城市地鐵近距離下穿大型輸水管道防護(hù)技術(shù)

閆夢(mèng)華

(1.遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166;2.沈陽安騰物業(yè)服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 工程概況

沈陽地鐵十號(hào)線是沈陽地鐵線網(wǎng)“雙L”線中的一條線路，一期工程全長(zhǎng)約30.8km，全部為地下線隧道，2013年3月22日開工建設(shè)，2020年4月29日正式運(yùn)營(yíng)。

桑林子車輛段出入線隧道(簡(jiǎn)稱出入線隧道)與大伙房水庫輸水工程大型輸水管道(簡(jiǎn)稱輸水管道)交叉。大伙房水庫輸水工程是向遼寧省撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營(yíng)口、盤錦、大連等七城市輸水的一項(xiàng)大型區(qū)域性水資源配置工程，輸水工程的供水量占該區(qū)域總供水量的50%以上，受益人口超過1400萬，輸水總量約為327萬m3/d。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭示，出入線隧道位于沖洪積扇中部，沉積的地層顆粒粗，分布連續(xù)，上覆黏性土層。出入線隧道范圍內(nèi)的地下水賦存于礫砂、圓礫等土層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。交叉段出入線結(jié)構(gòu)覆土深度為6～12m，主要穿越地層為粉質(zhì)黏土、中粗砂、礫砂、圓礫。中粗砂、礫砂、圓礫層中含有豐富地下水，施工中容易產(chǎn)生塌方、地基沉陷，容易引起輸水管道沉降、位移等。

3 交叉穿越工程的主要風(fēng)險(xiǎn)源分析

3.1 輸水管道概況

出入線隧道下穿兩根正在運(yùn)行的輸水管道，輸水管道內(nèi)徑3.2m，外徑3.8m，水平中心距15m，覆土約3.6m，材質(zhì)為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土承插管(即PCCP管)，分節(jié)長(zhǎng)度為5.0m，設(shè)計(jì)水壓力為0.6MPa。

3.2 出入線與既有輸水管線相對(duì)位置關(guān)系

平面關(guān)系見圖1：出入線隧道與輸水管道平面投影斜交，左線隧道與輸水管道成53°交角，下穿輸水管道斜長(zhǎng)23.7m，右線隧道與輸水管道成57°交角，下穿輸水管道斜長(zhǎng)22.8m。

圖1 出入線與輸水管線相對(duì)位置關(guān)系

縱斷面關(guān)系：出入線隧道右線與既有輸水管道B、A交點(diǎn)處豎向凈距3.54m、3.32m，出入線隧道左線與既有輸水管道B、A交點(diǎn)處豎向凈距3.09m、2.18m。

該工程為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)工程。

3.3 輸水管道承插口最大允許變位

出入線隧道采用盾構(gòu)機(jī)施工穿越兩根輸水管道，穿越處輸水管道額定工作壓力0.6MPa，管道為2×DN3200 PCCP管，單節(jié)長(zhǎng)度5m，管道承插接口采用F型雙膠圈密封，接口允許最大轉(zhuǎn)角0.25°，考慮管道沉降及敷設(shè)管道時(shí)的施工誤差，按系數(shù)0.8折減，接口處的最大允許差異沉降為

Δl=Lsinα·k/2

式中：Δl為允許最大沉降量，mm；L為單節(jié)管道長(zhǎng)度，mm；α為接口允許最大轉(zhuǎn)角，(°)；k為折減系數(shù)，取0.8。

本工程中，Δl=5000×sin0.25°×0.8/2=8.7mm。即盾構(gòu)下穿輸水管道的接口差異沉降控制指標(biāo)不得大于8.7mm。

4 難點(diǎn)分析

由于輸水管道內(nèi)壓力大(0.6MPa)，輸水管道日供水高達(dá)327萬m3，如果此處輸水管道爆管，以最快的速度關(guān)閉最近閥門，管道內(nèi)也有大約10萬m3水噴射而出，將淹沒附近居民區(qū)及工廠等相關(guān)設(shè)施，并影響下游城市及1400萬人的吃水安全，將造成巨額損失以及嚴(yán)重的社會(huì)影響。同時(shí)，如果輸水管線爆管漏水淹沒地鐵隧道，將造成無法估量的損失和社會(huì)影響。

地鐵隧道盾構(gòu)施工前，需要對(duì)正常運(yùn)行的輸水管道實(shí)施防護(hù)，比選防護(hù)方案，研究確定可行的防護(hù)措施。既要考慮防護(hù)措施的設(shè)計(jì)合理性，又要有應(yīng)對(duì)既有大型輸水管道差異沉降變形或位移的控制措施等。

在防護(hù)工程和地鐵隧道盾構(gòu)施工中，需對(duì)輸水管道設(shè)計(jì)并實(shí)施及時(shí)準(zhǔn)確有效的監(jiān)測(cè)方案。對(duì)既有大型輸水管道的變形或位移監(jiān)測(cè)，從施工前至施工完成后一段時(shí)間，需要實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，并需要自動(dòng)報(bào)警提示。

5 防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

5.1 支托結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

為了解決地鐵隧道施工過程中輸水管線周圍土層松動(dòng)，造成輸水管線下降的問題，設(shè)計(jì)一種地鐵出入線盾構(gòu)法下穿輸水管線支托結(jié)構(gòu)，見圖2，支托結(jié)構(gòu)包括工作坑、管棚、固定梁和樁支座。在兩條輸水管道外側(cè)設(shè)置頂進(jìn)井1號(hào)工作坑、2號(hào)工作坑，輸水管道中間為接收井3號(hào)工作坑，工作坑作為管棚施工的操作空間。工作坑底設(shè)置鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，作為樁支柱，分別從1號(hào)工作坑、2號(hào)工作坑向3號(hào)工作坑頂進(jìn)密排鋼管作為支護(hù)管棚，管棚兩端與鉆孔灌注樁頂端設(shè)置鋼筋混凝土固定梁。支托結(jié)構(gòu)就像橋梁，管棚上方支撐輸水管道，地鐵隧道在管棚下方通過。

圖2 地鐵出入線盾構(gòu)法下穿輸水管線支托結(jié)構(gòu)

5.1.1 支托結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)

在工作坑豎井內(nèi)打設(shè)鉆孔灌注樁作為底部托梁基礎(chǔ)。根據(jù)工作坑布置位置以及承載輸水管道的分布力計(jì)算，鉆孔灌注樁設(shè)為摩擦樁。其中，1號(hào)工作井、2號(hào)工作井分別設(shè)置5根，樁徑1000mm，樁長(zhǎng)25m，端承摩擦樁fak=4500kN；3號(hào)工作井設(shè)置6根，樁徑1200mm，樁長(zhǎng)25m，端承摩擦樁fak=8300kN，共計(jì)16根。

5.1.2 工作豎井圈梁設(shè)計(jì)

工作井采用倒掛井壁法施作，在施作工作井前，先在地表進(jìn)行豎井圈梁施工，豎井圈梁尺寸為1400mm×900mm，采用C35鋼筋混凝土。

5.1.3 工作井施工

工作井采用倒掛井壁法成井，跳孔施工，豎井尺寸為6m×5.5m(1號(hào)井、2號(hào)井)和4m×2.8m(3號(hào)井)，跳挖井間土體，形成整體工作井布置形式。

工作井開挖采用挖機(jī)作業(yè)，每開挖完成一榀立即進(jìn)行井壁豎向錨管打設(shè)。井壁錨管采用φ32×3.25mm小導(dǎo)管，長(zhǎng)2.0m，橫向0.5m，梅花形布置，非加密區(qū)豎向間距為2榀格柵一打，水平傾角10°；加密區(qū)豎向間距為每榀一打，水平傾角5°；錨管打設(shè)完畢后初噴C25混凝土。初噴混凝土凝固后在井壁掛φ7.5@150mm×150mm單層鋼筋網(wǎng)片，架設(shè)鋼筋格柵，噴射C25速凝混凝土；豎井四角加設(shè)I20b工字鋼斜撐，豎向每榀格柵架設(shè)一道。

重復(fù)上述步驟，直至井底并封底。最后開挖井間土體，步驟同上，形成整體工作井。整體工作井施工完畢后，在中隔壁上開挖門洞，以便進(jìn)行樁頂連續(xù)梁的施工。

豎井施工至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行壁板鋼筋格柵的安裝，并澆筑C25混凝土。

5.1.4 樁頂連續(xù)梁施工

密排管棚及管內(nèi)注漿。地面袖閥管布孔完畢后開始施工樁頂連續(xù)梁，連續(xù)梁尺寸有1200mm×2000mm、12000mm×2500mm兩種規(guī)格。樁頂連續(xù)梁采用C35鋼筋混凝土現(xiàn)澆。連續(xù)梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后方可回填基坑。

5.2 管棚支護(hù)防護(hù)設(shè)計(jì)

為保證出入線雙隧道盾構(gòu)穿越在線運(yùn)行的兩根輸水管道安全穩(wěn)定，有效控制盾構(gòu)施工引起的輸水管道沉降及位移變化在允許范圍內(nèi)，在輸水管線與區(qū)間隧道中間架設(shè)φ299@350mm的密排鋼制管棚作支護(hù)，管棚兩端采用鋼筋混凝土灌注樁作支撐，樁頂架設(shè)鋼筋混凝土連續(xù)梁作為管棚的固端支撐座。

管棚在輸水管道下方與地鐵盾構(gòu)之間施作，距離輸水管道底部1.0～1.7m。

為保證支護(hù)效果和施工質(zhì)量，將管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為鎖扣管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)，即將鋼管兩側(cè)按一定參數(shù)通長(zhǎng)焊接角鐵形成扣槽軌道，相鄰鋼管沿軌道施工頂進(jìn)并形成扣接，多根鋼管的排列扣接成為幕墻，使支護(hù)鋼管成為整體并封閉相鄰鋼管之間的縫隙，隔水擋土。見圖3、圖4。

圖3 鎖扣管棚結(jié)構(gòu) (單位：mm)

圖4 管棚支護(hù)橫截面圖 (單位：mm)

5.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

5.3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

針對(duì)工作坑開挖、管棚加固、盾構(gòu)下穿及隧道周圍注漿施工對(duì)輸水管線產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)安裝自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以觀察沉降位移情況，及時(shí)掌握各工序可能對(duì)既有輸水管線結(jié)構(gòu)的影響，確保既有輸水管線的安全。

在基坑開挖影響范圍內(nèi)，布設(shè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每5m一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，且與管線上方地表測(cè)點(diǎn)處于同一直線布置。沿輸水管線A、B方向65m內(nèi)(每節(jié)管5m)，在每節(jié)管道接頭處左右布設(shè)2個(gè)，兩根輸水管共52個(gè)管頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；在地鐵隧道組裝管片每節(jié)管中間處布設(shè)管頂上方地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)16個(gè)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)匯總見表1。

在管頂沉降、管線上方地表沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，初選方案一采用瑞士徠卡MS50全站儀，測(cè)角精度為1″，測(cè)

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)點(diǎn)匯總

邊精度為1.0mm+2.0ppm；方案二采用瑞士徠卡TM50自動(dòng)全站儀，測(cè)角精度為0.5″，測(cè)邊精度為0.6mm+1ppm。經(jīng)過比選，根據(jù)測(cè)量精度要求，選擇瑞士徠卡TM50自動(dòng)全站儀作為數(shù)據(jù)采集的儀器，配以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件，定時(shí)啟動(dòng)儀器進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)軟件處理后，生成變形監(jiān)測(cè)報(bào)表。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于測(cè)量機(jī)器人的有合作目標(biāo)(照準(zhǔn)棱鏡)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成見圖5。

圖5 全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

5.3.2 管線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件從空間分布上劃分，主要有布設(shè)于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和布設(shè)于辦公室的遠(yuǎn)程控制設(shè)備。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)測(cè)量機(jī)器人、基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡構(gòu)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主體，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)于變形區(qū)域之外的穩(wěn)固不動(dòng)處，作為系統(tǒng)形變的參照基準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)布設(shè)在管線上方，測(cè)量機(jī)器人即測(cè)站點(diǎn)既可布設(shè)于變形區(qū)域外也可設(shè)于變形區(qū)內(nèi)，其他設(shè)備如無線遠(yuǎn)程電源開關(guān)、溫度氣壓傳感器、無線路由和工控機(jī)等都布設(shè)在控制箱內(nèi)。辦公室是系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)處理的交互中心，需運(yùn)行遠(yuǎn)程控制及后處理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和接入Internet網(wǎng)絡(luò)的有線或無線路由等軟、硬件。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

管線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.系統(tǒng)使用靈活多樣。系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，基于Internet網(wǎng)絡(luò)，可在辦公室計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互控制，可定期通過E-mail自動(dòng)向數(shù)據(jù)處理軟件發(fā)送數(shù)據(jù)。

b.觀測(cè)方案的優(yōu)化。軟件可根據(jù)需要調(diào)整每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)性化觀測(cè)方案，如每個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)回?cái)?shù)，小視場(chǎng)開關(guān)、遮擋等待時(shí)間等都可以分別設(shè)置。

c.實(shí)時(shí)大氣折光模型改正。根據(jù)獲取的大量溫度、氣壓數(shù)據(jù)，建立大氣折光改正模型，提高系統(tǒng)高程精度。

d.測(cè)站三維坐標(biāo)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)解算，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度

5.3.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)的施工方法研究

輸水管道布點(diǎn)前先進(jìn)行管道開挖探測(cè)，選擇半抱箍+剛性連接桿的方式，管道開挖至管頂頂部后，預(yù)留300mm人工清理管線表面泥土，用水泥砂漿加108膠將事先加工的1000mm×30mm×3mm的扁鋼彎成與管道外徑相同的弧度，扁鋼上焊接連接桿固定在管道上，連接桿長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖管線覆土厚度確定，用PVCφ50套管對(duì)連接桿進(jìn)行保護(hù)，以減少連接桿與土體的摩擦力，套管內(nèi)回填細(xì)砂，連接桿頂端焊接70mm×30mm×30mm角鐵，三角鐵側(cè)立面鉆φ8孔固定小棱鏡，所有反射棱鏡均采用52mm直徑的反射棱鏡，點(diǎn)位埋設(shè)后對(duì)管線進(jìn)行土體回填，回填后確保點(diǎn)位高于地面100mm，管線上方地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方式與管線豎向、水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方式相同，見圖7。

圖7 管頂沉降、水平位移及管線上方地表自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)志

6 自動(dòng)化變形累計(jì)量分析

沈陽地鐵十號(hào)線桑林子車輛段出入線隧道盾構(gòu)區(qū)間下穿大伙房輸水管線段施工工期為2018年7月至2019年3月下旬。經(jīng)過近10個(gè)月的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，2019年3月18日累計(jì)變形量為最終的測(cè)量成果。

6.1 地表的累計(jì)變形分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制地表X方向累計(jì)變形量，由圖8可以看出，X向變形最大量為3.54mm,可見管線上方地表監(jiān)測(cè)值都在控制范圍內(nèi)，并且未達(dá)到預(yù)警值。

圖8 地表X方向累計(jì)變形量

6.2 輸水管線的累計(jì)變形分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪圖，A管線的管頂水平位移和管頂沉降情況見圖9，可以看出，X向變形最大量為3.99mm,可見管線水平位移和管頂沉降都在控制范圍內(nèi)，并且未達(dá)到預(yù)警值。

圖9 管線A線管頂X方向累計(jì)變形量

B管線的管頂水平位移和管頂沉降情況見圖10，可以看出，X向變形最大量為4.3mm,可見管線水平位移和管頂沉降都在控制范圍內(nèi)，并且未達(dá)到預(yù)警值。

圖10 管線B線管頂X方向累計(jì)變形量

6.3 管頂沉降不均勻性分析

為掌握經(jīng)過工作坑開挖、管棚加固、盾構(gòu)下穿管線等工序后的不均勻沉降情況，對(duì)A、B管線的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，得出差異變形量，見圖11、圖12。 由圖可知兩條管線的差異沉降都在0.5mm以內(nèi)，小于控制值8.7mm，未超出控制范圍，沉降均勻，管線和基礎(chǔ)不易被破壞。

圖11 A管線管頂差異沉降情況

圖12 B管線管頂差異沉降情況

7 結(jié) 語

沈陽地鐵十號(hào)線城市地鐵近距離下穿既有輸水管道(大伙房水庫輸水工程大型PCCP輸水管道)在國(guó)內(nèi)外尚屬首例，支托結(jié)構(gòu)管棚支護(hù)防護(hù)技術(shù)在出入線隧道下穿輸水管道中的應(yīng)用，接合穿越工程施工中采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與智能聯(lián)控的應(yīng)用，保證了管棚入土位置與出土位置均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；與聯(lián)合注漿接合，在輸水管道出現(xiàn)位移及沉降變化時(shí)及時(shí)定向注漿進(jìn)行糾偏，施工開始至完工后1年內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)際最大差異位移及沉降變化值為0.5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的8.7mm，保證了輸水管道的沉降變化符合設(shè)計(jì)要求，從而保證了輸水管道的運(yùn)行安全。fffff5