盾構超近距下穿大型污水管線施工技術

劉恕全，關麗娟

(廣州市盾建地下工程有限公司，廣州 510030)

0 引言

隨著城市軌道交通建設的日益發展，盾構法作為一種施工工藝也在不斷地走向成熟;但同時，周圍復雜的環境也給地鐵施工造極大影響［1－2］。比如盾構需近距離下穿污水管、自來水管等各種重大管線便是其中難點之一。如何順利地穿越這些重大管線避免施工事故的發生，是盾構隧道施工過程中經常遇到且必須要解決的問題。

目前，國內外科技工作者對盾構隧道施工引起的地表沉降與周圍土層變形規律進行了大量研究［3－6］，但是針對盾構施工引起地下管線影響的研究較少。文獻［7－9］采用有限元法，分析了盾構推進時不同因素對鄰近地下管線位移的影響;文獻［10－12］結合工程實例，介紹盾構在近距離穿越地下管線時所采取的施工措施。上述研究表明盾構掘進對地下管線的影響有諸多因素且關系復雜。地層因素、盾構類型、推力、管線材質、直徑、接口形式、管線埋深與隧道埋深關系、管線走向與隧道走向等均對盾構穿越管線時的分析結果造成影響。本文的研究對象所處條件苛刻，圓形污水管線直徑大、水流速度快、運營時間長、隧道距離污水管線很近，在可查的所有研究中均未遇到，也無現有經驗可參考，且埋深大，不容易監測;因此，針對本標段盾構隧道穿越污水管施工技術開展研究，以期為類似工程超近距離條件下穿越大直徑污水管線提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鄭州軌道交通1號線七里河站—新鄭州站站區間隧道工程位于鄭州市鄭東新區，采用2臺φ6 140土壓平衡盾構機，從七里河站始發，向新鄭州站掘進施工。隧道為直線線型，左線總長1 050.196 m，右線總長1 067.590 m，坡度為－0.8‰。隧道結構形式為單層襯砌預制裝配式混凝土管片，采用“3+2+1”模式組合，錯縫拼裝，螺栓連接。管片寬1 500 mm，厚300 mm，襯砌外徑6 000 mm，內徑5 400 mm。鋼筋混凝土管片設計強度為C50，抗滲等級≥S10。

左線推進23.50m，右線推進20.50m處，將下穿1根DN3 000混凝土污水管。污水管頂部埋深約6.1m，底部埋深約9.6 m，2條盾構隧道中心埋深13.22 m(地面標高89.5 m)，2條盾構隧道與污水管水平交角約77°，隧道頂部與污水管底部凈距0.512 m。污水管隧道的平面及立面位置關系見圖1和圖2。

圖1 污水管與隧道平面關系圖Fig.1 Plan layout showing the relationship between sewage pipeline and the tunnel

該污水管是鄭州市污水凈化有限公司污水處理廠的排污干管，采用壓注觸變泥漿注漿工藝，利用封閉式頂管進行頂進施工成型的混凝土結構。管內污水量為43萬t/d，水流速度快，屬一級風險源。該管線管節長2 500 mm，內徑3 000 mm，壁厚285 mm，接頭形式為16錳鋼鋼套管。

1.2 工程地質水文條件

地質條件復雜，從地面往下依次是〈1〉－1雜填土、〈1〉粉土、〈2〉－1粉土、〈3〉－1粉土、〈4〉粉土、〈4〉－1粉質黏土、〈5〉粉土、〈6〉粉質黏土、〈6〉－1粉土、〈7〉粉質黏土、〈7〉細砂。隧道穿越土層參數見表1。

圖2 污水管和隧道位置豎向關系圖Fig.2 Profile showing the relationship between sewage pipeline and the tunnel

根據勘探揭露，場地內淺層地下水可分為孔隙潛水和承壓水2種類型?？紫稘撍饕x存于14.6～19.7 m范圍內的、粉土地層;承壓水主要賦存于16.0～34.3 m范圍內的粉砂、細砂、中砂地層。地質剖面圖見圖3。

圖3 地質剖面Fig.3 Geological profile

2 地層變形的理論計算

2.1 計算模型

隧道上覆土層平均厚度(計算模型中的z方向)取10～13 m，軸向(y方向)取15 m，橫向(x方向)取60 m，下部巖層取25 m。模型共劃分53 696個單元，其中70 360個節點。計算模型見圖4，左、右隧道和混凝土管位置模型見圖5。

表1 隧道穿越土層參數表Table 1 Stratum parameters

2.2 本構模型

在計算模型中，土體采用FLAC3D提供的Mohr-Coulomb強度準則，開挖采用Null模型;混凝土管采用實體單元，本構模型采用彈性模型;隧道混凝土管片采用Shell結構單元，其本構模型為彈性模型。土體的初始應力場考慮了自重應力［2－3］。

2.3 邊界條件與參數選擇

邊界條件在地表面為自由邊界，其余5個面為滾軸約束。污水管為鋼筋混凝土管，考慮到已使用多年，承載變形能力有所降低，取原設計彈性模量的80%計算，忽略管道的接口影響，用具有軸彎性能的空間等參殼單元模擬。

其他計算參數根據經驗選取:掌子面施加壓力17000kN;壁后注漿壓力0.4MPa;刀盤扭矩2200kN·m。

2.4 計算結果與分析

2.4.1 常規施工工況位移特征分析

1)右隧道開挖。土體豎向位移及變形見圖6和圖7。

圖6 右隧道開挖后土體豎向位移云圖(單位:m)Fig.6 Cloud of vertical displacement of the ground after boring of right tunnel tube(m)

圖7 右隧道開挖后混凝土管變形情況(放大500倍)Fig.7 Deformation of concrete pipeline after boring of right tunnel tube(amplified by 500 times)

由圖6和圖7可知:右線隧道拱頂最大豎向位移值在14mm左右，方向向下;仰拱底的最大豎向位移值在24 mm左右，方向向上;地表最大下沉位移值在8.2 mm左右，位于右線隧道拱頂對應的地表處;混凝土管的最大下沉位移位于右線隧道拱頂處，其最大值約為9.4 mm，沉降值沒有超過管線的允許值。

2)左線隧道開挖。土體豎向位移和變形見圖8和圖9。

由圖8和圖9可知:2隧道拱頂最大豎向位移值在21 mm左右，方向向下;仰拱底的最大豎向位移值在21 mm左右，方向向上;地表最大下沉位移值在15 mm左右，位于2隧道之間對應的地表處;混凝土管的最大下沉位移位于2隧道之間對應的位置，其最大值約為16 mm，沉降值沒有超過管線的允許值。

2.4.2 小結

綜合上述數值仿真分析，在既定掘進參數和注漿參數設置下，盾構隧道下穿混凝土污水管過程中，地面沉降量與污水管沉降量均小于30 mm，沒有超過管線的允許沉降值。根據污水管的結構進行管節的張角等方面的計算及污水管產權單位要求確定管線的沉降允許值控制為30mm。

3 試驗段施工及技術總結

3.1 試驗段目的

因盾構在本區間始發后僅20 m左右刀盤就已經在污水管道附近，缺少掘進參數的一個摸索過程。所以在本工程的另一個區間選取地質條件、埋深、隧道線型等與盾構穿越污水管段相類似的區段，重點進行施工參數的摸索、分析，驗證前述數值分析結果的可靠性，為盾構下穿污水管時提供科學合理的參數依據。

3.2 試驗段方案

試驗段地面隆起和沉降控制目標:地面單次最大隆起量＜2 mm，地面累計隆起量＜5mm;地面單次最大沉降量＜3 mm，地面累計沉降量＜15 mm。根據地質條件、隧道埋深相同的要求，選取614～683環共計約70環作為試驗段。根據地面監測結果不斷調整掘進參數，直到達到目標要求。對沉降速率超標點迅速采取二次補漿措施，控制總沉降量。

3.3 試驗結果

通過試驗，施工參數見表2，沉降點監測數據見圖10。

表2 施工參數控制Table 2 Boring parameters

圖10 試驗段各沉降點監測數據統計Fig.10 Settlement monitoring data of trial section

從圖10可以看出:通過對試驗段合理掘進參數的設定，地面沉降的控制達到了預期的效果，盾構穿越前土體的隆起累計量均控制在2mm以內，而盾構穿越過程及穿越過后的累計沉降均控制在8 mm以內。

其中，第614，633環的24 h單次沉降量達到3 mm，通過掘進過程中的同步注漿及后期的二次補壓漿迅速穩定了地面沉降，最終的累計沉降量均控制在7 mm以內，充分體現了同步注漿和二次補壓漿在控制后期沉降方面的效果。

3.4 試驗段小結

通過對試驗段結果分析，驗證了前述數值分析結果的可靠性，說明掘進參數的設置比較合理，風險較小，可以應用于正式掘進。

4 盾構穿越施工

4.1 技術方案

根據盾構穿越污水管的工況特點，將盾構穿越污水管分為3個階段，分別為盾構穿越前模擬階段、盾構穿越階段和盾構穿越后階段。

1)盾構穿越前模擬階段。由于盾構左線始發后推進約23.5 m就要穿越污水管，穿越前設定一段8環為穿越模擬段，將盾構切口到達污水管前10環～前3環作為盾構穿越模擬推進段。在這段范圍內主要借鑒試驗段掘進施工的經驗，收集盾構模擬穿越段的推進參數，進一步把握不同的施工參數對周圍環境的影響。

2)盾構穿越階段。把盾構切口到達污水管前3環設為穿越段開始，直至盾構機的盾尾脫出污水管范圍3環后定為穿越段。該階段施工時，主要根據穿越試推進段總結的推進參數和施工數據來指導盾構的推進施工。這個階段的主要任務是控制盾構的施工參數，包括控制推進速度、正面土壓力、同步注漿流量、同步注漿壓力等，確保穿越過程中運營污水管的安全。

3)盾構穿越后階段。盾構脫出污水管范圍后4環～后18環定為盾構穿越后階段，共15環。由于盾構穿越后受擾動的土體重新固結，固結過程會產生一定程度的沉降，對污水管造成影響，所以，必須在穿越區域的隧道內準備充足的補壓漿材料及設備，根據沉降監測情況進行后期補壓漿。

4.2 管線情況探查

為了檢測管節間接縫是否存在不均勻沉降、管節間的張角狀況、管段是否有破損以及管節間的鋼套銹蝕情況和接縫的滲漏等，潛水員在污水管內對需要檢查的部位進行水下錄像或拍照，但由于管內水流量過大過急，水下的拍攝效果不佳，對施工的指導作用不大。

4.3 物資、機械、人員準備工作

配備各種應急物資，做到隨時可以處理任何突發事故;調試好盾構機、電瓶車、龍門吊等施工機械;各崗位人員就位，對人員進行崗位培訓及技術交底工作。

4.4 技術措施

嚴格按照試驗段測定的各項掘進參數執行，并根據穿越方案，結合施工過程監測情況進行調整，確保盾構超近距離穿越污水管線萬無一失。

4.5 注意事項

1)在盾構穿越過程中必須嚴格控制切口平衡土壓力，盾構機穿越污水管階段，理論計算土壓力為0.18～0.20 MPa，設定時稍低于理論值，防止污水管接口及結構變形，并盡量減少變化，施工過程中視監測情況進行微調。結合試驗段的土壓力控制值，在下穿污水管時將壓力控制值適當提高0.01～0.02 MPa，保證污水管的沉降值，待盾構切口完全離開污水管后土壓力控制值恢復至試推進段的穩定值。

2)出土過程中要特別注意出土情況，一旦發生下列情況需立即停止掘進，分析原因，必要時采取相應的應急處理措施:①出土的顏色明顯加深，可能有滲入的污水，導致土體顏色變化;②土體出現明顯的異味(污水的臭味);③在加水量不變的情況下，螺旋機出土時土體含水量明顯加大。

3)盾構推進軸線偏斜、襯砌環法向面傾斜均會造成盾構機蛇形推進，導致周圍土體產生很大擾動，因此必須在穿越前確保盾構及管片姿態正常。穿越過程中，盾構機及管片糾偏應嚴格遵守“少量多次”的原則，每次糾偏量均應小于2 mm。

4)在管片拼裝過程中，安排熟練的拼裝操作人員進行拼裝，減少拼裝的時間，縮短盾構停頓的時間，拼裝結束后，應當盡快恢復推進，減少上方土體的沉降。

4.6 嚴格控制同步注漿量和漿液質量

盾構掘進時的同步注漿是及時充填土體與管片圓環間的建筑間隙和減少前期沉降的主要手段，也是盾構推進施工中的一道重要工序。嚴格控制同步注漿，以注漿壓力和注漿量2個指標同時進行控制。同步注漿各注漿管出口壓力宜控制在0.3～0.4 MPa，注漿壓力比模擬段稍有提高;注漿量宜增加到理論建筑空隙的180% ～220%(正常掘進時為180% ～200%，模擬段施工為180% ～220%)，即每環注漿量控制在3.6～4.4 m3。

4.6.1 漿液配合比

盾構穿越過程中，雖然使用活性漿液更有利于沉降控制，但是，考慮到盾構機的機況，經過風險評估，決定采用價格低廉的惰性漿液。惰性漿液相對可硬性漿液對控制地面沉降效果會差些，但其漿液配制效率高，不堵管，每次按4m3拌制同步注漿漿液計算，質量配合比為粉煤灰∶黃沙∶膨潤土∶水=2 600∶1 500∶250∶(1 200～1 300)。

4.6.2 注漿壓力、注漿量及稠度

注漿壓力過大，易造成劈裂注漿，且襯砌外的土層會因漿液擾動而造成后期地層較大沉降及隧道本身的沉降，而壓力過小，則填充不充足，也會使地表變形增大;因此，注漿壓力的最佳值應在綜合考慮地質條件、管片強度、漿液性能和土壓力后確定。另外，還須根據監測情況及時調整，根據經驗，在鄭州地區施工時的注漿壓力為0.4 MPa左右，在穿越污水管道時注漿壓力設置為0.4MPa。每環注漿量平均值為4m3，漿液稠度為10 cm。

5 監測及二次補漿

盾構穿越期間，對盾構推進影響范圍內的污水管進行重點監測保護，監測內容包括地表沉降和污水管本體沉降。施工前所得的初始數據為3次觀測平均值，以保證原始數據的準確性;盾構穿越期間進行跟蹤測量;待盾構穿越后，變形趨于穩定時，逐漸減少監測次數，并恢復正常監測，待地面變形穩定后方可停止監測。

5.1 測點的布設

測點布設如圖11所示。

圖11 污水管監測布點圖Fig.11 Layout of monitoring points for sewage pipeline

5.2 觀測頻率及技術要求

監測工作自始至終要與施工進度相結合，監測頻率應與施工的工況相一致，應根據盾構穿越的不同階段，合理調整監測頻率。

1)穿越前觀測。施工前，對各監測項目測取初始值，應至少有2次穩定的測量值。

2)穿越段觀測。盾構穿越施工期間，應根據實際施工情況調整各監測點的實際監測項目和監測頻率，必要時進行24 h跟蹤監測。

3)穿越后觀測。所有監測項目監測周期至沉降變形達到穩定時停止。

根據設計、規范及管線產權單位要求，對地面沉降、深層沉降、分層沉降設定掘進時期的單次警戒值:推進時地面單次最大隆起值≤3 mm;推進時地面單次最大沉降值≤3 mm。當掘進超過警戒值時立即停止掘進，進行補注漿液等措施直到沉降得到控制為止。后期沉降變形控制值:地表后期最大隆起值≤10 mm;地表后期最大沉降值≤30 mm。

5.3 監測信息反饋

地面變形監測數據和地下管線監測數據經匯總分析后，將掘進命令傳送到盾構工作面，指導盾構司機正確推進。完成推進后，將盾構姿態報表、盾構施工各類參數數據匯總后，傳送到地面監控室進行數據回歸分析，調整施工參數，繼續循環施工。

5.4 二次注漿補救

由于盾構推進時同步注漿的漿液在一段時間后產生收縮變形也會引起地面沉降，為進一步填充空隙并形成密實的防水層，在污水管對應隧道襯砌管片處前后各5環范圍內實施二次注漿。根據地層變形監測數據隨時調整二次注漿施工，漿液通過管片的注漿孔注入地層，并在施工時采取推進和注漿聯動的方式。若注漿未達到要求，盾構應暫停推進，以防止土體繼續變形。注漿時應綜合考慮注漿量、注漿壓力、注漿流量。注漿量每環控制在0.5～1.0 m3，注漿壓力控制在0.3 MPa以內，注漿流量控制在10～15 L/min，以減小地層后續沉降，同時也達到加強隧道襯砌的目的。

當盾尾脫離穿越區域后，便進入了穿越后階段。由于盾構穿越后受擾動的土體重新固結，固結過程將產生一定程度的沉降，會對污水管造成影響。所以必須在穿越區域的隧道內準備充足的補壓漿材料及設備，根據沉降監測情況采取壁后跟蹤注漿。此時注漿漿液采用P·O 42.5水泥，水玻璃模數為2.9，水泥漿水灰質量比為0.6∶1，水泥漿與水玻璃體積比為4∶1。

5.5 監測結果分析

在盾構穿越污水管1個月后，對各監測點進行復測。監測數據表明:最大沉降值為－6 mm，平均值在－5 mm左右，小于規范要求的10 mm變形要求;后經污水管所屬單位對管道進行無損探傷試驗，表明管道結構正常，管道完好。

6 結論與建議

通過本次盾構成功超近距離穿越大直徑地下污水管線，可以得到如下結論:

1)數值仿真分析和盾構穿越前的試驗段模擬施工，對探索和掌握盾構超近距離穿越大直徑污水管線施工參數起到了重要的作用，數值分析結果和試驗段結果相互印證，增加了數據的可靠性。

2)施工監測并及時進行信息反饋，是保證盾構成功超近距離穿越大直徑污水管線不可或缺的手段。

3)同步注漿材料的選擇要根據盾構機機況等進行具體分析，在特殊情況下，惰性漿液比活性漿液更利于風險控制，但二次補漿采用活性漿液更有利。

4)盾構超近距離穿越大直徑污水管線，應低速、勻速通過，應特別控制土倉壓力、推力、注漿壓力和注漿量指標。在粉質黏土地層中，土倉壓力應不高于理論土壓力(0.02 MPa)，應低速推進并控制總推力波動，注漿量控制在理論空隙量的180% ～220%;并根據監測信息進行二次補漿，同步注漿壓力不超過0.4 MPa，注漿壓力控制在0.3 MPa以內。

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