綜合管廊近距離上穿南水北調(diào)干渠施工關(guān)鍵技術(shù)研究

胡 平

(北京京投交通發(fā)展有限公司， 北京 102606)

隨著城市規(guī)模的快速擴(kuò)張，城市地下綜合管廊工程也得到了快速發(fā)展，其規(guī)劃設(shè)計(jì)不可避免的與鐵路、地鐵、道路、橋梁及管道存在交叉，南水北調(diào)干渠工程亦是其中之一。

北京新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)近距離明挖上穿南水北調(diào)干渠，目前同類工程中尚無先例，如何保證南水北調(diào)干渠供水正常運(yùn)行情況下，順利進(jìn)行綜合管廊基坑開挖、結(jié)構(gòu)施工，是工程施工中的重難點(diǎn)，值得深入研究。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

北京新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊(南五環(huán)—新機(jī)場(chǎng))工程一期位于北京市大興區(qū)，是北京市城市綜合管廊規(guī)劃建設(shè)網(wǎng)的重要組成部分，規(guī)劃建設(shè)定位為干線型綜合管廊。它是連接北京市區(qū)與北京新機(jī)場(chǎng)的重要市政通道，主要為北京新機(jī)場(chǎng)及北京南部地區(qū)提供能源供給保障，主干管廊設(shè)計(jì)全長(zhǎng)約27.881 km。

北京新機(jī)場(chǎng)高速公路地下綜合管廊從新機(jī)場(chǎng)高速與南五環(huán)立交東側(cè)匝道內(nèi)穿過，斜交穿越南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)；新機(jī)場(chǎng)高速地下綜合管廊下穿位于南水北調(diào)干渠K18+919處，平面交角為74°。南水北調(diào)南干渠埋深約9.26 m，干渠隧道采用盾構(gòu)法施工，干渠外徑為6.0 m，內(nèi)徑約4.7 m，其中盾構(gòu)襯砌厚度約0.3 m，內(nèi)部另設(shè)0.35 m厚內(nèi)襯。

穿越南水北調(diào)干渠管廊段設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號(hào)0+456，終點(diǎn)樁號(hào)0+516，其中一期南水北調(diào)干渠穿越為0+456—0+475，二期南水北調(diào)干渠穿越為0+475—0+516，共計(jì)60 m(見圖1)。

圖1 新機(jī)場(chǎng)管廊上穿南水北調(diào)干渠剖面圖

管廊明挖段斷面設(shè)置為三艙，電力艙寬度2.6 m，水信艙寬度為3.9 m，燃?xì)馀搶挾?.0 m，采用矩形斷面，采用上跨明挖法施工(見圖2)。

圖2 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:mm)

1.2 工程地質(zhì)情況

(1) 地質(zhì)情況。擬建場(chǎng)區(qū)勘探范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)沖洪積層等。場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)可分為：① 粉土填土和雜填土層；② 粉土和粉細(xì)砂層；③ 粉土層；④ 粉質(zhì)黏土層；⑤ 圓礫卵石層；⑥ 粉細(xì)砂層；⑦ 卵石層。

(2) 水文情況。本場(chǎng)區(qū)范圍地下水主要為第四紀(jì)松散沉積物孔隙水，受地層巖性分布特點(diǎn)的影響，地下水主要分布3層(上層滯水、潛水和層間水)，上穿南水北調(diào)干渠工程范圍主要為上層滯水層，標(biāo)高約33.11 m；潛水水位標(biāo)高23.01 m；層間水水位為24.81 m～28.17 m，水位標(biāo)高為7.96 m～11.78 m，含水層為卵石層、中粗砂層和粉土層，主要以接受地下水側(cè)向徑流及越流方式補(bǔ)給，以地下水側(cè)向徑流及人工開采為主要排泄方式；抗浮設(shè)計(jì)水位高程為34.00 m。

2 穿越工程方案研究

2.1 施工方案確定

穿越南水北調(diào)干渠施工工法有暗挖下穿法，分段明挖法，在工程實(shí)施前對(duì)每種工法進(jìn)行詳細(xì)論證，并結(jié)合綜合管廊穿越南水北調(diào)干渠安全評(píng)估報(bào)告中對(duì)南水北調(diào)干渠變形影響分析，得出：

(1) 暗挖下穿對(duì)南水北調(diào)干渠隧道結(jié)構(gòu)變形影響較大，另外管廊結(jié)構(gòu)頂板最深點(diǎn)埋深約20 m，暗挖結(jié)構(gòu)位于潛水層中，需對(duì)地下水進(jìn)行處理，施工風(fēng)險(xiǎn)和難度大，工程造價(jià)偏高，干渠結(jié)構(gòu)變形量難以控制。

(2) 短距離分段明挖方案在滿足管廊結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度達(dá)到北京地區(qū)凍土厚度要求的前提下，采用短距離分段開挖，大大減少卸土面積和土釘打設(shè)量，減少了對(duì)土體的擾動(dòng)，縮短卸荷時(shí)間，加快施工進(jìn)度，保證干渠管道隆起值在控制范圍內(nèi)，同時(shí)工程造價(jià)相對(duì)較低。

因此綜合施工風(fēng)險(xiǎn)、工期、造價(jià)等因素，采用短距離分段明挖法，在結(jié)構(gòu)頂板上配重一定重量的鋼錠，以保證明挖施工時(shí)干渠管道上方荷載穩(wěn)定；且分段開挖采取“小步快走，分步施工”方式，每施工完一段結(jié)構(gòu)即可配重鋼錠，在短時(shí)間內(nèi)將開挖卸掉的荷載，快速穩(wěn)定的補(bǔ)上，最大限度的減少干渠管道隆起量；經(jīng)委托北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行數(shù)值模擬安全評(píng)估和專家論證會(huì)，最終確定穿越南水北調(diào)干渠采用短距離分步明挖法，同時(shí)輔以隔離樁、基底旋噴注漿加固和增加配重等輔助措施，加強(qiáng)對(duì)南水北調(diào)干渠管道的保護(hù)。

2.2 變形控制指標(biāo)

根據(jù)《其他工程穿越跨越或鄰近北京市南水北調(diào)工程安全影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則(試行)》[1]、《其他工程穿越跨越或鄰近北京市南水北調(diào)工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求(試行)》[2]和安評(píng)報(bào)告等文件要求，提出了綜合管廊上穿南水北調(diào)干渠施工期間主要變形控制指標(biāo)，具體詳見表1。

表1 管廊上穿南水北調(diào)干渠變形控制指標(biāo)

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 隔離樁

南水北調(diào)一期、二期干渠中心間距30 m。管廊向北9 m作為明挖過渡段，為防止基坑加深開挖對(duì)一期南水北調(diào)干渠橫向土層擾動(dòng)。在南水北調(diào)干渠一期北側(cè)管廊工程0+456明暗結(jié)合處采取9根鋼筋混凝土隔離樁Φ800 mm@1 200 mm；隔離樁距離南水北調(diào)一期干渠中心線12 m，隔離樁樁長(zhǎng)16 m，保證深入干渠底一倍洞徑，見圖3。

學(xué)生課堂所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際用人單位的需要，往往會(huì)有差距，學(xué)生和企業(yè)都渴望縮短這種差距，學(xué)院通過開設(shè)賽德盛班，較好地解決了這類問題。

圖3 隔離樁剖面圖

隔離樁施工采用長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁施工工藝，采用“隔一打一”施工順序。

采用隔離樁措施后，起到限制南水北調(diào)干渠結(jié)構(gòu)水平橫向變形的作用，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)干渠管道結(jié)構(gòu)的目的。

3.2 基底旋噴注漿加固

基底旋噴樁土體加固范圍結(jié)構(gòu)底板下2.0 m，長(zhǎng)度41.0 m，寬度11.5 m。旋噴樁采用樁徑Φ600 mm@400 mm的雙重管高壓旋噴樁加固，樁間搭接200 mm。針對(duì)工程水文地質(zhì)情況，采用水泥單液漿加固，在旋噴之前按施工要求準(zhǔn)備足夠水泥，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。旋噴樁施工時(shí)，水泥漿水灰比控制在1.0左右。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[3](JGJ 79—2012)要求注漿壓力不得小于20 MPa。

圖4 旋噴樁注漿加固平面圖(單位:mm)

旋噴樁施工工藝流程為：鉆機(jī)就位→鉆孔至設(shè)計(jì)深度→插入噴射管→高壓噴射漿液并逐步提升噴射管→噴射結(jié)束→拔管。

旋噴樁采用跳孔施工，隔2孔～3孔，在樁底部邊旋噴穩(wěn)定1 min后達(dá)到規(guī)定的噴射壓力，再逐漸邊旋轉(zhuǎn)邊提升邊噴射。為確保噴漿質(zhì)量，控制有10%～30%的冒漿量。噴射提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后應(yīng)迅速拔管并及時(shí)清洗，以免漿液凝固堵塞管路。

3.3 短距離分段開挖支護(hù)

管廊土方開挖借鑒類似盾構(gòu)隧道上方基坑施工經(jīng)驗(yàn)[4-16]，施工步序采用分段開挖，減小一次性卸載量，基坑支護(hù)如圖5所示。

圖5 上穿南水北調(diào)干渠一期基坑開挖支護(hù)斷面圖(單位:mm)

基坑支護(hù)采用土釘墻形式，施工工藝如下：先1∶1放坡開挖第一層2 m深，厚度80 mm、噴射C25細(xì)石混凝土支護(hù)，然后施做1.5 m寬臺(tái)階，再1∶0.3放坡開挖第二層，土方開挖至土釘下30 cm后進(jìn)行土釘施工，土釘間距1 500 mm梅花型布置，面板厚度80 mm，噴射C25細(xì)石混凝土，土釘成孔直徑100 mm，鉆孔傾角10°，土釘外露不小于80 mm，水平間采用鋼筋拉結(jié)，鋼筋網(wǎng)片采用Φ6@150 mm×150 mm縱向搭接長(zhǎng)度大于300 mm，橫向搭接長(zhǎng)度大于200 mm，面層沿坡頂向外延伸1 m形成護(hù)肩，如土釘墻在開挖過程中坡面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，需在坡面設(shè)置泄水孔進(jìn)行引流，將滲水引流至肥槽內(nèi)的排水溝內(nèi)，導(dǎo)流管采用長(zhǎng)1 m Φ50 mm的塑料管，做成花管并纏80目尼龍紗網(wǎng)，土釘采用長(zhǎng)5 m的Φ22鋼筋，注漿材料選用水泥漿。

3.4 對(duì)稱開挖澆筑步序

基坑開挖時(shí)以南水北調(diào)干渠一期中心線為基準(zhǔn)：先向北開挖第1段3 m基坑，基坑開挖支護(hù)后澆筑混凝土結(jié)構(gòu)及回填覆土，然后以基準(zhǔn)線向南對(duì)稱開挖第2段3 m基坑，基坑開挖支護(hù)后澆筑混凝土結(jié)構(gòu)及回填覆土，隨后同時(shí)對(duì)稱開挖南北兩側(cè)第3段各3 m基坑，澆筑混凝土結(jié)構(gòu)及回填完成后再對(duì)稱開挖第4段各6 m基坑，該段管廊共計(jì)24 m施工完成后；管廊再往南36.9 m范圍以放坡+土釘形式進(jìn)行基坑開挖支護(hù)，基坑墊層以下施0.5 m厚鋼筋混凝土板和2 m厚旋噴注漿加固土層，為南水北調(diào)二期干渠遠(yuǎn)期施工預(yù)留條件，同時(shí)為避免基坑加深開挖對(duì)干渠一期橫向土層的擾動(dòng)，在里程0+456位置增設(shè)長(zhǎng)16 m 9根Φ800@1200隔離樁。施工步序如圖6所示。

圖6 管廊上穿南水北調(diào)干渠施工步序(單位:mm)

3.5 增加配重

為確保施工期間南水北調(diào)干渠不發(fā)生上浮，在施工期間采取增加配重的抗浮措施：每段主體結(jié)構(gòu)底板及頂板施工完成后及時(shí)滿鋪2排8寸鋼錠，管廊主體結(jié)構(gòu)澆筑完成達(dá)到回填設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，管廊基坑肥槽回填時(shí)同步拆除頂板鋼錠，頂板鋼錠的拆除重量根據(jù)每次土方回填荷載量等量逐步拆除，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，視情況移除底板鋼錠，直至全部移除。

3.6 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

目前綜合管廊上穿南水北調(diào)干渠已施工完成，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到南水北調(diào)干渠累計(jì)隆起和地表沉降變化趨勢(shì)，如圖7、圖8所示。

圖7 南水北調(diào)干渠累計(jì)隆起變形趨勢(shì)

圖8 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變形趨勢(shì)

由圖7、圖8可以得出：

(1) 南水北調(diào)干渠隆起變形。南水北調(diào)干渠初期施工隔離樁和基底注漿加固時(shí)，隆起值為零，尚未引起隆起變形；隨著基坑短距離分步對(duì)稱開挖施工，干渠累計(jì)隆起值迅速增大，至施工第4步序時(shí)累計(jì)隆起值出現(xiàn)最大值2.8 mm；隨著管廊主體結(jié)構(gòu)施工及配重的增加，干渠隆起慢慢趨于穩(wěn)定，最終累計(jì)隆起變形穩(wěn)定在2.1 mm左右。

(2) 地表沉降變形。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從開挖初期的負(fù)值沉降至中期正值隆起到后期隆起穩(wěn)定主要造成原因：初期分段分步明挖施工，因卸載量較小和土體擾動(dòng)等影響，地表沉降呈下降趨勢(shì)；隨著分段分級(jí)基坑開挖，土體卸載量逐步增大，南水北調(diào)干渠隆起趨勢(shì)增大，地表沉降也隨之由負(fù)變正，呈現(xiàn)隆起趨勢(shì)，最大累計(jì)隆起2.7 mm，與干渠累計(jì)隆起同步；隨著管廊結(jié)構(gòu)澆筑施工開始，配重的增加和基坑回填土，基坑內(nèi)荷載量逐漸增大，地表隆起慢慢下降穩(wěn)定，最終地表累計(jì)隆起變形穩(wěn)定在2.0 mm左右。

綜上所述，管廊上穿南水北調(diào)干渠累計(jì)最大隆起值為2.8 mm，地表累計(jì)最大沉降(隆起)控制值為2.7 mm，均在安全評(píng)估控制指標(biāo)范圍內(nèi)，施工過程中未發(fā)生監(jiān)測(cè)及巡視預(yù)警情況，施工安全風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制。

4 結(jié) 語

(1) 城市綜合管廊穿越南水北調(diào)干渠施工，經(jīng)過前期充分的技術(shù)論證和安全評(píng)估，對(duì)比分析明挖上穿和暗挖下穿方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選定明挖上穿方案，該方案風(fēng)險(xiǎn)較低、施工快速、經(jīng)濟(jì)更合理。

(2) 綜合管廊明挖上穿南水北調(diào)干渠施工時(shí)，通過采取隔離樁、基底旋噴注漿加固、短距離分段開挖、對(duì)稱澆筑、增加配重等一系列措施，能縮短土方卸載時(shí)間、減少一次性土方卸載量，有效避免南水北調(diào)干渠隆起風(fēng)險(xiǎn)，保證了工程安全風(fēng)險(xiǎn)可控，工程達(dá)到了預(yù)期目的。

(3) 該綜合管廊近距離明挖上穿南水北調(diào)干渠施工技術(shù)的成功實(shí)施，達(dá)到了地下綜合管廊的規(guī)劃建設(shè)目的，為今后類似工程穿越南水北調(diào)干渠的設(shè)計(jì)、施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。