淺埋暗挖法隧道下穿管線施工控制標(biāo)準(zhǔn)及控制措施研究*

周 偉 牛 斌 曾德光 郭 婷

(1.石家莊市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，050011，石家莊；2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，100037，北京 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)過(guò)程中的事故數(shù)量也呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì), 地鐵施工中的地下管線斷裂和地面塌陷事故, 大部分都發(fā)生在大直徑地下管線有滲漏并采用礦山法施工的過(guò)程中[1]。淺埋暗挖法隧道下穿管線施工是一項(xiàng)綜合技術(shù)，對(duì)其控制標(biāo)準(zhǔn)及處理措施的研究尤為重要。本文以石家莊地鐵工程為例研究淺埋暗挖法隧道下穿管線施工控制標(biāo)準(zhǔn)及控制措施。

1 管線及空洞調(diào)查

1.1 管線調(diào)查內(nèi)容

管線調(diào)查是施工工法選擇和措施應(yīng)用的前提，管線調(diào)查資料應(yīng)詳盡，需重點(diǎn)調(diào)查地下管線的類型、功能、材質(zhì)、規(guī)格、坐標(biāo)位置、走向、埋設(shè)方式、埋深、施工方法、建成年代、產(chǎn)權(quán)單位等內(nèi)容[7]。各類管道的調(diào)查內(nèi)容還應(yīng)包括管節(jié)長(zhǎng)度、接口形式、拐折點(diǎn)坐標(biāo)、管徑變化位置、閥門或檢查井位置、載體特征(壓力、流量流向)、使用情況(正常、廢棄、滲漏)等。采用地下綜合管道共同溝的，調(diào)查內(nèi)容還包括共同溝的結(jié)構(gòu)形式、斷面尺寸、頂(底)板埋深、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、變形縫設(shè)置情況等。

1.2 調(diào)查范圍及精度要求

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)的《城市軌道交通工程周邊環(huán)境調(diào)查指南》，暗挖施工時(shí)，管線的調(diào)查范圍應(yīng)不小于隧道結(jié)構(gòu)外邊線兩側(cè)各30 m，同時(shí)不小于3倍設(shè)計(jì)底板埋深和3倍隧道開(kāi)挖寬度，應(yīng)取三者中的最大值。管線調(diào)查以中誤差作為衡量管線精度的標(biāo)準(zhǔn)，以2倍中誤差作為極限誤差[8]。

對(duì)于設(shè)計(jì)有特殊要求的，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的沉降槽寬度來(lái)進(jìn)行管線范圍調(diào)查。同時(shí)，管線的調(diào)查精度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)不同的位置和施工措施進(jìn)行管線詳細(xì)核查。

1.3 管線周邊空洞排查

由于地下管線施工、滲漏等原因，地層中可能存在空洞或水囊。其存在對(duì)于暗挖施工風(fēng)險(xiǎn)很大，應(yīng)進(jìn)行排查。地下管線主要集中在不超過(guò)3 m深的范圍內(nèi)，因此探地雷達(dá)可以滿足排查要求[9]。探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)手段，相比于面波、電法等物探方法，其具有探測(cè)速度快、探測(cè)過(guò)程連續(xù)、操作方便、分辨率高和對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鐵路、公路等大型土木工程的地質(zhì)工程條件探測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。

2 管線控制標(biāo)準(zhǔn)

在管線調(diào)查的基礎(chǔ)上，確定管線的安全現(xiàn)狀和控制標(biāo)準(zhǔn)，一般采用規(guī)范法、試驗(yàn)法和數(shù)值分析法。

2.1 規(guī)范要求

1) GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[7]規(guī)定：供水管線及直徑100～400 mm以下的燃?xì)夤芫€沉降控制值為10～30 mm，雨污水管道的沉降控制值為10～20 mm，沉降控制速率為2 mm/d；直徑100～400 mm的燃?xì)夤芫€差異沉降控制值為0.25%Lg/mm(Lg為管節(jié)長(zhǎng)度)，雨污水管道及供水管線的差異沉降控制值為0.2%Lg/mm。

2) GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：有壓剛性管道沉降控制值為10～20 mm，無(wú)壓剛性管道沉降控制值為10～30 mm，沉降速率控制值為2 mm/d；柔性管線沉降控制值為10～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d。

3) JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：有壓剛性管道沉降控制值為10～30 mm，沉降速率控制值為1～3 mm/d；無(wú)壓剛性管道沉降控制值為10～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d；柔性管線沉降控制值為10～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d。

4) 上海市DGTJ 08-2001—2016《基坑工程施工監(jiān)測(cè)規(guī)程》規(guī)定：供水、燃?xì)鈩傂怨艿莱两悼刂浦禐?0～30 mm，變化速率為2～3 mm/d；電纜、通信等柔性管線沉降控制值為10～40 mm，變化速率為3～5 mm/d。

5) 廣東省DBJT 15-162—2019《建筑基坑施工監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：有壓剛性管道沉降控制值為10～30 mm，沉降速率控制值為1～3 mm/d；無(wú)壓剛性管道和柔性管線的沉降控制值為20～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d。

從以上規(guī)范可以看出，目前管線沉降控制主要是從沉降值和沉降速率兩方面來(lái)進(jìn)行控制，但是根據(jù)石家莊地鐵的施工監(jiān)測(cè)結(jié)果，僅按照沉降值和沉降速率作為控制標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法合理評(píng)價(jià)管線的安全狀態(tài)[6]，且無(wú)法滿足淺埋暗挖法的施工要求?！冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》考慮了管線差異沉降的控制指標(biāo)，但是其規(guī)定仍比較籠統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加載試驗(yàn)，對(duì)管線的變形和受力狀態(tài)進(jìn)行研究，分析其變形、應(yīng)力、接頭轉(zhuǎn)角等允許值[10]。單獨(dú)的試驗(yàn)管線可以取自現(xiàn)場(chǎng)改移的管線，也可以選用與原管線相同材質(zhì)和接頭的管線。但是單獨(dú)的管線試驗(yàn)無(wú)法考慮管線與土體的相互作用。

為分析管線與土體的相互作用、接頭剛度對(duì)管線沉降的影響，以及隧道開(kāi)挖下管土脫開(kāi)的現(xiàn)象，需要對(duì)暗挖施工與管線沉降進(jìn)行整體試驗(yàn)研究[11]。暗挖施工使管線產(chǎn)生縱向應(yīng)力和變形，同時(shí)引起管線周圍土體模量下降，因此對(duì)暗挖施工與管線沉降進(jìn)行整體試驗(yàn)研究更符合工程實(shí)際。但是管線與土體的試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2.3 計(jì)算分析

暗挖施工時(shí)的管線及地表沉降監(jiān)測(cè)研究表明：當(dāng)?shù)叵鹿芫€剛度較大時(shí)，管體與地層之間存在較大的差異沉降；地下管線整體變形與地層移動(dòng)規(guī)律基本相同；隧道垂直下穿時(shí)，管體沉降曲線基本符合正態(tài)分布。通過(guò)Peck公式對(duì)隧道工程地表沉降預(yù)測(cè)數(shù)值進(jìn)行修正，進(jìn)而建立地下管線變形預(yù)測(cè)公式，再結(jié)合已有地層損失率研究成果,計(jì)算得出管線沉降槽寬度參數(shù)的參考取值[12]，或者建立“隧道-管道-土體”的三維有限元計(jì)算模型，并從沉降、變形和管-土相互作用等方面系統(tǒng)研究施工對(duì)鄰近接頭管道的影響[13]。因此，要準(zhǔn)確分析隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的土體位移對(duì)管線的影響，應(yīng)考慮地層位移沉降曲線、管段剛度及接頭剛度等影響因素，建立有接頭管線的工程評(píng)價(jià)方法，以分析隧道開(kāi)挖對(duì)有接頭地埋管線的影響[14]。

2.4 管線控制標(biāo)準(zhǔn)建議

綜上，由于管線直徑、種類、接頭方式、使用條件、工程地質(zhì)等的不同，無(wú)法采用某一種方法得到一個(gè)普適的標(biāo)準(zhǔn)。以石家莊地鐵工程為例，石家莊地下水位普遍在地下35～45 m之間，地鐵施工范圍無(wú)地下水，管線所處地層主要為黃土狀粉質(zhì)黏土，地鐵車站和區(qū)間主要穿越黃土狀粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)黏土等地層。結(jié)合石家莊地鐵工程施工的管線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析計(jì)算，提出如表1所示的石家莊地層條件下不同管線的控制情況。其中，差異沉降控制值建議為2%～4%，接頭轉(zhuǎn)角控制值建議為1.0°～2.5°，沉降速率控制值建議為2～3 mm/d，有壓剛性管線控制值應(yīng)比無(wú)壓剛性管線控制值更為嚴(yán)格[6]。對(duì)于實(shí)際工程中暗挖施工時(shí)管線普遍沉降超標(biāo)的情況，建議超出沉降控制值后，將差異沉降和接頭轉(zhuǎn)角作為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 石家莊地層條件下地鐵工程施工中不同管線控制情況

3 淺埋暗挖下穿管線施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

淺埋暗挖下穿管線施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)是制定處理措施的前提。風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)與管線現(xiàn)狀、暗挖工法、鄰近關(guān)系等多種因素有關(guān)。根據(jù)《軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》[15]，管線按重要性分為2類：①重要管線——雨污水干管、中壓以上的煤氣管、直徑較大的自來(lái)水管、中水管、軍用光纜等，以及其他使用時(shí)間較長(zhǎng)的鑄鐵管、承插式接口混凝土管等。②一般管線——小直徑雨污水管、低壓煤氣管、電信、通信、電力管(溝)等。淺埋暗挖下穿管線施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)如表2所示，其中B為礦山法隧道毛洞寬度。

表2 淺埋暗挖下穿管線施工風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)

表2中的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，整體而言是合理的。但應(yīng)注意施工方法及穿越、鄰近形式的不同，應(yīng)結(jié)合管線保護(hù)要求和特點(diǎn)進(jìn)行具體分析，同時(shí)可根據(jù)地質(zhì)和地下水等情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的調(diào)整。

由于涉及工程措施費(fèi)和風(fēng)險(xiǎn)管理費(fèi)，以及對(duì)暗挖下穿管線的重視程度不夠，目前對(duì)于淺埋暗挖下穿管線施工，尤其是對(duì)于地鐵車站暗挖出入口下穿管線施工，普遍存在人為降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的情況。這對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)控制是極其不利的。

4 管線處理及保護(hù)措施

4.1 管線遷改

部分工程人員存在一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為采用暗挖法施工不需要或者不應(yīng)當(dāng)對(duì)管線進(jìn)行改遷。這一思路應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變。對(duì)于暗挖施工影響較大、范圍較廣、質(zhì)量差的管線，或者當(dāng)管線改遷的費(fèi)用小于暗挖處理措施的費(fèi)用時(shí)，可以對(duì)管線進(jìn)行改遷。如位于暗挖車站上方、沿車站縱向布置的某預(yù)制混凝土圓管，接頭為承插連接，且下部存在空洞和水囊，施工時(shí)可以將其改遷至暗挖車站一側(cè)。

4.2 廢棄管線回填

對(duì)于暗挖穿越范圍的廢棄管線，或者永久改遷后的廢棄管線，當(dāng)管線位于拱頂范圍時(shí)，對(duì)于此部分管線，應(yīng)回填泡沫混凝土將其填充密實(shí)后再施工；兩側(cè)采用拉筋磚回填，拉筋錨入兩側(cè)墻體內(nèi)，中間采用鉆孔注漿方式進(jìn)行分層回填[16]。當(dāng)管線位于拱頂以下時(shí)，可僅在邊樁施工范圍內(nèi)回填混凝土即可，其余部分可不處理；但是應(yīng)排出管線內(nèi)的積水，同時(shí)對(duì)檢查井進(jìn)行封堵，避免對(duì)暗挖施工造成影響。

4.3 管線自身處理與加強(qiáng)措施

1) 內(nèi)部支頂：對(duì)于較大直徑的管線，如電力管溝、人防管溝、雨污合流溝，可以采用內(nèi)部臨時(shí)支頂加固方法進(jìn)行處理。臨時(shí)支頂應(yīng)根據(jù)管線使用情況進(jìn)行布置。

2) 內(nèi)襯修復(fù)與加固：對(duì)于大直徑的雨水管或方溝，可采用內(nèi)襯法進(jìn)行處理。在其內(nèi)部鋪設(shè)柔性防水卷材,將接頭留在管線上方,采用與隧道防水相似的施工工藝處理縱向接頭,將防水卷材釘于管壁上，以減少管線滲透。對(duì)于直徑較小的雨水管、污水管，可以采用CIPP(現(xiàn)場(chǎng)固化法，又稱翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯法)翻轉(zhuǎn)內(nèi)襯修復(fù)技術(shù)[17]、內(nèi)襯增強(qiáng)技術(shù)或者不銹鋼內(nèi)襯修復(fù)工藝等方法進(jìn)行處理。

3) 管線原位更換：對(duì)于覆土較淺、管線質(zhì)量較差或者接頭較弱的管線，當(dāng)不具備遷改條件時(shí)，可以采用原位更換方式進(jìn)行處理。如將混凝土管更換為鋼管，將波紋管調(diào)整為現(xiàn)澆混凝土管。對(duì)管道和接頭同時(shí)進(jìn)行原位加強(qiáng)處理，以增加管線的抗?jié)B及抗變形能力。

4) 管線接頭加強(qiáng)：對(duì)于部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好，但是接頭較薄弱、承受不均勻沉降較差的管線，可以僅對(duì)暗挖施工影響范圍內(nèi)的管線接頭進(jìn)行加強(qiáng)處理?？梢圆捎貌讳P鋼脹圈修復(fù)工藝，利用專用液壓設(shè)備，對(duì)不銹鋼脹圈施壓，將密封止水帶安裝固定在接口兩側(cè)，從而在接縫處建立長(zhǎng)久性、密封性的軟連接，保證管線的正常運(yùn)行。也可以采用不銹鋼發(fā)泡筒修復(fù)工藝，在一個(gè)定型的不銹鋼內(nèi)芯結(jié)構(gòu)上粘附海棉，通過(guò)預(yù)浸在海棉內(nèi)的原料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)將不銹鋼筒固定在待修部位，從而在管道接縫處形成具有長(zhǎng)久性、密封性良好的剛性連接，使管道的接口錯(cuò)位處、裂縫處不再發(fā)生滲漏。舊管道+不銹鋼芯筒的復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了舊管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4.4 管線外部保護(hù)控制措施

4.4.1 方案及工法的選擇

1) 應(yīng)盡量避開(kāi)線路平面上的管線，縱向穿越管線時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)從隧道正上方穿越，斷面方向穿越管線時(shí)宜正交穿越，應(yīng)盡量加大隧道與管線豎向凈距。

2) 對(duì)于暗挖穿越的地層，尤其是拱頂部位的地層，應(yīng)盡量選擇穩(wěn)定性較好的地層，避免軟弱地層和地層交界面位置。

3) 開(kāi)挖斷面的大小對(duì)管線沉降的影響較大，下穿重要管線時(shí)應(yīng)盡量采用小斷面穿越。如兩線之間存在交叉渡線區(qū)域時(shí)，渡線區(qū)域暗挖大斷面應(yīng)避開(kāi)重要管線。

4) 應(yīng)盡量選擇沉降控制較好的工法[18]，并采取輔助控制措施。

4.4.2 控制措施

淺埋暗挖施工前應(yīng)進(jìn)行超前探測(cè)，探測(cè)長(zhǎng)度不小于10 m，發(fā)現(xiàn)空洞或者水囊應(yīng)進(jìn)行填充注漿。穿越管線時(shí)，可以采用管棚、管幕[19]、水平旋噴、深孔注漿、超前小導(dǎo)管等措施。對(duì)于重要管線和接頭較差的管線，也可以采用地面注漿或者洞內(nèi)注漿對(duì)管線周邊土體進(jìn)行加固，增強(qiáng)管線的接頭抗變形能力。初襯及二襯施工完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行背后回填注漿，初襯背后注漿深度不小于0.5 m。同時(shí)，加強(qiáng)工后沉降監(jiān)測(cè)，對(duì)于重要的管線必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描，檢查管線下方是否存在空洞并及時(shí)予以處理。

4.5 管線暫停使用

對(duì)于非工業(yè)供熱管線，應(yīng)盡量避開(kāi)供暖季施工。下穿雨水管施工時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)雨季施工。對(duì)于雨水、污水等管線，也需采取臨時(shí)導(dǎo)流等措施。

5 管線施工應(yīng)急處理措施

1) 建立分級(jí)應(yīng)急指揮系統(tǒng)。政府、地鐵公司、施工單位應(yīng)建立多級(jí)應(yīng)急指揮系統(tǒng)，統(tǒng)一管理管線應(yīng)急情況。

2) 建立協(xié)調(diào)工作機(jī)制。施工前管線排查及交底應(yīng)邀請(qǐng)產(chǎn)權(quán)單位出席，詳細(xì)了解管線現(xiàn)狀及使用情況。熟悉施工區(qū)域管線閥門位置等情況，便于事故時(shí)的緊急處置。加強(qiáng)各管線產(chǎn)權(quán)單位的橫向協(xié)調(diào)，同時(shí)加強(qiáng)與消防、公安的聯(lián)系，并與醫(yī)院建立救援聯(lián)絡(luò)[20]。

3) 細(xì)化應(yīng)急預(yù)案。根據(jù)暗挖施工、地層和管線情況，分類制定詳細(xì)且實(shí)用性強(qiáng)的應(yīng)急預(yù)案。

4) 加強(qiáng)應(yīng)急演練和救援培訓(xùn)。通過(guò)演練檢驗(yàn)和評(píng)估應(yīng)急預(yù)案的可行性，為改進(jìn)應(yīng)急預(yù)案、提高其可操作性打下基礎(chǔ)。同時(shí)，要檢驗(yàn)應(yīng)急救援機(jī)制運(yùn)行情況，鍛煉應(yīng)急救援隊(duì)伍，提高危機(jī)意識(shí)和應(yīng)對(duì)能力。

6 結(jié)論

1) 淺埋暗挖法下穿管線是一項(xiàng)綜合技術(shù)，涉及管線調(diào)查及空洞排查、控制標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)、處理措施、應(yīng)急處理等內(nèi)容。

2) 管線調(diào)查資料是前提，調(diào)查應(yīng)詳盡、調(diào)查范圍和精度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)和施工要求，重點(diǎn)部位應(yīng)進(jìn)行空洞排查。

3) 對(duì)于剛性管線，建議以差異沉降為主要控制標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于柔性管線，建議以接頭轉(zhuǎn)角為主要控制標(biāo)準(zhǔn)。

4) 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和處理措施應(yīng)根據(jù)暗挖工法、管線現(xiàn)狀等選擇合理方案。處理措施包含管線自身處理措施和暗挖施工保護(hù)措施。

5) 風(fēng)險(xiǎn)管理和應(yīng)急處理也是暗挖鄰近管線施工的一個(gè)重要方面，應(yīng)建立分級(jí)應(yīng)急指揮系統(tǒng)和各單位的協(xié)調(diào)工作機(jī)制，同時(shí)細(xì)化應(yīng)急預(yù)案并加強(qiáng)應(yīng)急演練和救援培訓(xùn)。

下一步還應(yīng)建設(shè)地下管線綜合信息管理系統(tǒng)，加強(qiáng)地下管線信息采集和資源共享，實(shí)行動(dòng)態(tài)維護(hù)和管理，并加強(qiáng)暗挖施工前后的管線評(píng)估工作。