地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越輸油管道影響分析研究

張曉賓 （中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

0 前言

隨著我國地鐵的大規(guī)模建設(shè)，地鐵工程不可避免地與輸油管道存在交叉工程現(xiàn)象。由于管道輸油管道屬于有壓管道，危險性較高。若因為地鐵施工引起管道變形過大，輸油管道發(fā)生泄漏，后果不堪設(shè)想。

本文結(jié)合雙流機場輸油管道與地鐵10號線一期工程的交叉工程，通過理論計算確定了輸油管道變形控制標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場交通情況，采用鋼管微型樁加固保護輸油管道，使盾構(gòu)隧道成功地穿越了輸油管道節(jié)點。

1 工程概況

成都市地鐵10號線一期工程始于太平園站，止于雙流機場空港二站。一期工程線路全長約10.9km。

空港一站～金花站區(qū)間在下穿牧馬山干渠后進入機場范圍，在里程YDK9+046～YDK9+192處與T1停機坪兩根直徑300mm輸油管道平行鄰近，在里程YDK9+192～YDK9+214處與T1停機坪兩根直徑400mm輸油管道平行鄰近（地鐵隧道結(jié)構(gòu)邊緣距離輸油管道水平距離5m～7.5m，垂直距離12.5m～13.5m），此段輸油管道為鋼管材質(zhì)，設(shè)計輸油壓力1.6MPa，管道底埋深約2.5m～3m。在線路YDK9+192位置處下穿兩根直徑400mm輸油管道，輸油管道底埋深約2.5m，此段地鐵隧道拱頂距離輸油管道約12.9m。平面剖面位置關(guān)系詳見圖1所示。

圖1 輸油管道與地鐵隧道平面關(guān)系圖

2 輸油管道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的地鐵設(shè)計規(guī)范、輸油管道設(shè)計規(guī)范等對施工期輸油管道所允許的總體及差異性沉降值沒有具體的規(guī)定，僅在《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50253-2003）中的4.2.3條中有說明“彈性彎曲的曲率半徑，不宜小于鋼管外直徑的1000倍，并應(yīng)滿足管道強度的要求”。本設(shè)計方案按上述條文說明規(guī)定辦理。具體分析計算按照地表沉降槽模型簡化計算。

計算參數(shù)如下：

管道埋深底埋深3.5m管道距離隧道頂12.5m，則管道兩端簡化為鉸支撐，管道計算長度=6+12.5×2=31m，管道直徑400mm，壁厚8mm（暫估），材質(zhì)20號無縫鋼管（暫估），彈性模量200GPa，最低抗拉強度245MPa。輸油管道輸油壓力為0.8MPa，管道主要受徑向拉力，正常情況縱向不受力。

①《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB50253-2003）中的4.2.3條中有說明“彈性彎曲的曲率半徑，不宜小于鋼管外直徑的1000倍，并應(yīng)滿足管道強度的要求”。按照此要求，31m跨度輸油管道允許最大沉降30mm。利用結(jié)構(gòu)原理計算如下：

跨中變形30mm時，跨中最大彎矩16kN·m，管道底縱向最大附加應(yīng)力15.6 MPa，管道抗拉強度245 MPa，僅占管道抗拉強度6.4%。

②當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)塌陷，坍塌洞徑為3m時，管道直徑上的土體荷載全部加到管上，荷載為24kN/m，利用結(jié)構(gòu)原理計算結(jié)果如下：

跨中最大變形0.6mm，跨中最大彎矩27kN·m，管道底縱向最大附加應(yīng)力26.3MPa，管道的抗拉強度245 MPa，僅占管道抗拉強度10.7%。

③基于目前國內(nèi)現(xiàn)有規(guī)范對輸油管道的沉降沒有具體要求，在參考上述計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有相似工程（重點參考北京、上海等地鐵公司關(guān)于有壓管道的施工沉降變形報警值的內(nèi)部控制標(biāo)準(zhǔn)）的施工經(jīng)驗，按照工程類比法，確定本工點有壓輸油管道的施工沉降變形報警值為豎向或水平位移10mm，連續(xù)3天超過2mm/d。

3 加固方案設(shè)計

3.1 加固方案

根據(jù)輸油管道所處地理位置情況，由于圍墻內(nèi)屬于雙流機場的飛行區(qū)，施工不能進入機場區(qū)域。輸油管位置，位于機場東四道口，交通繁忙，交通疏解困難，不具備大型機械施工作業(yè)條件，結(jié)合現(xiàn)場實際情況設(shè)計提出利用Φ108壁厚6mm鋼管“微型樁”。

設(shè)計提出采用“隔離樁+注漿防護方案”的平行鄰近段的Φ108壁厚6mm鋼管傾斜注漿，注漿方案為在隧道結(jié)構(gòu)外豎向打設(shè)Φ108壁厚6mm鋼管，鋼管間距0.6m，鋼管伸入隧道底部2m，利用鋼管注漿加固松散卵石地層，后用C20細石混凝土回填鋼管，形成微型樁。垂直通過段擬按輸油管道兩側(cè)斜打Φ108壁厚6mm鋼管，鋼管間距0.5m，兩側(cè)交錯布置，利用鋼管注漿加固輸油管道底部<3-6-1>松散卵石土、<3-6-2>稍密卵石土地層。

圖2 平行段加固方案

3.2 數(shù)值模擬計算

本計算利用Midas GTS有限元軟件，根據(jù)地勘資料進行數(shù)值建模計算，模擬盾構(gòu)掘進過程中引起的地層沉降。本次計算選取最不利截面進行計算，選取里程YDK9+192處斷面進行計算，計算出隧道埋深15.4m，隧道間距13m，隧道邊距離輸油管道水平距離6m。計算采用平面模型，模型長50m，高40m。采用施工階段模擬，第一步開挖左洞，第二步支護左洞管片，第三步開挖右洞、第四步支護右洞管片，最后查看地層沉降云圖。

圖3 未加隔離樁的地層水平位移圖

圖4 添加隔離樁的地層沉降圖

圖5 添加隔離樁后的地層水平位移圖

通過以上計算，可以看出盾構(gòu)掘進后的主要沉降集中在隧道中心的頂部，采取隔離樁措施，雙洞開挖完成后，隧道拱頂?shù)孛孀畲蟮某两禐?.0mm，平行鄰近段輸油管道處地層最大沉降1.4mm。通過分析看出，在采取加固措施的前提下，理論計算結(jié)果滿足輸油管線的沉降及水平位移要求，在采取隔離樁措施后，對輸油管道的水平位移有較大的減小作用。因此，對于隧道平行段的輸油管道影響較小，地面沉降可控。

采用鋼管隔離樁的優(yōu)點：根據(jù)“東四道口”現(xiàn)狀交通條件，采用鋼管樁施工，對地面交通影響較小，由于鋼管孔口較小，采用潛孔鉆機即可施工，對地下管線影響較小，對地層的擾動也較小。

4 結(jié)論與建議

①通過現(xiàn)場施工監(jiān)測及理論計算，本工程制定的變形控制標(biāo)準(zhǔn)10mm，是可以滿足輸油管道運營安全要求的。

②采用微型鋼管樁+注漿加固松散方案，可以有效降低輸油管道的水平位移。

③采用微型鋼管樁+注漿保護方案，既可以緩解交通疏解壓力，又可以滿足現(xiàn)場施工進度要求。