綜合管廊近距離上穿南水北調干渠施工關鍵技術研究

胡 平

(北京京投交通發(fā)展有限公司， 北京 102606)

隨著城市規(guī)模的快速擴張，城市地下綜合管廊工程也得到了快速發(fā)展，其規(guī)劃設計不可避免的與鐵路、地鐵、道路、橋梁及管道存在交叉，南水北調干渠工程亦是其中之一。

北京新機場高速公路地下綜合管廊規(guī)劃設計近距離明挖上穿南水北調干渠，目前同類工程中尚無先例，如何保證南水北調干渠供水正常運行情況下，順利進行綜合管廊基坑開挖、結構施工，是工程施工中的重難點，值得深入研究。

1 工程概況

1.1 項目概況

北京新機場高速公路地下綜合管廊(南五環(huán)—新機場)工程一期位于北京市大興區(qū)，是北京市城市綜合管廊規(guī)劃建設網(wǎng)的重要組成部分，規(guī)劃建設定位為干線型綜合管廊。它是連接北京市區(qū)與北京新機場的重要市政通道，主要為北京新機場及北京南部地區(qū)提供能源供給保障，主干管廊設計全長約27.881 km。

北京新機場高速公路地下綜合管廊從新機場高速與南五環(huán)立交東側匝道內穿過，斜交穿越南水北調干渠結構；新機場高速地下綜合管廊下穿位于南水北調干渠K18+919處，平面交角為74°。南水北調南干渠埋深約9.26 m，干渠隧道采用盾構法施工，干渠外徑為6.0 m，內徑約4.7 m，其中盾構襯砌厚度約0.3 m，內部另設0.35 m厚內襯。

穿越南水北調干渠管廊段設計起點樁號0+456，終點樁號0+516，其中一期南水北調干渠穿越為0+456—0+475，二期南水北調干渠穿越為0+475—0+516，共計60 m(見圖1)。

圖1 新機場管廊上穿南水北調干渠剖面圖

管廊明挖段斷面設置為三艙，電力艙寬度2.6 m，水信艙寬度為3.9 m，燃氣艙寬度2.0 m，采用矩形斷面，采用上跨明挖法施工(見圖2)。

圖2 綜合管廊標準斷面圖(單位:mm)

1.2 工程地質情況

(1) 地質情況。擬建場區(qū)勘探范圍內的土層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沖洪積層等。場區(qū)地質條件按地層巖性及其物理力學性質可分為：① 粉土填土和雜填土層；② 粉土和粉細砂層；③ 粉土層；④ 粉質黏土層；⑤ 圓礫卵石層；⑥ 粉細砂層；⑦ 卵石層。

(2) 水文情況。本場區(qū)范圍地下水主要為第四紀松散沉積物孔隙水，受地層巖性分布特點的影響，地下水主要分布3層(上層滯水、潛水和層間水)，上穿南水北調干渠工程范圍主要為上層滯水層，標高約33.11 m；潛水水位標高23.01 m；層間水水位為24.81 m～28.17 m，水位標高為7.96 m～11.78 m，含水層為卵石層、中粗砂層和粉土層，主要以接受地下水側向徑流及越流方式補給，以地下水側向徑流及人工開采為主要排泄方式；抗浮設計水位高程為34.00 m。

2 穿越工程方案研究

2.1 施工方案確定

穿越南水北調干渠施工工法有暗挖下穿法，分段明挖法，在工程實施前對每種工法進行詳細論證，并結合綜合管廊穿越南水北調干渠安全評估報告中對南水北調干渠變形影響分析，得出：

(1) 暗挖下穿對南水北調干渠隧道結構變形影響較大，另外管廊結構頂板最深點埋深約20 m，暗挖結構位于潛水層中，需對地下水進行處理，施工風險和難度大，工程造價偏高，干渠結構變形量難以控制。

(2) 短距離分段明挖方案在滿足管廊結構頂板覆土厚度達到北京地區(qū)凍土厚度要求的前提下，采用短距離分段開挖，大大減少卸土面積和土釘打設量，減少了對土體的擾動，縮短卸荷時間，加快施工進度，保證干渠管道隆起值在控制范圍內，同時工程造價相對較低。

因此綜合施工風險、工期、造價等因素，采用短距離分段明挖法，在結構頂板上配重一定重量的鋼錠，以保證明挖施工時干渠管道上方荷載穩(wěn)定；且分段開挖采取“小步快走，分步施工”方式，每施工完一段結構即可配重鋼錠，在短時間內將開挖卸掉的荷載，快速穩(wěn)定的補上，最大限度的減少干渠管道隆起量；經(jīng)委托北京市水利規(guī)劃設計研究院進行數(shù)值模擬安全評估和專家論證會，最終確定穿越南水北調干渠采用短距離分步明挖法，同時輔以隔離樁、基底旋噴注漿加固和增加配重等輔助措施，加強對南水北調干渠管道的保護。

2.2 變形控制指標

根據(jù)《其他工程穿越跨越或鄰近北京市南水北調工程安全影響評價導則(試行)》[1]、《其他工程穿越跨越或鄰近北京市南水北調工程設計技術要求(試行)》[2]和安評報告等文件要求，提出了綜合管廊上穿南水北調干渠施工期間主要變形控制指標，具體詳見表1。

表1 管廊上穿南水北調干渠變形控制指標

3 施工關鍵技術

3.1 隔離樁

南水北調一期、二期干渠中心間距30 m。管廊向北9 m作為明挖過渡段，為防止基坑加深開挖對一期南水北調干渠橫向土層擾動。在南水北調干渠一期北側管廊工程0+456明暗結合處采取9根鋼筋混凝土隔離樁Φ800 mm@1 200 mm；隔離樁距離南水北調一期干渠中心線12 m，隔離樁樁長16 m，保證深入干渠底一倍洞徑，見圖3。

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圖3 隔離樁剖面圖

隔離樁施工采用長螺旋鉆孔灌注樁施工工藝，采用“隔一打一”施工順序。

采用隔離樁措施后，起到限制南水北調干渠結構水平橫向變形的作用，實現(xiàn)了保護干渠管道結構的目的。

3.2 基底旋噴注漿加固

基底旋噴樁土體加固范圍結構底板下2.0 m，長度41.0 m，寬度11.5 m。旋噴樁采用樁徑Φ600 mm@400 mm的雙重管高壓旋噴樁加固，樁間搭接200 mm。針對工程水文地質情況，采用水泥單液漿加固，在旋噴之前按施工要求準備足夠水泥，采用42.5級普通硅酸鹽水泥。旋噴樁施工時，水泥漿水灰比控制在1.0左右。根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》[3](JGJ 79—2012)要求注漿壓力不得小于20 MPa。

圖4 旋噴樁注漿加固平面圖(單位:mm)

旋噴樁施工工藝流程為：鉆機就位→鉆孔至設計深度→插入噴射管→高壓噴射漿液并逐步提升噴射管→噴射結束→拔管。

旋噴樁采用跳孔施工，隔2孔～3孔，在樁底部邊旋噴穩(wěn)定1 min后達到規(guī)定的噴射壓力，再逐漸邊旋轉邊提升邊噴射。為確保噴漿質量，控制有10%～30%的冒漿量。噴射提升至設計標高后應迅速拔管并及時清洗，以免漿液凝固堵塞管路。

3.3 短距離分段開挖支護

管廊土方開挖借鑒類似盾構隧道上方基坑施工經(jīng)驗[4-16]，施工步序采用分段開挖，減小一次性卸載量，基坑支護如圖5所示。

圖5 上穿南水北調干渠一期基坑開挖支護斷面圖(單位:mm)

基坑支護采用土釘墻形式，施工工藝如下：先1∶1放坡開挖第一層2 m深，厚度80 mm、噴射C25細石混凝土支護，然后施做1.5 m寬臺階，再1∶0.3放坡開挖第二層，土方開挖至土釘下30 cm后進行土釘施工，土釘間距1 500 mm梅花型布置，面板厚度80 mm，噴射C25細石混凝土，土釘成孔直徑100 mm，鉆孔傾角10°，土釘外露不小于80 mm，水平間采用鋼筋拉結，鋼筋網(wǎng)片采用Φ6@150 mm×150 mm縱向搭接長度大于300 mm，橫向搭接長度大于200 mm，面層沿坡頂向外延伸1 m形成護肩，如土釘墻在開挖過程中坡面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，需在坡面設置泄水孔進行引流，將滲水引流至肥槽內的排水溝內，導流管采用長1 m Φ50 mm的塑料管，做成花管并纏80目尼龍紗網(wǎng)，土釘采用長5 m的Φ22鋼筋，注漿材料選用水泥漿。

3.4 對稱開挖澆筑步序

基坑開挖時以南水北調干渠一期中心線為基準：先向北開挖第1段3 m基坑，基坑開挖支護后澆筑混凝土結構及回填覆土，然后以基準線向南對稱開挖第2段3 m基坑，基坑開挖支護后澆筑混凝土結構及回填覆土，隨后同時對稱開挖南北兩側第3段各3 m基坑，澆筑混凝土結構及回填完成后再對稱開挖第4段各6 m基坑，該段管廊共計24 m施工完成后；管廊再往南36.9 m范圍以放坡+土釘形式進行基坑開挖支護，基坑墊層以下施0.5 m厚鋼筋混凝土板和2 m厚旋噴注漿加固土層，為南水北調二期干渠遠期施工預留條件，同時為避免基坑加深開挖對干渠一期橫向土層的擾動，在里程0+456位置增設長16 m 9根Φ800@1200隔離樁。施工步序如圖6所示。

圖6 管廊上穿南水北調干渠施工步序(單位:mm)

3.5 增加配重

為確保施工期間南水北調干渠不發(fā)生上浮，在施工期間采取增加配重的抗浮措施：每段主體結構底板及頂板施工完成后及時滿鋪2排8寸鋼錠，管廊主體結構澆筑完成達到回填設計強度后，管廊基坑肥槽回填時同步拆除頂板鋼錠，頂板鋼錠的拆除重量根據(jù)每次土方回填荷載量等量逐步拆除，同時根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果，視情況移除底板鋼錠，直至全部移除。

3.6 監(jiān)控量測結果

目前綜合管廊上穿南水北調干渠已施工完成，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到南水北調干渠累計隆起和地表沉降變化趨勢，如圖7、圖8所示。

圖7 南水北調干渠累計隆起變形趨勢

圖8 地表沉降監(jiān)測點累計沉降變形趨勢

由圖7、圖8可以得出：

(1) 南水北調干渠隆起變形。南水北調干渠初期施工隔離樁和基底注漿加固時，隆起值為零，尚未引起隆起變形；隨著基坑短距離分步對稱開挖施工，干渠累計隆起值迅速增大，至施工第4步序時累計隆起值出現(xiàn)最大值2.8 mm；隨著管廊主體結構施工及配重的增加，干渠隆起慢慢趨于穩(wěn)定，最終累計隆起變形穩(wěn)定在2.1 mm左右。

(2) 地表沉降變形。監(jiān)測數(shù)據(jù)從開挖初期的負值沉降至中期正值隆起到后期隆起穩(wěn)定主要造成原因：初期分段分步明挖施工，因卸載量較小和土體擾動等影響，地表沉降呈下降趨勢；隨著分段分級基坑開挖，土體卸載量逐步增大，南水北調干渠隆起趨勢增大，地表沉降也隨之由負變正，呈現(xiàn)隆起趨勢，最大累計隆起2.7 mm，與干渠累計隆起同步；隨著管廊結構澆筑施工開始，配重的增加和基坑回填土，基坑內荷載量逐漸增大，地表隆起慢慢下降穩(wěn)定，最終地表累計隆起變形穩(wěn)定在2.0 mm左右。

綜上所述，管廊上穿南水北調干渠累計最大隆起值為2.8 mm，地表累計最大沉降(隆起)控制值為2.7 mm，均在安全評估控制指標范圍內，施工過程中未發(fā)生監(jiān)測及巡視預警情況，施工安全風險得到有效控制。

4 結 語

(1) 城市綜合管廊穿越南水北調干渠施工，經(jīng)過前期充分的技術論證和安全評估，對比分析明挖上穿和暗挖下穿方案的優(yōu)缺點，選定明挖上穿方案，該方案風險較低、施工快速、經(jīng)濟更合理。

(2) 綜合管廊明挖上穿南水北調干渠施工時，通過采取隔離樁、基底旋噴注漿加固、短距離分段開挖、對稱澆筑、增加配重等一系列措施，能縮短土方卸載時間、減少一次性土方卸載量，有效避免南水北調干渠隆起風險，保證了工程安全風險可控，工程達到了預期目的。

(3) 該綜合管廊近距離明挖上穿南水北調干渠施工技術的成功實施，達到了地下綜合管廊的規(guī)劃建設目的，為今后類似工程穿越南水北調干渠的設計、施工提供寶貴經(jīng)驗。