地下綜合管廊工程穿越南水北調(diào)干渠設(shè)計研究?

張韶文 薛茹鏡

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082)

引言

南水北調(diào)工程南起丹江口水庫，北至北京市團(tuán)城湖和天津市外環(huán)河，線路全長約1432km。除北京、天津段采用地下管涵結(jié)構(gòu)外，其余均采用渠道輸水[1]。

隨著城區(qū)綜合管廊、地鐵等地下工程的快速發(fā)展，其與南水北調(diào)干渠發(fā)生交叉是不可避免的[2，3]。針對地下綜合管廊這類具有一定規(guī)模、結(jié)構(gòu)埋深淺等特點的工程，本文結(jié)合北京市某地下綜合管廊項目：從設(shè)計理念、數(shù)值模擬分析、施工監(jiān)測數(shù)據(jù)等多方面，研究管廊穿越盾構(gòu)段南水北調(diào)干渠的關(guān)鍵設(shè)計要點。

1 工程概況

1.1 項目概況

某地下綜合管廊項目位于北京市南部，是北京市城市綜合管廊規(guī)劃網(wǎng)的重要組成部分，規(guī)劃定位為干線型綜合管廊，主干管廊設(shè)計全長約36km。本工程綜合管廊主要分為三艙斷面：兩座電力艙、一座水信艙。主體結(jié)構(gòu)施工工藝為明挖及暗挖工法，其標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1所示。

圖1 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)Fig.1 The section of comprehensive utility tunnel(unit：mm)

穿越南水北調(diào)段管廊結(jié)構(gòu)與南水北調(diào)一期干渠斜交，交角74°。南水北調(diào)一期干渠管內(nèi)徑4.7m，內(nèi)襯厚350mm，采用盾構(gòu)法施工管片厚度0.3m，外徑尺寸共計6.0m，覆土約9m。

1.2 工程地質(zhì)概況

本工程場地勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層(Qml)、新近沉積層第四紀(jì)沖洪積層四大層。本場區(qū)按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步分為：①粉土填土層、①1雜填土層、②粉土層、②3粉細(xì)砂層、③粉土層、④粉質(zhì)粘土層、⑤圓礫卵石層、⑤2粉細(xì)砂層、⑦卵石層。

本場地范圍地下水以第四紀(jì)松散沉積物孔隙水為主，受地層巖性分布特點的影響，主要分布2 層地下水，地下水類型為上層滯水(一)和潛水(二)，穿越南水北調(diào)段工程范圍②3粉細(xì)砂層為上層滯水層，標(biāo)高約 33.1m；潛水水位標(biāo)高23.00m，位于⑤2粉細(xì)砂層?？垢≡O(shè)防水位高程為34.00m。

2 方案設(shè)計

2.1 控制因素

管廊穿越南水北調(diào)段工程線路走向：從北側(cè)首先穿越北京市南五環(huán)道路及下方多條管線后，向南依次穿越南水北調(diào)一期現(xiàn)狀干渠、二期預(yù)留干渠，隨后沿整體工程線路向南繼續(xù)敷設(shè)。

因此穿越南水北調(diào)段工程方案設(shè)計的控制因素主要有以下幾點：

1.暗挖工法下穿南五環(huán)道路及下方管線；

2.受南水北調(diào)干渠影響，管廊可采取明挖法上跨和暗挖/盾構(gòu)法下穿兩種穿越形式。

2.2 工法對比

目前管廊施工的主要方法：明挖法、礦山法、盾構(gòu)法、頂進(jìn)法[4]。

本段工程在工法選擇上結(jié)合以下自身特點：(1)風(fēng)險源分布密集；(2)各風(fēng)險源埋深相差較大；(3)穿越段工程總長度約300m。若采用盾構(gòu)法，施工長度短，盾構(gòu)機(jī)需特殊定制，工程經(jīng)濟(jì)性較差；若采用頂進(jìn)法，受不同埋深的風(fēng)險源限制，其工程可行性較差。因此，穿越南水北調(diào)節(jié)點工程的工法，推薦采用明挖法和暗挖法。結(jié)合推薦工法，擬定以下兩種穿越干渠的方案：

1.方案一：暗挖法下穿南五環(huán)道路及南水北調(diào)工程。

管廊工程需從北至南依次下穿五環(huán)路及其下方管線、南水北調(diào)一期現(xiàn)狀干渠、二期預(yù)留干渠，管廊在下穿南水北調(diào)干渠位置為縱斷最低點，穿越完成后以18%的坡度提升，并與全線標(biāo)準(zhǔn)明挖段工程銜接，總計暗挖長度305m。

為減小暗挖工法對南水北調(diào)干渠的影響，將暗挖標(biāo)準(zhǔn)斷面調(diào)整為三洞分離斷面，洞間間距3m～4m，最大開挖寬度相對標(biāo)準(zhǔn)斷面縮小到5.5m，洞頂距離干渠底約一倍洞徑6m[5]。穿越干渠段管廊進(jìn)入潛水層，需采用全斷面注漿止水。

本方案對南水北調(diào)干渠影響較大，管廊最深點結(jié)構(gòu)頂板埋深20m，斷面已進(jìn)入潛水砂層中，需進(jìn)行地下水處理，施工難度大，工程造價相對較高，沉降難以得到有效的控制。

2.方案二：暗挖法下穿南五環(huán)道路+明挖法上跨南水北調(diào)工程。

管廊采用暗挖工法下穿五環(huán)道路后，在五環(huán)路南側(cè)紅線轉(zhuǎn)為明挖工法，上跨南水北調(diào)干渠。暗挖段長度由方案一的305m 縮短為152m。施工場地較好，明挖段無其他地下管線。一期干渠與明挖基坑底面距離約4m，明挖斷面高度適當(dāng)縮小，以保證頂板覆土厚度滿足北京地區(qū)凍土要求。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用分級開挖，減少土釘打設(shè)量，加快施工進(jìn)度，縮短卸載時間。

由于管廊縱向長距離明挖施工，大面積卸載對南水北調(diào)干渠橫向影響較大，因此采用短距離分槽開挖如圖5所示，減小卸載面積及干渠管道隆起值。

根據(jù)上述對比方案情況：方案一下穿既有南水北調(diào)干渠，風(fēng)險較大，變形難以控制；方案二明挖上跨南水北調(diào)干渠，施工質(zhì)量安全可靠，但南水北調(diào)干渠仍存在隆起風(fēng)險。因此對方案一和方案二進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值模擬對比分析。

圖2 管廊下穿南水北調(diào)方案(方案一)Fig.2 Utility tunnel under-crossing canals (1st plan)

圖3 管廊上穿南水北調(diào)方案(方案二)Fig.3 Utility tunnel over-crossing canals (2nd plan)

2.3 數(shù)值模擬分析

采用MIDAS/GTS 有限元軟件，在原始地層條件下對方案一和方案二進(jìn)行三維數(shù)值模擬。

方案一：管廊采用暗挖下穿工法，干渠位移如圖4所示，最大沉降值約4.6mm，滿足南干渠的變形要求。

方案二：管廊采用明挖上跨工法，借鑒類似工程施工措施[6]，施工步序采用分段分步開挖，減小一次性卸載面積。施工步序如圖5所示。

開挖時以一期干渠中心線為基準(zhǔn)：先向北開挖第1 段基坑3m，開挖完成后澆筑混凝土結(jié)構(gòu)回填，然后以基準(zhǔn)線向南對稱開挖第2 段基坑3m，開挖后立即澆筑二襯回填覆土，隨后同時對稱開挖南北兩側(cè)第3 段基坑各3m，澆筑回填完成后對稱開挖第4 段基坑各6m。以上共計24m施工完成后，管廊方可向南或向北繼續(xù)施工。建立模型如圖6所示。

根據(jù)模型計算分析：最不利工況為對稱開挖第4 段6m 基坑時，南干渠隆起值達(dá)1cm 左右。因此第4段基坑開挖前，在1～3 段已完成段的底板上增設(shè)鋼錠(約1m 回填土重)增加配重，最大隆起變形縮小到4.3mm(見圖7)，滿足干渠變形要求。

由數(shù)值模擬分析可知，兩個方案均滿足南水北調(diào)干渠變形要求。因此綜合考慮施工風(fēng)險、工期、造價等因素，推薦采用施工質(zhì)量更有保證、干渠變形更易控制的方案二明挖上跨南水北調(diào)干渠。

圖5 管廊上穿南水北調(diào)方案施工步序Fig.5 The construction procedure of utility tunnel over-crossing canals

圖6 管廊上穿南水北調(diào)方案三維模擬Fig.6 Three dimensional simulation of utility tunnel over-crossing canals

圖7 方案二最不利工況干渠變形Fig.7 The deformation of canals under the most unfavorable condition of 2nd plan

3 工程施工監(jiān)測

目前管廊穿越南水北調(diào)段工程已施工完成，施工過程中依據(jù)GB 50497-2009[7]相關(guān)要求，對此段明挖風(fēng)險源進(jìn)行多項施工監(jiān)測，選取地表變形最大值的測點，統(tǒng)計其跨越南水北調(diào)干渠的全過程累計變形情況如圖8所示。

圖8 管廊穿越南水北調(diào)段監(jiān)測點布置示意Fig.8 The layout of monitoring points

圖9 地表沉降監(jiān)測點累計沉降趨勢Fig.9 Cumulative subsidence trend of surface subsidence monitoring points

由圖9可以看到：測點變形數(shù)據(jù)在開挖初期呈現(xiàn)負(fù)值沉降趨勢，主要由以下兩點原因造成：(1)整體穿越段明挖工程采用分段分步開挖，受相鄰段施工影響，未開挖段地表會產(chǎn)生一定的沉降變形；(2)每段基坑采用分級開挖，第一級基坑開挖后南干渠上方覆土厚度6m 左右，無隆起問題，測點周圍土體受擾動后，會產(chǎn)生一定的沉降變形。隨著基坑工程對南水北調(diào)干渠上方土體的不斷卸載，后期測點數(shù)據(jù)呈現(xiàn)隆起增強(qiáng)趨勢，最大隆起值共計3.9mm，接近數(shù)值模擬分析結(jié)果，說明本工程明挖上跨南水北調(diào)干渠的方案設(shè)計是合理安全的。

4 結(jié)語

本文結(jié)合新機(jī)場高速管廊穿越南水北調(diào)段工程情況，對比分析了采用兩種工法上跨和下穿既有干渠的方案。得出以下幾點結(jié)論：

1.采用合理的暗挖或明挖工法設(shè)計方案穿越南水北調(diào)干渠均是合理可行的。針對本工程，明挖上跨方案相對暗挖法更經(jīng)濟(jì)合理。但大面積土方卸載，需要結(jié)合穿越節(jié)點工程具體情況，進(jìn)行具體分析設(shè)計，采取合理措施，避免既有干渠隆起風(fēng)險。

2.結(jié)合本工程的節(jié)點施工情況，當(dāng)采用明挖工法上跨南水北調(diào)干渠時，為保證穿越工程的安全，可采取以下措施：(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型，推薦使用施工速度較快的支護(hù)形式，縮短土方卸載時間；(2)圍護(hù)工程應(yīng)分段分步開挖，縮短縱向開挖長度，減少一次性土方卸載量；(3)加設(shè)鋼錠增重措施；(4)確保施工期間南水北調(diào)干渠處于滿管狀態(tài)。