超淺埋暗挖隧道下穿次高壓燃氣管方案探究

沈艷峰

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引言

隨著我國城市的規(guī)模迅速擴大、城市交通日益繁忙，市政交通的建設(shè)開發(fā)也向立體化、深層次的方向發(fā)展。由于早期城市建設(shè)缺乏長期規(guī)劃和布局，城市道路、管線建設(shè)存在雜亂無章、歷史資料缺乏的問題，給城市隧道建設(shè)造成了許多困難。尤其是在市區(qū)中的地下隧道建設(shè)遇到越來越多的與管線近接施工的問題，如給排水管道、電力管線、燃氣管線、通信管線等。在各種管線中，又以燃氣管線最為敏感，其對隧道施工的沉降控制要求非常嚴格，如若隧道施工造成燃氣管的大變形甚至破損漏氣，可能會造成難以估量的影響和公共安全威脅。針對可能受到隧道施工影響的燃氣管線，一般采取提前改遷的方式。但是有的工程中燃氣管線雖能改遷，卻仍無法避免隧道的下穿施工，因此對燃氣管線本身采取何種保護措施、隧道施工采取何種加強措施尤為重要。

目前國內(nèi)外下穿管線段的總體施工思路是采取地面措施和洞內(nèi)措施相結(jié)合的方式保證管線安全。如沈陽地鐵青年大街站在粉細砂層中近距離下穿污水管線，地面上通過對污水管線導(dǎo)流和對污水管線進行防滲處理、降低風(fēng)險，洞內(nèi)通過針對性的輔助施工措施防止坍塌、控制沉降，確保管線安全和地面交通安全[1]。

城市淺埋暗挖隧道中保護既有線路變形、控制沉降的隧道施工方法主要有超前大管棚、深孔超前帷幕注漿、水平旋噴注漿、地表注漿加固等。如某地鐵礦山法隧道下穿既有線明挖隧道時，新舊兩線結(jié)構(gòu)最小凈距為1.7 m，最小角度為7°，在下穿施工過程中該區(qū)段采用超前小導(dǎo)管、超前掏槽導(dǎo)洞、分步分塊控制爆破、強初支和初支背后及時注漿加固等技術(shù)，在監(jiān)測到部分沉降超警戒值后，采取注漿抬升措施[2]。北京地鐵10 號線一期工程國貿(mào)站—雙井站區(qū)間隧道采用矩形斷面超近距離暗挖通過既有地鐵1號線的施工技術(shù)，因其上部結(jié)構(gòu)緊貼既有線底板形成豎向支護，矩形斷面施工方案的關(guān)鍵點是如何使矩形斷面支護緊貼既有線底板，并對既有線底板形成強有力的支護[3]。

針對部分超淺埋隧道工程，周邊管線密集，除了采用洞內(nèi)超前大管棚、深孔超前帷幕注漿等洞內(nèi)措施外，還可對隧道以上新建管線提前采用懸吊措施進行保護。如深圳市科技中二路下穿北環(huán)大道接朗山二號路，隧道釆用淺埋暗挖法施工，隧道拱頂與既有管道距離為5 m 以上，為確保施工期間的管道安全，對該隧道途經(jīng)的三處管段采用樁基承載貝雷架，貝雷梁托架管道的措施進行加固防護[4]。

本文結(jié)合深圳東部通道某標段隧道下穿燃氣管線工程案例，對隧道下穿燃氣管的保護方案進行比選分析研究，探究合適、可行的實施方案，以保證帶氣運營的次高壓燃氣管正常運營。

1 工程概況

深圳東部通道某標段西起北環(huán)布心路，路線以隧道形式穿越愛國路高架、東湖公園，向東與口岸連接線合流后，接入東部過境高速主線。暗挖隧道通過工作井與明挖段連接并由工作井進洞始發(fā)，隧道為淺埋暗挖法雙車道馬蹄形斷面，開挖斷面寬約12 m，高約10.2 m，進洞段隧道覆土約8 m，隧道進洞后需要下穿DN426 次高壓燃氣管。

燃氣管位于暗挖隧道進洞后約6 m 處，管道走向與隧道走向夾角約為73°，埋深約3.3 m，管底距隧道拱頂約4.3 m。除次高壓燃氣管外，隧道還需下穿DN1000 污水管、DN325 中壓燃氣管道、7.3 m×2.8 m 矩形雨水箱涵及地面道路等，如圖1、圖2 所示。

圖1 隧道下穿DN426 次高壓燃氣管平面圖

圖2 隧道與DN426 次高壓燃氣管位置關(guān)系橫斷面圖

下穿段隧道地勘圍巖級別為Ⅵ級，地質(zhì)情況從上至下為素填土、含有機質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、含黏性土粗砂、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化花崗片麻巖、中風(fēng)化花崗片麻巖和微風(fēng)化花崗片麻巖。隧道上半斷面主要為砂層、粉質(zhì)黏土層及較軟弱的全風(fēng)化、強風(fēng)化巖層，下半斷面為中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層等。隧道與燃氣管道之間為砂層、粉質(zhì)黏土層等（見圖2）。

原設(shè)計暗挖隧道未下穿燃氣管線，原措施為地表進洞6 m 范圍內(nèi)采用旋噴加固至強風(fēng)化巖層底，洞內(nèi)采用φ127 超前大管棚（30 m）、超前小導(dǎo)管、上半斷面超前帷幕注漿，開挖采用CRD 工法。

2 保護措施及相關(guān)案例

根據(jù)《深圳市燃氣管道安全保護辦法》第二十三條至第二十六條對保護范圍的規(guī)定，管線的權(quán)屬單位均對管線的保護范圍提出要求。由于管線密布，各種管線的保護范圍會相互重疊，隧道選線無法完全滿足管線保護距離的要求。因此在征得權(quán)屬單位同意的前提下，采用針對燃氣管線的保護措施，以避免隧道開挖對管線造成的影響。

深圳地區(qū)近年對地下空間開發(fā)力度很大，已有一些礦山法/ 淺埋暗挖隧道下穿燃氣管的案例，現(xiàn)總結(jié)于表1。

表1 深圳地區(qū)淺埋暗挖隧道下穿燃氣管案例

由已有工程經(jīng)驗可知，針對礦山法/ 淺埋暗挖法下穿燃氣管的保護措施分為主動控制措施和被動控制措施。

主動控制措施包括管棚超前支護、小導(dǎo)管超前注漿、全斷面帷幕注漿、初支背后回填注漿、跟蹤注漿、補償注漿等洞內(nèi)措施。

被動控制措施包括隔離法、懸吊支撐法、削土卸荷法、土體加固、管線改遷、管線自身加強等措施。

與相關(guān)工程相比，本文工程穿越節(jié)點具有以下特點：

（1）燃氣管道管徑大，次高壓管線危險性較高。

（2）隧道與燃氣管線距離近，并存在多條其他管線。

（3）隧道跨度大，且下穿位于隧道暗挖進洞處。

（4）地質(zhì)條件差，燃氣管線位于人工填土層與砂土層中；隧道埋深淺，且隧道上半斷面位于黏土層與砂土層中。

因此除了加強隧道內(nèi)主動控制措施外，應(yīng)考慮采用管線懸吊等洞外綜合措施對次高壓燃氣管線本身進行保護。

3 燃氣管線保護方案比選

經(jīng)過與燃氣管線權(quán)屬單位多次溝通，為確保隧道下穿期間燃氣管線的安全，形成以下兩種方案。

方案一：對現(xiàn)狀次高壓管線進行懸吊保護，需要對現(xiàn)狀管線進行開挖和暴露等施工操作。

方案二：結(jié)合燃氣管線改遷，對改遷后燃氣管提前施加懸吊保護措施。

3.1 方案一

下穿既有次高壓燃氣管線的保護方案分為三部分。

3.1.1 地表措施

對次高壓管線采用懸吊措施進行保護，如圖3所示。具體措施如下：施作鉆孔樁及地梁，放坡開挖暴露燃氣管；地梁上放置型鋼或者鋼便橋；懸吊燃氣管；隧道通過時根據(jù)地面變化實時調(diào)整懸吊及墊板。

圖3 燃氣管線懸吊保護方案一

3.1.2 洞內(nèi)措施

具體措施如下：隧道開挖遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”的要求；大管棚由20 m 加長到30 m；適當縮短開挖進尺與鋼架間距；保留原有超前帷幕注漿，控制帷幕注漿距離燃氣管線2 m 以上；保留超前小導(dǎo)管和錨桿等；背后回填注漿，初支施工后，拱部預(yù)埋注漿管，在開挖過程中根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)對初支背后進行多次回填壓注水泥漿。

3.1.3 其他措施

（1）開挖暴露后，首先對管線進行檢測，若有必要先對管道進行修復(fù)。

（2）施工監(jiān)測。監(jiān)測項目主要有燃氣管道沉降變形、地面沉降、懸吊結(jié)構(gòu)沉降等。監(jiān)測點布置：地梁與懸吊型鋼交點，地梁兩端均設(shè)置沉降監(jiān)測點，同時對燃氣管每隔4 m 設(shè)置監(jiān)測點。監(jiān)測要求：施工中正常情況每天監(jiān)測不少于3 次，超出規(guī)定變形立即通過緊固件調(diào)整，同時加強隧道影響范圍內(nèi)地面沉降，拱頂沉降及周邊收斂等項目的監(jiān)測頻率。管道變形控制值（需由管線產(chǎn)權(quán)單位確認）：單點累計沉降不超過20 mm，不均勻沉降不超過1%。

（3）制定應(yīng)急預(yù)案，將可能產(chǎn)生的災(zāi)害降到最低。

3.2 方案二

由于對現(xiàn)狀次高壓燃氣管線進行懸吊保護需要土建單位對通氣的燃氣管線進行暴露、懸吊等施工，且樁基施工、放坡開挖等可能對管線有影響。因此考慮采用燃氣管線改遷的同時采取懸吊保護措施，再實施下穿隧道的施工保護方案。雖然改遷方案無法避免隧道下穿燃氣管，但可以減少方案一中懸吊保護施工對燃氣管線的影響。

該方案的地表措施如下：

（1）施工鉆孔樁、樁承臺與混凝土地梁。如圖4所示，鉆孔樁布置于隧道兩側(cè)，樁底進入隧道底以下2 m，并進入微風(fēng)化巖層中；樁頂施工樁承臺及混凝土地梁，作為型鋼管架的支撐點。

圖4 懸吊保護方案二平面布置

（2）制作型鋼管架，用于放置并保護新建次高壓燃氣管，管道下墊10 mm 厚橡膠墊。型鋼管架通過連接鋼板及膨脹螺栓與混凝土承臺連接。鋼管架橫跨隧道，具有較大剛度，保證受隧道開挖影響較大范圍內(nèi)的燃氣管道位于型鋼管架內(nèi)，燃氣管及其上土體自重由型鋼管架支撐，并能使下方土體變形不影響燃氣管道。

（3）根據(jù)次高壓燃氣產(chǎn)權(quán)單位要求，次高壓管道完成碰口后，進行回填。

該方案的洞內(nèi)措施如下：暗挖隧道進洞段采用φ127×8 超前大管棚，環(huán)距0.3 m，斷面分布范圍為140°，隧道中心線軸對稱布置；φ50×4 超前小導(dǎo)管，長4.0 m，環(huán)距0.3 m；雙層8 鋼筋網(wǎng)@0.2 m×0.2 m；初支鋼拱架采用工20b 型鋼@0.5 m；C25 噴射混凝土，厚0.28 m；鋼筋混凝土二襯0.55 m；開挖工法為CRD 工法。除此之外，采用上半斷面水泥·水玻璃超前帷幕注漿，注漿范圍為開挖輪廓線外擴4.5 m，如圖5 所示。

圖5 暗挖隧道斷面和超前帷幕注漿范圍

3.3 方案比選

方案一為對現(xiàn)狀燃氣管線采取的保護措施，采用樁基+ 懸吊保護的方案，方案可行。然而對帶氣次高壓燃氣管線進行開挖懸吊等施工過程中具有一定風(fēng)險。隧道周邊仍存在較多其他管線，該方案需要施工較多樁基和放坡，對周邊其他管線的保護不利；總體費用較高，且該懸吊保護方案施工周期較長。

方案二為隧道下穿前進行燃氣管線改遷，改遷的同時采取措施對管線進行保護。該方案需要打設(shè)樁基較少，且無須帶氣作業(yè)，風(fēng)險較小。然而隧道進洞需等待燃氣改遷后方可進行，對隧道工期產(chǎn)生一定影響。

綜合考慮費用、安全、工期等方面要求，通過多次召開專家咨詢會并與各方面進行溝通后，最終確定采用方案二。

4 監(jiān)測分析

隧道區(qū)間上方地面監(jiān)測點縱向5 m 間距、每個斷面8 個監(jiān)測點和沿隧道中心線對稱布置，監(jiān)測頻率為每天一次?，F(xiàn)場開挖步序為左上導(dǎo)洞→右上導(dǎo)洞→左下導(dǎo)洞→右下導(dǎo)洞。施工工序如圖6 所示。

圖6 隧道開挖CRD 法工序圖

改遷并懸吊保護的次高壓燃氣管位于暗挖隧道進洞后20 m 左右。圖7 為進尺20 m 處地表沉降測點橫斷面布置圖。隧道軸線對稱布置共8 個測點，相鄰測點間距3 m 左右。其中D3-8～D3-5 位于左導(dǎo)洞上方，D3-4～D3-1 位于右導(dǎo)洞上方。

圖7 地表沉降測點斷面布置圖

在左上導(dǎo)洞、右上導(dǎo)洞開挖至約20 m 處，發(fā)生多次塌方，導(dǎo)致多次地表沉降陡增。塌方主要原因為現(xiàn)場注漿效果較差、管棚施工未到位，也可能是燃氣管改遷后回填土體未進行充分夯實、土體松散引起的。對塌陷區(qū)域進行回填并補充地表和洞內(nèi)注漿后，地表沉降趨于穩(wěn)定，而此時地表最大沉降量已超過8 cm，遠超過設(shè)計所要求的地表沉降控制要求（2 cm）。地表沉降量變化如圖8 所示。雖然隧道沉降值不理想，然而帶氣運營的次高壓燃氣管在懸吊保護措施的保護下仍可以正常運營，未發(fā)生較大變形。

圖8 地表沉降監(jiān)測點沉降曲線

5 結(jié) 語

本文結(jié)合深圳東部通道某標段隧道下穿燃氣管線工程案例，對隧道下穿燃氣管的保護方案進行比選分析研究，探究合適可行的施工方案，研究得到如下結(jié)論：

（1）在本文依托工程暗挖隧道下穿次高壓燃氣管過程中比選的兩個方案中，采用方案二懸吊保護方案能有效保護燃氣管線不受隧道開挖產(chǎn)生的土體變形影響，確保施工安全。方案一雖然在實際實施中未采用，但是綜合多個項目經(jīng)驗成果，仍為對現(xiàn)狀管線保護的有效方案之一。

（2）結(jié)合管線改遷的有利條件，在改遷施工中即提前對燃氣管線進行保護，為中選方案（方案二）最重要的特點。既避免了對于帶氣次高壓燃氣管線施工的風(fēng)險，又能避免燃氣管二次改遷而導(dǎo)致的浪費。雖然對于隧道暗挖的施工工期產(chǎn)生了一定影響，但是對于整個項目實施的安全性和經(jīng)濟性均有較好的保證。

（3）本文比選出的“管線改遷+ 懸吊保護”方案是合理可行的，可供今后類似工程的施工設(shè)計借鑒。