重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管道應(yīng)用技術(shù)的研究

福亞旭 段 培

北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處 北京 102600

1 研究背景與工程概述

1.1 研究背景

習(xí)近平總書記在主持召開推進(jìn)南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上指出，要深入分析南水北調(diào)工程面臨的新形勢新任務(wù)，完整、準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念，按照高質(zhì)量發(fā)展要求，統(tǒng)籌發(fā)展和安全。北京市南水北調(diào)東干渠工程是北京市‘26213’供水格局中‘一環(huán)’的組成部分；隧洞全長44.7公里。近幾年對(duì)隧洞巡查值守過程中發(fā)現(xiàn)隨著城市發(fā)展與規(guī)模擴(kuò)大，愈加完善的基礎(chǔ)設(shè)施一方面提升了人們的生活質(zhì)量，另一方面也對(duì)已有輸水管線結(jié)構(gòu)安全形成了新的挑戰(zhàn)，一些重大工程尤其以對(duì)土體擾動(dòng)較大的盾構(gòu)工程為代表，在穿越輸水管道施工過程中需要采取充分的技術(shù)保護(hù)措施避免水政事件發(fā)生。因此北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處急需研究重大盾構(gòu)工程在隧洞及管線保護(hù)范圍內(nèi)的應(yīng)用技術(shù)。

1.2 南水北調(diào)東干渠工程概述

北京市南水北調(diào)東干渠工程是北京供水格局中“一條環(huán)路”的重要組成部分。東干渠工程位于北京市東部朝陽區(qū)及大興區(qū)境內(nèi)，分為東干渠輸水隧洞工程以及亦莊調(diào)節(jié)池工程兩大部分。東干渠輸水隧洞工程起點(diǎn)位于團(tuán)城湖至第九水廠輸水工程末端（關(guān)西莊泵站北）預(yù)留接口，終點(diǎn)與南干渠工程相接，總長44.7km。隧洞埋深6.5至29.4m，共設(shè)縱向折彎27處，隧洞最大縱坡2.066%。洞頂以上壓力水頭在15.4至43.6m。

本工程隧洞橫斷面采用圓形斷面，輸水隧洞采用復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。一次襯砌為C50，W10，F(xiàn)150預(yù)制混凝土管片，厚300mm。二次襯砌為C35，W10，F(xiàn)150模筑鋼筋混凝土，厚400mm。工程沿線共設(shè)置56座排氣閥井，6座排空井，2座調(diào)壓井，4處分水口。

東干渠工程等別為Ⅰ等。工程主要建筑物為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。本工程主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

2 重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管道綜述

2.1 穿越方式

南水北調(diào)輸水管線一般以地下埋設(shè)方式，采用單管或雙管輸水管道，帶有一定水頭壓力輸水運(yùn)行。

盾構(gòu)工程根據(jù)輸水管線埋深、地層情況、地上物以及周邊其他既有設(shè)施情況，可采取上穿輸水管線、下穿輸水管線以及鄰近輸水管線方式盾構(gòu)施工。

2.2 穿越效果影響因素

盾構(gòu)施工穿越效果與工程地質(zhì)條件、輸水管線保護(hù)范圍內(nèi)地上地下構(gòu)筑物、盾構(gòu)機(jī)選型等因素有關(guān)。同時(shí)還要滿足盾構(gòu)隧道具有足夠的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾構(gòu)直徑；線位上允許建造用于盾構(gòu)進(jìn)出洞和出碴進(jìn)料的工作井等條件[1]。

盾構(gòu)機(jī)須滿足施工范圍內(nèi)各土層的掘進(jìn)需求；盾構(gòu)機(jī)強(qiáng)度與剛度和推進(jìn)力、輸土能力、刀盤切削扭矩等相匹配。根據(jù)北京地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，一般情況下多采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

3 重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管線保護(hù)措施

3.1 前置性保護(hù)措施

對(duì)盾構(gòu)隧道及輸水管線結(jié)構(gòu)之間土體進(jìn)行超前預(yù)加固[2]。在穿越前對(duì)盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)與東干渠結(jié)構(gòu)之間土體進(jìn)行地面注漿加固，注漿漿液一般采用水泥漿，加固寬度為盾構(gòu)區(qū)間寬度向兩側(cè)外擴(kuò)1倍洞涇，加固長度為東干渠中心線向兩側(cè)外擴(kuò)15m，加固高度視結(jié)構(gòu)凈距決定，一般距南水北調(diào)輸水管線結(jié)構(gòu)至少留有2-3m緩沖和安全距離，加固體強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.5-0.8MPa；

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至南水北調(diào)東干渠影響范圍前設(shè)置試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段掘進(jìn)中參照類似地層中掘進(jìn)參數(shù)，以保證良好的掘進(jìn)速度、控制出渣量為控制目標(biāo)，靈活調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)摸索出適合此種地層的最佳參數(shù)組合。地面需設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)（其中部分沉降監(jiān)測點(diǎn)為深層測點(diǎn)）通過對(duì)試驗(yàn)段施工參數(shù)及相關(guān)沉降數(shù)據(jù)的分析及總結(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化初步設(shè)定的參數(shù)值，最大限度地減小盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，保證穿越施工安全可靠[3]。

3.2 盾構(gòu)施工保障措施

調(diào)整并確保盾構(gòu)機(jī)性能良好，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，確保勻速、低速、連續(xù)通過，嚴(yán)格控制地層損失率，出土量采用體積與重量雙控方式進(jìn)行土方控制。

加強(qiáng)同步注漿、及時(shí)進(jìn)行背后補(bǔ)注漿，在地層產(chǎn)生大的變形之前迅速完成相關(guān)作業(yè)[4]。根據(jù)相同地質(zhì)條件下施工經(jīng)驗(yàn)，在穿越段控制漿液的注入數(shù)量，最大程度的減少因充填不及時(shí)、不密實(shí)而造成的地層損失；當(dāng)盾構(gòu)每環(huán)推進(jìn)至差100mm完成時(shí)，停止同步注漿，進(jìn)行管路沖洗；及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，按照對(duì)點(diǎn)、少量、多次、均勻的原則進(jìn)行注漿施工。

從洞內(nèi)采用徑向注漿加固盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)東干渠結(jié)構(gòu)間的土體，縱向加固范圍為盾構(gòu)開挖面距既有結(jié)構(gòu)前后各1.0D范圍內(nèi)，注漿高度1.5m，注漿半徑不小于0.5m，具體參數(shù)應(yīng)以現(xiàn)場試驗(yàn)為準(zhǔn)。

及時(shí)布設(shè)測點(diǎn)，穿越過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，在盾構(gòu)通過一段時(shí)間后，繼續(xù)監(jiān)測東干渠及其地面沉降變化數(shù)據(jù)，如發(fā)生沉降及時(shí)對(duì)隧道周邊土體進(jìn)行補(bǔ)充注漿，有效地控制地面、東干渠的后期變形[5]。

3.3 后期運(yùn)營保護(hù)措施

后續(xù)地鐵運(yùn)行道床在穿越影響范圍內(nèi)采用鋼彈簧浮置板道床，最大程度過濾震動(dòng)，減小對(duì)東干渠結(jié)構(gòu)的影響。

4 地鐵盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)東干渠工程實(shí)例

4.1 工程概況

北京地鐵12號(hào)線酒仙橋站-北崗子站區(qū)間隧道沿萬紅路向東，穿越東五環(huán)后轉(zhuǎn)向東南，沿規(guī)劃東八間房路敷設(shè)，到達(dá)北崗子站。地鐵12號(hào)線酒仙橋站-北崗子站區(qū)間采用外徑6.4m盾構(gòu)法施工，管片為300mm厚C50混凝土管片。

北京地鐵12號(hào)線左、右線分別從東干渠樁號(hào)15+520.373和樁號(hào)15+545.744處上部穿越。盾構(gòu)區(qū)間與南水北調(diào)東干渠樁號(hào)15+534處斜交，右線盾構(gòu)區(qū)間與南水北調(diào)東干渠夾角約為42°，左線盾構(gòu)區(qū)間與南水北調(diào)東干渠夾角約為44°；穿越段區(qū)間覆土約7m，與南水北調(diào)東干渠輸水隧洞結(jié)構(gòu)外頂豎向凈距3.2m。

圖1 平面布置圖

4.2 地質(zhì)狀況

穿越段，土層以砂土和粘性土交互地層為主，穿越地層主要為③粉土、④粉細(xì)砂，⑥粉質(zhì)粘土，沿線隧道圍巖基本分級(jí)為Ⅵ級(jí)。地鐵區(qū)間與東干渠夾層土主要為⑥粉質(zhì)黏土。

圖2 地質(zhì)情況示意圖

4.3 方案比選

在確定酒仙橋站-北崗子站區(qū)間穿越南水北調(diào)平面位置后，區(qū)間穿越南水北調(diào)東干渠有上穿和下穿2種方案。

區(qū)間利用南水北調(diào)東干渠上方16.7m覆土進(jìn)行穿越，覆土約7m，與南水北調(diào)東干渠之間距離3.2m；若下穿南水北調(diào)東干渠，區(qū)間埋深至少35m（考慮盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)東干渠之間1D距離）。

經(jīng)過對(duì)兩個(gè)方案比較，上穿方案較下穿方案有以下幾處優(yōu)點(diǎn)：

1、區(qū)間埋深淺，造價(jià)低；

2、區(qū)間上穿南水北調(diào)東干渠，對(duì)南水北調(diào)東干渠影響較下穿方案??；

3、區(qū)間在穿越南水北調(diào)東干渠前需穿越東五環(huán)環(huán)鐵橋橋樁，上穿方案區(qū)間位于橋樁中部，對(duì)橋樁影響較小，下穿方案位于橋樁端部，對(duì)橋樁影響大；

4、區(qū)間上穿南水北調(diào)東干渠可減少區(qū)間風(fēng)井埋深，既減少風(fēng)險(xiǎn)又降低造價(jià)。

綜上所述，區(qū)間穿越南水北調(diào)方案推薦采用上穿方案。

4.4 技術(shù)保護(hù)措施

地鐵12號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間穿越東干渠結(jié)構(gòu)處全部采用前述重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管線的保護(hù)措施。

盾構(gòu)區(qū)間隧道與東干渠結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行土體預(yù)加固前置性保護(hù)措施。采用超細(xì)水泥進(jìn)行填充注漿，注漿壓力不大于0.3MPa，注漿速度根據(jù)地層孔隙及連通情況、地層密實(shí)度等因素暫定 0.2m3/min-0.3m3/min，單孔注漿量 1.6m3-2.2m3。加固范圍考慮盾構(gòu)施工過程中對(duì)南水北調(diào)東干渠影響及后期地鐵運(yùn)營振動(dòng)對(duì)南水北調(diào)東干渠影響，沿南水北調(diào)東干渠呈平行四邊形（平面 35m×71m），加固高度為 4.2m，加固體強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到0.5MPa-0.8MPa。注漿完成后應(yīng)采用鉆孔取樣法對(duì)注漿效果進(jìn)行檢測，在加固深度范圍內(nèi)，取樣率應(yīng)為總注漿孔數(shù)的0.5%，當(dāng)加固體強(qiáng)度不滿足要求時(shí)應(yīng)對(duì)薄弱部分進(jìn)行補(bǔ)充注漿，待加固體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后方可盾構(gòu)穿越。

圖3 土體加固平面、剖面示意圖

調(diào)整并確保盾構(gòu)機(jī)性能良好，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，確保勻速、均衡、連續(xù)通過，嚴(yán)格控制地層損失率（每環(huán)出土量偏差不超過理論值的 1%，理論值 44m3/環(huán)），出土量采用體積與重量雙控方式進(jìn)行土方控制。

加強(qiáng)同步注漿、及時(shí)進(jìn)行壁后補(bǔ)注漿，在地層產(chǎn)生大的變形之前迅速完成相關(guān)作業(yè)。根據(jù)相同地質(zhì)條件下施工經(jīng)驗(yàn)，在穿越段控制漿液的注入數(shù)量，最大程度的減少因充填不及時(shí)、不密實(shí)而造成的地層損失；注漿時(shí)每次注入量以地面的變化為依據(jù)，注漿壓力控制在 0.3MPa范圍以內(nèi)。盾構(gòu)每環(huán)開始推進(jìn)100mm后時(shí)開始進(jìn)行同步注漿（理論注漿量為4.4m3/環(huán)-5.9m3/環(huán)），隨時(shí)根據(jù)推進(jìn)速度及需要注入的總量對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，通過漿液配比優(yōu)化，將漿液凝固時(shí)間控制在 25-40秒之間，結(jié)實(shí)率大于95%，終凝強(qiáng)度不小于1.7MPa，具體參數(shù)應(yīng)以現(xiàn)場試驗(yàn)為準(zhǔn)，當(dāng)盾構(gòu)每環(huán)推進(jìn)至差100mm完成時(shí)，停止同步注漿，進(jìn)行管路沖洗；及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，按照對(duì)點(diǎn)、少量、多次、均勻的原則進(jìn)行注漿施工。

距盾尾5-10環(huán)，從洞內(nèi)采用徑向注漿加固盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)東干渠結(jié)構(gòu)間的土體，縱向加固范圍為盾構(gòu)開挖面距既有結(jié)構(gòu)前后各 1.0D范圍內(nèi)，注漿高度1.5m，注漿半徑不小于0.5m，注漿管采用DN32×2.75mm小導(dǎo)管，長度為2.5m（局部位于南水北調(diào)東干渠上方為 1.5m），注漿壓力控制在 0.5Mpa以下，注漿材料采用單液水泥漿，為防止因壓力過大造成管片錯(cuò)臺(tái)，穩(wěn)壓時(shí)間不小于 30 分鐘。

最后選取區(qū)間道床在左CSK123+906-左CSK124+092（右CSK123+916-右CSK124+102）處采用鋼彈簧浮置板道床，考慮后期運(yùn)營過濾震動(dòng)，最大程度減小對(duì)東干渠結(jié)構(gòu)的影響。

4.5 保護(hù)措施應(yīng)用效果

東干渠原設(shè)計(jì)單位監(jiān)測數(shù)值控制要求如下：

地表位移累計(jì)最大上浮值：單洞3.0mm，雙洞5.0mm，地表最大下沉值：單洞6mm，雙洞12mm。深層土豎向位移最大值：單洞2.0mm，雙洞4.0mm。深層土水平位移最大值2.0mm。

鑒于2021年5月26日地鐵盾構(gòu)雙線均已脫出保護(hù)范圍，監(jiān)測數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，截止2021年7月2日地鐵12號(hào)線穿越南水北調(diào)東干渠工程監(jiān)測數(shù)據(jù)為地表累計(jì)沉降最大測點(diǎn)累計(jì)沉降值為-4.10mm（距離準(zhǔn)許最大值差值-7.90mm），當(dāng)日變化值為-0.04mm；深層土體累計(jì)沉降最大測點(diǎn)累計(jì)沉降值為2.62mm（距離準(zhǔn)許最大值差值為1.38mm)。當(dāng)日變化值為0.15mm。由此可以看出上述重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管道的技術(shù)保護(hù)措施具有較好應(yīng)用效果與價(jià)值。

6 結(jié)束語

針對(duì)重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管道應(yīng)用技術(shù)的研究，通過前置性保護(hù)措施盾構(gòu)區(qū)間隧道與南水北調(diào)輸水管道結(jié)構(gòu)之間土體預(yù)加固，到盾構(gòu)過程中加強(qiáng)同步注漿、及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)注漿并適時(shí)徑向注漿加固盾構(gòu)隧道與南水北調(diào)輸水管道結(jié)構(gòu)間的土體，最后選取在穿越區(qū)間處采用鋼彈簧浮置板道床的過濾振動(dòng)措施等一些列應(yīng)用技術(shù)，在保障重大盾構(gòu)工程穿越南水北調(diào)輸水管線結(jié)構(gòu)安全、輸水平穩(wěn)發(fā)揮積極有效作用的同時(shí)，也可以提供其他工程穿越南水北調(diào)輸水管道行之有效的思路。