不小于4 m；新排管線距車站出入口結(jié)構(gòu)外墻凈距不小于5 m；部分路段穿越現(xiàn)狀重要道路采用頂管施工；管線轉(zhuǎn)彎角度不大于30°，局部路段采用連續(xù)彎頭設(shè)計(jì)；對于兩次斜穿蠡湖大道的一路DN2000管，由于未影響站點(diǎn)，故這次未進(jìn)行遷改；該方案涉及一處民房拆遷，面積160 m2。整體改遷長度約3 596 m。

3.2 渾水管遷改方案二（局部遷移）

開挖引起的地層損失和隧道周圍地層受到撓動(dòng)或剪切破壞的再固結(jié)是管線產(chǎn)生變形和位移的根本原因。在地鐵隧道建設(shè)中，地下管線因周圍土體受到施工撓動(dòng)引起管線不均勻沉降和水平位移而產(chǎn)生附加應(yīng)力，同時(shí)管線的剛度又遠(yuǎn)大于土體，必然會(huì)對周圍土體的移動(dòng)產(chǎn)生抵抗作用。當(dāng)隧道掘進(jìn)方向平行于管線延伸方向時(shí)，對管線的影響主要表現(xiàn)為周圍土體對管線的軸向拉壓作用；當(dāng)隧道掘進(jìn)方向垂直于管線延伸方向時(shí)，對管線的影響主要表現(xiàn)在管線周圍土體的縱向位移引起管線彎曲應(yīng)力的增加及接頭轉(zhuǎn)角的增大。而管線對土體移動(dòng)的抵制作用主要與管線的管徑、剛度、接頭類型及所處位置有關(guān)。臨近施工的管線，為了確定施工過程中采用何種相關(guān)措施確保管線安全，必須對已有的地下管線受施工影響產(chǎn)生的變形和受力狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。目前預(yù)測方法主要有解析法、數(shù)值模擬法和土工離心模型試驗(yàn)法。其中數(shù)值模擬法能夠較為方便地考慮隧道開挖引起的地層變形與管線的相互作用，得到較為滿意的結(jié)果。盾構(gòu)開挖面到地下管線不同距離對地下管線的影響是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，盾構(gòu)推進(jìn)過程中，注漿壓力、注漿量、注漿漿液強(qiáng)度變化都會(huì)對地下管線位移產(chǎn)生影響。

為了考慮盾構(gòu)推進(jìn)對渾水管的影響，分別計(jì)算了渾水管與隧道凈距6.2 m及4 m的情況下，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工引起渾水管的沉降量。

3.2.1 凈距6.2 m（隧頂覆土11 m）情況

（1）施工右線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降22.71 mm（管底處），地面沉降20.37 mm；施工左線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降達(dá)到29.82 mm（管底處），地面沉降30.09 mm。

（2）對隧道周圍土體考慮加固效果，渾水管周圍土體進(jìn)行加固，施工右線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降9.53 mm（管底處），地面沉降8.51 mm；施工左線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降11.41 mm（管底處），地面沉降11.92 mm。

3.2.2 凈距4 m（隧頂覆土11 m）情況

（1）施工右線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降23.76 mm（管底處），地面沉降20.83 mm；施工左線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降30.56 mm（管底處），地面沉降30.17 mm。

（2）對隧道周圍土體考慮加固效果，施工右線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降10.01 mm（管底處），地面沉降8.53 mm；施工左線隧道完成時(shí)，渾水管最大沉降11.71 mm（管底處），地面沉降11.93 mm。

軌道交通運(yùn)營期間對渾水管的影響可以通過軌道減震措施、設(shè)計(jì)中采取良好的防止雜散電流的措施等手段來減少地鐵對渾水管的振動(dòng)影響和電化學(xué)腐蝕作用。

局部遷移方案介紹如下：

橫山站至雪浪站之間(包括車站及區(qū)間)的蠡湖大道東側(cè)現(xiàn)狀DN2200渾水管均不具備加固保護(hù)條件，故將該段遷移至蠡湖大道中分帶內(nèi)，新排管線穿越地下通道、河道等均采用鋼管（由于震澤路下穿蠡湖大道，故設(shè)計(jì)要求震澤路下立交頂板覆土不小于3.5 m），該段遷移長度約1 815 m；雪浪站至大學(xué)城站區(qū)間的現(xiàn)狀DN2200渾水管擬進(jìn)行加固保護(hù)，不進(jìn)行遷改；大學(xué)城站段現(xiàn)狀DN2200渾水管遷改至蠡湖大道東側(cè)輔道內(nèi),該段遷移長度約216 m；大學(xué)城站以北至觀山路區(qū)間段現(xiàn)狀渾水管擬進(jìn)行加固保護(hù)，不進(jìn)行遷改；個(gè)別路段角度過大時(shí)，擬采用連續(xù)彎頭設(shè)計(jì)，并加設(shè)止推樁。

大學(xué)城站以北至觀山路區(qū)間段現(xiàn)狀渾水管加固保護(hù)措施如下：渾水管中心線兩側(cè)各3 m范圍內(nèi)管底土采用雙液注漿加固，加固深度3 m；右線盾構(gòu)隧道采用二次注漿加固隧道上半圓外側(cè)土體，加固土層厚度為徑向3 m；同時(shí)盾構(gòu)施工過程中需控制好掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)監(jiān)測以反饋設(shè)計(jì)與施工。加固土體強(qiáng)度要求qu[28]＞1.0 MPa，滲透性系數(shù)K＜10-7cm/s。該段加固保護(hù)長度約為350 m。

雪浪站至大學(xué)城站區(qū)間的現(xiàn)狀渾水管加固保護(hù)措施如下：渾水管中心線兩側(cè)各3 m范圍內(nèi)管底土采用雙液注漿或水泥漿液注漿加固，加固深度3 m；右線盾構(gòu)隧道采用二次注漿加固隧道上半圓外側(cè)土體，加固土層厚度為徑向3 m；同時(shí)盾構(gòu)施工過程中需控制好掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)監(jiān)測以反饋設(shè)計(jì)與施工。加固土體強(qiáng)度要求qu[28]＞1.0 MPa，滲透性系數(shù)K＜10-7cm/s。按照盾構(gòu)隧道與DN2200渾水管凈距小于4 m則采用雙液注漿加固。該區(qū)段采用雙液注漿加固的長度約為250 m；采用水泥漿液注漿加固的長度約為600 m。

注漿加固保護(hù)示意圖如圖4所示。

圖4 注漿加固保護(hù)示意圖(單位：mm)

4 渾水管遷改方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

從技術(shù)可行性來講，整體遷改方案和局部遷改加局部保護(hù)方案都是可行的，整體遷改方案需在軌道交通施工之前盡早完成整體遷改管線敷設(shè)，并投入使用，原水管廢棄，但在與地鐵施工沖突的區(qū)段需要將廢棄渾水管挖除，整體遷改工程量較大，工期較長，會(huì)在一定程度上影響到軌道交通的建設(shè)工期；局部遷改加局部保護(hù)方案同樣需要提前完成管線遷改，但是局部遷改的工程量較小，工期較短，可為車站的提前施工創(chuàng)造條件，在進(jìn)行車站施工的同時(shí)再進(jìn)行局部加固保護(hù)施工，對軌道交通的建設(shè)工期影響較小。

從經(jīng)濟(jì)上對兩個(gè)方案進(jìn)行比較如下。

方案一：整體遷改總長度約為3 596 m，據(jù)自來水總公司提供的整體改遷費(fèi)用1.1萬元/延米，渾水管遷改費(fèi)用為3 955.6萬元；遷改涉及到一處2層樓房的拆遷，按照0.5萬元/m2，房屋面積為320 m2，拆遷費(fèi)用為160萬元。方案一的總費(fèi)用約為4 115.6萬元。

方案二：局部遷改總長度約為2 031 m，據(jù)自來水總公司提供的局部改遷費(fèi)用1.5萬元/延米，渾水管遷改費(fèi)用為3 046.5萬元；雙液注漿加固費(fèi)用按照480元/m3計(jì)算，水泥注漿加固費(fèi)用按照270元/m3計(jì)算，根據(jù)局部保護(hù)方案涉及到雙液注漿量為5 460 m3，水泥注漿量為26 200 m3，注漿加固保護(hù)費(fèi)用約為969.5萬元。方案二的總費(fèi)用約為4 016萬元。

方案一的估算總費(fèi)用比方案二的總費(fèi)用多99.6萬元。

5 建議

根據(jù)以上分析所述，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。

如果考慮到軌道交通建設(shè)工期較緊而采用方案二時(shí)，必須實(shí)行以監(jiān)測反饋為基礎(chǔ)的信息化設(shè)計(jì)與施工。目前，對盾構(gòu)距離大直徑管線近距離施工，在現(xiàn)在的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)條件下，必須實(shí)行信息化施工，要把盾構(gòu)施工參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化和監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)緊密地結(jié)合起來，隨時(shí)根據(jù)反饋信息調(diào)整優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)；必須有合理的輔助技術(shù)措施，包括注漿加固等其它一些技術(shù)措施。通過軌道減震措施、設(shè)計(jì)中采取良好的防止雜散電流的措施等手段來盡量減少地鐵對渾水管長期的振動(dòng)影響和電化學(xué)腐蝕作用。

如果從盡量避免以后軌道交通運(yùn)營對管線的長期影響來考慮而采用方案一時(shí)，則需要盡快摸清蠡湖大道西側(cè)的管線敷設(shè)條件，以及房屋拆遷的可操作性，以便渾水管遷改工程盡早開工，為無錫市軌道交通1號線的開工作好充分準(zhǔn)備。