富水地層隧道施工管線綜合保護技術

錢萬周

(港鐵軌道交通(深圳)有限公司，廣東 深圳 518033)

1 工程概況

深圳軌道交通4號線二期工程上梅林站—民樂站區(qū)間隧道，起于中康路東側上梅林站北端，沿中康路、梅坳二路地下，朝北穿過大腦殼山，再從地下穿過南坪快速路梅觀立交橋，進入民樂站南端。區(qū)間設計里程為 K7+060.879—K9+763.78，全長 2 702.901 m。其中，區(qū)間隧道里程 K9+094—K9+266段位于大腦殼山北麓臺地，屬富水地層隧道，部分區(qū)段隧頂進入沖洪積砂層。

根據(jù)地質詳勘報告，該場地層的分布自上而下依次為:人工填土(填石)層(Qml);第四系全新統(tǒng)沖洪積層);第四系上更新統(tǒng)沖洪積層);第四系坡積層(Qdl);第四系殘積層(Qel);燕山期粗粒花崗巖(全、強、中、微風化)。

地下水類型主要有3類:第一類為孔隙潛水，第二類為基巖裂隙水，第三類為構造裂隙水。

地面建(構)筑物:隧道從立交橋樁基群中間穿過，橋樁有端承樁和摩擦樁兩種類型，個別樁底高程略高于隧底高程，橋樁距隧道結構外邊距離為4～5 m。

隧道開挖初期支護至里程K9+093位置，承包商進行超前地質鉆探，當鉆進7 m時，鉆孔突現(xiàn)涌水，經(jīng)測定，涌水量達2 000 m3/d，同時，地面管線沉降速率迅速增加，達到2 mm/d。后經(jīng)地質補充勘察，探明K9+112—K9+135間存在一斷層破碎帶，為北東—南西走向，斜穿隧道洞身，構造裂隙水與上層潛水貫通，水源補給充分。

2 隧道支護參數(shù)設計

富水段隧道采用 CRD工法人工開挖，支護參數(shù)為:φ108 ×6 超前大管棚@300，L=48 m，拱部 180°布置;φ42 ×3.5 超前小導管@300，L=3.0 m，間距 1.5 m，拱部 180°布置;φ22 邊墻藥卷錨桿，L=3.0 m，間距1.0 m ×1.0 m(環(huán) ×縱);φ8 鋼筋網(wǎng)@100 ×100;格柵鋼架@500;C25噴射混凝土(厚300 mm);隧道橫斷面設計參見圖1。

3 管線現(xiàn)狀及保護要求

3.1 管線現(xiàn)狀

φ508×7.9次高壓燃氣管于2005年建成，為雙面埋弧直縫焊接鋼管，3層PE(聚烯烴)加強級防腐，設計埋深約2～3 m，后地表覆土綠化，最終埋深約3.5～4.0 m，斜穿本工程隧道上方，一般縱坡 0～1.03%，為避繞雨水箱涵，于隧道里程K9+110位置燃氣管敷設線路在垂面上有一突變點。φ600天然氣管道，φ329.9×6.4珠江三角洲成品油管道，1×DN1100和 1×DN200給水管，3×DN50電纜斜穿本工程隧道上方;1×DN1200給水管和2×DN50電纜順線路方向鋪設，位于本工程隧道上方。目前上述管線均已處于通氣運營狀態(tài)。區(qū)域管線分布參見圖2。

3.2 管線保護要求

圖1 暗挖隧道橫斷面設計(單位:mm)

圖2 富水段隧道管線分布示意

因各管線均埋地，隧頂距管線最小垂直距離＞15 m，原設計只對管線采取監(jiān)測，無保護措施設計。要求沿管線每15 m設置一監(jiān)測點位，沉降采取分級管理，20 mm為容許值，30 mm為警戒值，當超過容許值時，應采取措施，當超過警戒值時，應停工處理。

隧道過富水地層前，為確保隧道施工中管線的安全，建設單位召集了各管線產(chǎn)權單位溝通有關保護事宜。φ600天然氣管道及珠江三角洲成品油管道因緊靠山腳邊敷設，基底地層相對穩(wěn)定，且隧道初期支護已越過管線位置，產(chǎn)權單位于現(xiàn)場檢查后確認目前管線狀態(tài)穩(wěn)定，只要避免塌方及大沉降，按設計要求控制地層沉降，能確保管線運營安全。DN1200給水管和2×DN50電纜對沉降敏感度不高，正處于隧道里程K9+093富水段起點，產(chǎn)權單位于現(xiàn)場檢查后亦認為只要避免塌方及大沉降，沉降控制在設計允許值內，管線能確保安全。對地層沉降最敏感的屬 φ508×7.9次高壓燃氣管，因運營壓力較高，一旦發(fā)生泄露及爆炸等安全事故，各方面影響均極大。目前，國內尚無運營中燃氣管線沉降控制參考標準，另外，該次高壓燃氣管建成后，因后期道路施工，在其上覆土綠化，埋深約 4～5 m，覆土荷載恐已造成管線變形及應力集中，現(xiàn)狀條件下還能承受多大變形尚不清楚。產(chǎn)權單位依據(jù)《深圳市燃氣管道設施保護辦法》，將管壁及設施外緣兩側2～10 m范圍內的區(qū)域劃定為安全控制區(qū)，將管壁及設施外緣兩側2 m范圍內的區(qū)域劃定為安全保護區(qū)，在安全保護區(qū)內禁止開挖、注漿等一切活動。本文也將重點介紹次高壓燃氣管保護措施。

布菌侵犯血液系統(tǒng)時表現(xiàn)為白細胞減少、血小板降低和貧血。血小板減少癥是布菌感染血液系統(tǒng)最常見的并發(fā)癥。血小板減少癥的原因尚不清楚，可能與脾功能亢進、血管炎、骨髓抑制、自身免疫性溶血和血小板破壞有關。Demir等[44]對48例布病血液異常患者骨髓活檢結果分析，吞噬細胞的吞噬作用、骨髓中肉芽腫形成和脾功能亢進可能是導致布菌血液病的主要原因。

4 管線保護措施

4.1 充分調查地質情況

針對區(qū)域地形起伏大、地質情況復雜的特點，采取了高密度地質補勘，最終鉆孔平均間距＜20 m，局部加密到10 m左右，并結合洞內超前鉆、地質雷達掃描等措施，詳細了解了區(qū)域地質情況。

4.2 加強管線沉降監(jiān)測及通報

原設計管線沉降監(jiān)測布點間距為15 m，要求測點采取管箍或其它方式附著于管線上。因前期管線業(yè)主極力反對管旁開挖作業(yè)及布設監(jiān)測點，實際操作中只能測量管線正上方地面沉降數(shù)據(jù)作為參考。考慮到地面沉降與管線沉降具不可比擬性，為準確測量管線沉降數(shù)據(jù)，經(jīng)多次協(xié)調，管線業(yè)主最終同意在燃氣管上布設沉降監(jiān)測點。

為給布點及監(jiān)測作業(yè)提供工作面，同時為確保管線安全，采取了人工挖孔方樁施作操作井，作業(yè)全程由管線業(yè)主監(jiān)控。測點采用玻璃膠黏結在管壁上，避免損傷防腐層。井口設蓋防墜物砸損管線。

另外，從設計上加密了監(jiān)測布點范圍及監(jiān)測頻率，即測點間距縮小為10 m，將沿管線200 m范圍納入監(jiān)測范圍，監(jiān)測頻率加密為一天兩次。每次監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時均及時通報各方，監(jiān)測報表定期抄送相關單位，確保信息及時、準確，為管線保護、動態(tài)設計及施工提供參考。

4.3 管線上方削土卸載

考慮到次高壓燃氣管建成后因后期道路施工，在其上覆土綠化，目前埋深約4～5 m，覆土荷載可能已造成管線變形及應力集中，隧道開挖失水后，管線繼續(xù)沉降必然導致應力疊加，恐造成焊接口開裂泄漏。為確保安全，采取了削土卸載措施，即將管線正上方覆土挖除至管頂上1 m，降低覆土荷載，對挖土形成的基坑采取臨時支護及排水措施。待隧道安全貫通，完成襯砌，管線沉降穩(wěn)定且經(jīng)檢測安全后回填。管線削土卸載措施示意參見圖3。

圖3 燃氣管道頂部土方開挖橫斷面圖(單位:mm)

4.4 地面旋噴分艙止水帷幕

根據(jù)補勘資料，該段隧道地表淺層為人工填石及礫砂層，局部分布1～2 m厚有機質黏土及礫質粉質黏土層，往下為全～強風化粗粒花崗巖，次高壓燃氣管與隧道斜交部位還分布一斷層破碎帶，上層潛水與裂隙水連通。在隧道開挖失水后地層沉降大，為確保地下管線安全，經(jīng)各方商議，采取了地面旋噴分艙止水帷幕方案，即外圍施作高壓旋噴樁形成帷幕隔水艙，艙內有機質黏土和礫質粉質黏土層缺失及薄弱部位施以點陣式深層袖閥管注漿，隧道洞內輔以超前及徑向注漿，形成帷幕體。

4.4.1 高壓旋噴樁止水帷幕墻設計

帷幕墻由3排φ500高壓旋噴樁組成，單排樁間距0.35 m，排距0.375 m。止水帷幕墻底深入中風化巖面以下0.5 m，當中風化巖位于隧道底板5 m以下時，止水帷幕墻底深入隧道底板下5 m，樁頂旋噴至地下常水位線以上2 m。為避免止水帷幕施工損壞地下管線，止水帷幕與地下管線相交部位留缺口，與管線凈距保持2 m，缺口部位采取深孔袖閥管注漿封閉。旋噴樁完成后，采取鉆孔抽芯檢測。地面旋噴樁分艙止水帷幕設計參見圖4和圖5。

圖4 地面旋噴樁分艙止水帷幕平面布置(單位:m)

4.4.2 隧頂深層袖閥管注漿注漿

圖5 地面旋噴樁分艙止水帷幕橫斷面(單位:mm;高程單位:m)

完成地面旋噴樁止水帷幕艙后，為防止地下水通過相對隔水層有機質黏土及礫質粉質黏土層缺失部位涌入隧道，同時，亦為改善隧頂土層物理力學性能，填充地層失水造成的空洞，在地面進行點陣式深層袖閥管注漿，間距1.2 m×1.2 m，梅花形布置;袖閥管注漿成孔直徑 φ90，管直徑50 mm、壁厚3.5 mm，套殼料養(yǎng)護期 5～7 d，設計養(yǎng)護強度 0.3 ～0.5 MPa，每次上提長度為 30 ～50 cm，注漿壓力 0.5 ～1.5 MPa，袖閥管注漿擴散半徑1.5 m;注漿材料采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥與水玻璃體積比 1∶0.5，水泥漿水灰比 1∶1，水玻璃濃度為30～35 B'e，水玻璃模數(shù)2.4，可根據(jù)現(xiàn)場注漿試驗進行適當調整。

4.4.3 加強隧道洞內注漿

作為堵水設計的一個環(huán)節(jié)，增加了掌子面上斷面部分注漿，改進了超前小導管注漿，加強了隧道徑向注漿。

上斷面注漿采用長短管相結合;長管注漿采用φ50×3.5，L=5 m 鋼花管，每3 m 一個循環(huán)，止?jié){墻厚2 m，長管注漿遺留的空隙由短管彌補;短管采用φ42×3.5，L=3 m鋼花管，注漿花管間距500 mm，交圈咬合300 mm。掌子面注漿加固設計參見圖6。

圖6 掌子面注漿加固設計(單位:mm)

將原設計超前小導管搭接長度調整為2 m，拱部150°范圍調整為長短管形式，即3 m與6 m長短導管交錯布置，擴大漿液擴散范圍，超前加固地層。

結合工程實際，將隧道原設計φ22邊墻錨桿變更為φ42×3.5邊墻錨管，長度和間距不變，通過錨管沿隧道開挖輪廓徑向注漿，隧頂滲漏水部位參照邊墻施作錨管徑向注漿。

以上注漿材料均采用水泥—水玻璃雙液漿;水泥選用32.5普通硅酸鹽水泥;水玻璃選用出廠濃度35～45 B'e，相對密度為 1.42 ～1.45，模數(shù)為 2.4 ～2.8的水玻璃原液;緩凝劑選用磷酸氫二鈉。漿液配比為

水灰比(W/C):濃漿 0.5∶1，0.6∶1，0.8∶1。

稀漿 1∶1，1.25∶1，1.5∶1。

水玻璃稀釋濃度:9～10 B'e。

雙液體積比(水泥漿/水玻璃):1∶0.5 ～1∶0.7

緩凝劑:磷酸氫二鈉加入量，為水泥重量的1% ～3%。凝結時間:一般地段為3 min，富水地段為1～2 min。

漿液配比根據(jù)現(xiàn)場實際靈活調整，總體原則為:在涌水量大的破碎帶、砂土層，采用濃漿快凝，確保漿液不被稀釋，具良好填充性;在殘積土層、裂隙發(fā)育地層，涌水量較小時，采用稀漿，確保漿液有效擴散。

注漿順序為由下而上、由里向外，即層層“抬水”方式，將水堵至固結圈外，阻止水流動。注漿為鉆一孔注一孔，注漿結束標準為注漿壓力逐步升高達到設計終壓1.5 MPa持續(xù)10 min以上。每一循環(huán)注漿結束后，采用鉆孔取芯及涌水量測定進行效果評定，結石體強度按 R7＞(4.0～4.5)MPa控制，注漿后滲漏水量要求小于注漿前10%以下。注漿結束達不到上述標準時，采取補充注漿方式解決。

4.5 管旁深孔袖閥管注漿

為了防止隧道開挖失水導致管線繼續(xù)下沉，采取了在管線兩側2 m禁止開挖線旁施作地面深孔袖閥管注漿，袖閥管孔距2 m，深度同旋噴樁止水帷幕，注漿參數(shù)同隧頂深層袖閥管注漿，漿液擴散半徑為2 m。

通過管線兩側深孔袖閥管注漿，形成柱狀支撐結構，同時漿液的擴散填充了因地下水流失形成的土體孔隙，隔斷了地下水通道，改善了土體物理性能，對管線的繼續(xù)沉降起到非常好的控制作用。

4.6 加強隧道支護

考慮到補充勘察后地質情況與之前有所差異，斷層破碎帶地質復雜，地面管線保護要求高，施工風險大，將原設計格柵鋼架變更為I25a工字型鋼鋼架，同時，將與燃氣管平面重合的第一循環(huán)超前大管棚變更為φ159×8型，增加剛度，防止坍方。

5 結論

1)削土卸載能一定程度降低地下管道覆土荷載，降低應力集中，減少管道破損開裂風險。

2)本工程在管線附近實施了高密度補勘，探明了地質情況，為相關措施選定奠定了基礎。

3)地面分艙止水帷幕 +隧頂深層袖閥管注漿+隧道洞內注漿能形成止水帷幕體，使隧道與地下水隔離開來，有效防止因地下水流失造成管線大沉降;同時，在隧道周邊形成一定層厚的結石殼，對隧道開挖穩(wěn)定起到改善作用。

4)在止水帷幕缺口實施的深層袖閥管注漿相互咬合形成幕墻結構，起到隔水作用。

5)本工程進行了詳細的地質勘察，充分利用隧頂薄層弱透水層，僅對其薄弱及缺失部位進行了地面深層袖閥管注漿，實際運用中若地質情況較差或不明，建議采取保守方案，艙內滿布深層袖閥管注漿。

6)管旁深孔袖閥管注漿能有效填充地下土體孔隙及空洞，改善土體物理力學性能，降低失水沉降的風險。

7)結合工程地質變化，實際工況及時調整支護參數(shù)，確保了開挖施工及支護結構安全，采取措施消除隧道塌方可能。

8)國內目前還沒有一套權威的地下管線允許沉降標準，實際操作中因事故風險及責任重大，各方利益難平衡，很難形成統(tǒng)一標準與認識，需要盡快從行業(yè)及國家層面完善相關技術標準。

［1］ 中華人民共和國國家標準．GB 50299—1999 地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，1999．

［2］ 向衛(wèi)國，徐玉勝，江輝煌，等．隧道施工引起地下管線變形的安全評估［J］．鐵道建筑，2010(7):70-72．

［3］ 鮑永亮，鄭士振，唐建忠，等．地鐵盾構施工監(jiān)測技術［J］．鐵道建筑，2009(5):44-47．

［4］ 孫勝臣．地鐵施工中既有管線綜合保護技術［J］．鐵道建筑，2009(4):58-60．