盾構(gòu)隧道下穿既有DN1400給水管保護(hù)方案

陳雪虎

摘 要：隨著我國(guó)城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵隧道施工下穿地下管線的情況變的越來越常見。其中一些管線關(guān)系到城市居民生活且管徑較大、修建年代久遠(yuǎn)，一旦隧道施工造成管線破壞，將會(huì)帶來極為嚴(yán)重的影響。本文以鄭州地鐵2號(hào)線01標(biāo)廣播臺(tái)站～新龍路站區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為背景，針對(duì)鄭州富水砂層地質(zhì)，分析了盾構(gòu)隧道下穿DN1400給水管施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出了盾構(gòu)穿越管線的有效控制措施，并進(jìn)行了對(duì)比分析，為工程的順利進(jìn)行提供了參考與保障。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；既有管線；風(fēng)險(xiǎn)分析；保護(hù)措施

0 引言

隨著我國(guó)城市地下空間開發(fā)的不斷發(fā)展， 盾構(gòu)法作為一種施工工藝正在越來越多的應(yīng)用于隧道建設(shè)。城市軌道交通隧道大多沿城市主干道敷設(shè)，盾構(gòu)施工中將不可避免下穿市政管線，如地下電纜、自來水管、燃?xì)夤堋⒌叵挛鬯艿?。由于盾?gòu)掘進(jìn)特點(diǎn)，推進(jìn)過程中不可避免的會(huì)使地面出現(xiàn)沉降（或隆起），并且對(duì)周圍土層產(chǎn)生擾動(dòng)。特別是地下帶壓管線對(duì)隧道施工中的地層沉降控制要求非常高，管線的破壞對(duì)周邊環(huán)境的安全講造成極其惡劣的影響。如何順利穿越地下帶壓管線，以避免造成重大事故，這在盾構(gòu)隧道施工過程中是較棘手也是必須妥善處理的問題之一。

對(duì)工程范圍內(nèi)的既有地下管線， 一般采取拆改、遷移等方式， 但當(dāng)?shù)叵鹿芫€為大直徑自來水管、高壓輸變電電纜或次高壓燃?xì)夤芫€時(shí)， 由于與居民正常生活關(guān)系密切而無法拆改時(shí)， 只能對(duì)其進(jìn)行加固處理[1] 。本文以鄭州市軌道交通2號(hào)線一期工程廣播臺(tái)站～新龍路站區(qū)間隧道下穿既有DN1400給水管為例，模擬盾構(gòu)施工過程，分析了盾構(gòu)施工對(duì)管線的影響，并提出合理的給水管保護(hù)方案，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

廣播臺(tái)站～新龍路站區(qū)間大體呈 “L”形，區(qū)間線路從廣播臺(tái)站出發(fā)，下穿白馬路、杭州路后轉(zhuǎn)向東南，而后下穿賈魯支河，沿著花園路的方向向南穿越龍亭路、新龍路及柳林路后到達(dá)新龍路站。線路右線全長(zhǎng)1399.875m，左線全長(zhǎng)1396.603m。廣新區(qū)間左線隧道在里程ZDK11+046.9～ZDK11+262.0段215.1m隧道長(zhǎng)度范圍內(nèi)下穿DN1400給水管線，管線平均埋深2.89m，與隧道頂部距離在6.9m～12.2m之間。區(qū)間隧道上部覆土主要為：1-1填土、2-1粉土、2-2粉砂、2-3細(xì)沙、2-4粉質(zhì)粘土、3-2粉質(zhì)粘土，隧道洞身穿越范圍為全斷面4-3細(xì)砂層，局部隧道上方含有少量3-2粉質(zhì)粘土層，DN1400自來水管線位于2-2粉砂層、2-3細(xì)砂層、2-4粉質(zhì)粘土層中。細(xì)勘察所揭露的地下水水位初見水位埋深為3.5～5.8m，穩(wěn)定水位埋深為4.0～6.3m，地下水年變幅2.0m。左線盾構(gòu)掘進(jìn)至801環(huán)開始斜穿DN1400自來水管線（斜穿距離從隧道中心線到管線邊線9m開始計(jì)算），905環(huán)出DN1400自來水管線。DN1400給水管（源水管）與隧道位置關(guān)系二者相互位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及材料力學(xué)參數(shù)

（1）工程地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，三個(gè)區(qū)間盾構(gòu)穿越及上覆土層主要為：1-1雜填土、2-1粉土、2-3細(xì)沙、3-2粉質(zhì)粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3細(xì)沙層，土層分布及各層土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

（2）工程水文情況

本工程地表水主要來自大氣降水，降落后的雨水沿地面往地勢(shì)低處流入鄭花路西側(cè)排水溝。

勘察場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地下水類型為第四系潛水。第四系沖積～洪積（4-2）粉砂及（4-3）細(xì)砂為主要含水層，（4-2）粉砂及（4-3）細(xì)砂粘粒含量較低，富水性強(qiáng)，透水性好，滲透系數(shù)為6～18m/d；沖洪積土層飽水性好，其透水性弱。

3 計(jì)算模型的建立與結(jié)果分析

在數(shù)值模擬中，計(jì)算范圍和邊界條件的確定是至關(guān)重要的。計(jì)算范圍和邊界條件不合適時(shí)，會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文采用的是三維計(jì)算模型，計(jì)算范圍具體確定為：水平方向上，向隧道洞壁左右各取 3～5D；豎直方向上，上取至地表， 向下取至距隧道底壁 3～5D 范圍；隧道的開挖方向上，取 5～10D的范圍。邊界條件按一般有限元數(shù)值分析考慮， 模型兩側(cè)設(shè)置水平桿支座，限制其水平方向上的位移；底部設(shè)置豎向桿支座，限制其豎向位移；模型前后面設(shè)置垂直于面的支座，限制其在開挖方向上的位移；地表面為自由面。

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

（1）管線的位移分析

針對(duì)混凝土給水管線所建模型模擬開挖完成后的結(jié)果進(jìn)行位移分析，如圖4、圖5所示。其中，圖4為地層豎向變形云圖；圖5為地層變形矢量圖；圖6為不同材質(zhì)管線豎向變形圖；圖7為管線豎向變形云圖。

表3為隧道開挖過程中， 對(duì)應(yīng)不同的開挖推進(jìn)距離（4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、 24 m）給水管線的最大和最小沉降以及兩者之間的差值。從圖 3-7 中可以看出，在隧道開挖過程中，管線有較為明顯的沉降。管線的最大沉降為 10.48 mm，最大沉降差為 7.89 mm，最大斜率為 2.00 mm/m。

圖8為DN1400給水管線沉降差的變化曲線；圖9為DN1400給水管線沉降最大時(shí)的沉降曲線。

在開挖面到達(dá)管線之前，管線的沉降量較小，隨著開挖面不斷地接近管線，沉降量逐漸增大，沉降曲線的斜率也在急劇增大；當(dāng)開挖面離開管線后，雖然沉降量在繼續(xù)增大，但沉降曲線趨于平緩，即管線的沉降量增加緩慢。

從圖9可以看出管線的沉降曲線與隧道開挖時(shí)的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降均發(fā)生在隧道軸線上方。隨著剛度的減小，最大沉降值在增大，曲線的斜率也在增大，沉降差異更大，更容易導(dǎo)致管線的破壞。因此，在施工中要關(guān)注剛度較小的管線，盡量較少擾動(dòng)。

（2）管線的應(yīng)力分析

下面繼續(xù)對(duì)盾構(gòu)隧道的存在對(duì)DN1400給水管線的影響，對(duì)所建模型模擬開挖完成后，其應(yīng)力結(jié)果如下圖10～圖11所示，其中圖10為DN1400給水管線的縱向應(yīng)力云圖，圖11為DN1400給水管線的環(huán)向應(yīng)力云圖。

從表4中可以看出，管線的縱向應(yīng)力明顯大于其環(huán)向應(yīng)力，隨著管線的剛度減小，其縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力也在逐漸的減小，這是由于管線的剛度越小，就越接近土體的剛度，管線和土體的協(xié)調(diào)變形能力就越強(qiáng)，導(dǎo)致應(yīng)力不是特別大。同時(shí)從管線的應(yīng)力云圖中可以看出，管線的最大縱向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)在位于隧道的正上方位置處，在施工過程中應(yīng)注意對(duì)處于這個(gè)位置處的管線加強(qiáng)保護(hù)措施。

（3）盾構(gòu)隧道開挖過程對(duì)管線的影響

圖12為盾構(gòu)隧道即將下穿管線時(shí)，即安裝第800環(huán)管片后，向前開挖-支護(hù)-開挖-……. 126 m過程中，每開挖10m地層的豎向位移值云圖。為了簡(jiǎn)便起見，只給出開挖至管線下方時(shí)的地層的豎向位移值云圖。圖13為具體的開挖過程地層的豎向位移值變化圖。

從圖13、15可以看出管線的沉降曲線亦與隧道開挖時(shí)的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降發(fā)生在隧道距離管線5 m左右處。隨著開挖的進(jìn)行，沉降量隨之減小。因此，在施工中要關(guān)注接近管線5～10 m范圍的管線與地層沉降，而不單單考慮穿過時(shí)的沉降量。

3.2 管片背后注漿影響分析

由于在隧道經(jīng)過的富水粉細(xì)砂地層中的成拱效應(yīng)極差、沙土液化現(xiàn)象嚴(yán)重、地層沉降極快，在全斷面富水砂層中的盾構(gòu)掘進(jìn)由于盾構(gòu)自身施工工藝的原因沉降控制十分困難。往往是在刀盤通過后，地層既已發(fā)生較大的沉降，在盾尾通過后的24小時(shí)內(nèi)，95%的地層沉降已經(jīng)發(fā)生，盾構(gòu)二次補(bǔ)漿能起到的地層補(bǔ)償作用不明顯。

因此，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中采取同步注漿的措施：注漿壓力控制在3bar左右，同步注漿量控制在理論空隙的180%～200%之間。同步注漿采用量壓雙控的控制標(biāo)準(zhǔn)。采用優(yōu)質(zhì)消石灰（400目鈣含量92%）、一級(jí)粉煤灰、鈉基膨潤(rùn)土、中粗砂為主的惰性漿液，保證漿液同步注漿漿液質(zhì)量，漿液塌落度控制在12～14cm之在盾構(gòu)通過后每隔5環(huán)進(jìn)行1次二次補(bǔ)漿，二次補(bǔ)漿以注漿壓力為控制標(biāo)準(zhǔn)，采用雙液漿。在管片脫出盾尾后10環(huán)，施作雙液漿止水環(huán)。

表5為管片背后注漿后給水管線的沉降值的變化匯總表。

由表5可以看出，在管片后注漿后，管線的最大沉降值都相應(yīng)減小，最大變化幅度達(dá)到0.966 mm。

3.3 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

對(duì)盾構(gòu)區(qū)間沿線DN1400給水管的變形（主要針對(duì)管線的豎向沉降）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及布點(diǎn)情況如表6所示。

將原設(shè)計(jì)數(shù)值模擬結(jié)果、管片后注漿變形結(jié)果、施工監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到如圖17所示的結(jié)果。

由圖17可以看出，管片背后注漿加固有效改善了管線的變形，從某種意義上來講，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間上方的管線也起到了加固作用，尤其是對(duì)于盾構(gòu)正上方的管線（即交叉部位），管線沉降量由原來的10.9 mm減小為7.09 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)量為6.88 mm，與模擬結(jié)果相接近。

4 結(jié)論

（1）盾構(gòu)下穿給水管線時(shí)，管線的沉降曲線與盾構(gòu)隧道開挖時(shí)的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降均發(fā)生在隧道軸線上方。隨著剛度的減小，最大沉降值在增大，曲線的斜率也在增大，沉降差異更大，更容易導(dǎo)致管線的破壞。因此，在施工中要關(guān)注剛度較小的管線，盡量較少擾動(dòng)。

（2）管線的縱向應(yīng)力明顯大于其環(huán)向應(yīng)力，隨著管線的剛度減小，其縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力也在逐漸的減小，這是由于管線的剛度越小，就越接近土體的剛度，管線和土體的協(xié)調(diào)變形能力就越強(qiáng)，導(dǎo)致應(yīng)力不是特別大。同時(shí)從管線的應(yīng)力云圖中可以看出，管線的最大縱向應(yīng)力和最大環(huán)向應(yīng)力時(shí)出現(xiàn)在位于隧道的正上方位置處，在施工過程中應(yīng)注意對(duì)處于這個(gè)位置處的管線加強(qiáng)保護(hù)措施。

（3）管線的沉降曲線亦與隧道開挖時(shí)的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降發(fā)生在隧道距離管線5m左右處。隨著開挖的進(jìn)行，沉降量隨之減小。因此，在施工中要關(guān)注接近管線5～10m范圍的管線與地層沉降，而不單單考慮穿過時(shí)的沉降量。

（4）管片后的注漿加固有效改善了管線的變形，從某種意義上來講，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間上方的管線也起到了加固作用，尤其是對(duì)于盾構(gòu)正上方的管線（即交叉部位），管線沉降量由原來的10.9 mm減小為7.09 mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)量為6.88 mm，與模擬結(jié)果相接近。

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