重大盾構工程穿越南水北調輸水管道應用技術的研究

福亞旭 段 培

北京市南水北調環線管理處 北京 102600

1 研究背景與工程概述

1.1 研究背景

習近平總書記在主持召開推進南水北調后續工程高質量發展座談會上指出，要深入分析南水北調工程面臨的新形勢新任務，完整、準確、全面貫徹新發展理念，按照高質量發展要求，統籌發展和安全。北京市南水北調東干渠工程是北京市‘26213’供水格局中‘一環’的組成部分；隧洞全長44.7公里。近幾年對隧洞巡查值守過程中發現隨著城市發展與規模擴大，愈加完善的基礎設施一方面提升了人們的生活質量，另一方面也對已有輸水管線結構安全形成了新的挑戰，一些重大工程尤其以對土體擾動較大的盾構工程為代表，在穿越輸水管道施工過程中需要采取充分的技術保護措施避免水政事件發生。因此北京市南水北調環線管理處急需研究重大盾構工程在隧洞及管線保護范圍內的應用技術。

1.2 南水北調東干渠工程概述

北京市南水北調東干渠工程是北京供水格局中“一條環路”的重要組成部分。東干渠工程位于北京市東部朝陽區及大興區境內，分為東干渠輸水隧洞工程以及亦莊調節池工程兩大部分。東干渠輸水隧洞工程起點位于團城湖至第九水廠輸水工程末端（關西莊泵站北）預留接口，終點與南干渠工程相接，總長44.7km。隧洞埋深6.5至29.4m，共設縱向折彎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，輸水隧洞采用復合襯砌結構。一次襯砌為C50，W10，F150預制混凝土管片，厚300mm。二次襯砌為C35，W10，F150模筑鋼筋混凝土，厚400mm。工程沿線共設置56座排氣閥井，6座排空井，2座調壓井，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，次要建筑物為3級，臨時建筑物為5級。本工程主要建筑物設計洪水標準為20年一遇，校核洪水標準為50年一遇。

2 重大盾構工程穿越南水北調輸水管道綜述

2.1 穿越方式

南水北調輸水管線一般以地下埋設方式，采用單管或雙管輸水管道，帶有一定水頭壓力輸水運行。

盾構工程根據輸水管線埋深、地層情況、地上物以及周邊其他既有設施情況，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施工。

2.2 穿越效果影響因素

盾構施工穿越效果與工程地質條件、輸水管線保護范圍內地上地下構筑物、盾構機選型等因素有關。同時還要滿足盾構隧道具有足夠的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾構直徑；線位上允許建造用于盾構進出洞和出碴進料的工作井等條件[1]。

盾構機須滿足施工范圍內各土層的掘進需求；盾構機強度與剛度和推進力、輸土能力、刀盤切削扭矩等相匹配。根據北京地區的地質特點，一般情況下多采用土壓平衡盾構機。

3 重大盾構工程穿越南水北調輸水管線保護措施

3.1 前置性保護措施

對盾構隧道及輸水管線結構之間土體進行超前預加固[2]。在穿越前對盾構區間結構與東干渠結構之間土體進行地面注漿加固，注漿漿液一般采用水泥漿，加固寬度為盾構區間寬度向兩側外擴1倍洞涇，加固長度為東干渠中心線向兩側外擴15m，加固高度視結構凈距決定，一般距南水北調輸水管線結構至少留有2-3m緩沖和安全距離，加固體強度應達到0.5-0.8MPa；

盾構機掘進至南水北調東干渠影響范圍前設置試驗段，在試驗段掘進中參照類似地層中掘進參數，以保證良好的掘進速度、控制出渣量為控制目標，靈活調整掘進參數摸索出適合此種地層的最佳參數組合。地面需設置沉降監測點（其中部分沉降監測點為深層測點）通過對試驗段施工參數及相關沉降數據的分析及總結，進一步優化初步設定的參數值，最大限度地減小盾構施工對周邊環境的影響，保證穿越施工安全可靠[3]。

3.2 盾構施工保障措施

調整并確保盾構機性能良好，嚴格控制掘進參數，確保勻速、低速、連續通過，嚴格控制地層損失率，出土量采用體積與重量雙控方式進行土方控制。

加強同步注漿、及時進行背后補注漿，在地層產生大的變形之前迅速完成相關作業[4]。根據相同地質條件下施工經驗，在穿越段控制漿液的注入數量，最大程度的減少因充填不及時、不密實而造成的地層損失；當盾構每環推進至差100mm完成時，停止同步注漿，進行管路沖洗；及時進行二次補注漿，按照對點、少量、多次、均勻的原則進行注漿施工。

從洞內采用徑向注漿加固盾構隧道與南水北調東干渠結構間的土體，縱向加固范圍為盾構開挖面距既有結構前后各1.0D范圍內，注漿高度1.5m，注漿半徑不小于0.5m，具體參數應以現場試驗為準。

及時布設測點，穿越過程中加強監控量測，并根據監測結果及時調整盾構掘進參數，在盾構通過一段時間后，繼續監測東干渠及其地面沉降變化數據，如發生沉降及時對隧道周邊土體進行補充注漿，有效地控制地面、東干渠的后期變形[5]。

3.3 后期運營保護措施

后續地鐵運行道床在穿越影響范圍內采用鋼彈簧浮置板道床，最大程度過濾震動，減小對東干渠結構的影響。

4 地鐵盾構工程穿越南水北調東干渠工程實例

4.1 工程概況

北京地鐵12號線酒仙橋站-北崗子站區間隧道沿萬紅路向東，穿越東五環后轉向東南，沿規劃東八間房路敷設，到達北崗子站。地鐵12號線酒仙橋站-北崗子站區間采用外徑6.4m盾構法施工，管片為300mm厚C50混凝土管片。

北京地鐵12號線左、右線分別從東干渠樁號15+520.373和樁號15+545.744處上部穿越。盾構區間與南水北調東干渠樁號15+534處斜交，右線盾構區間與南水北調東干渠夾角約為42°，左線盾構區間與南水北調東干渠夾角約為44°；穿越段區間覆土約7m，與南水北調東干渠輸水隧洞結構外頂豎向凈距3.2m。

圖1 平面布置圖

4.2 地質狀況

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粉細砂，⑥粉質粘土，沿線隧道圍巖基本分級為Ⅵ級。地鐵區間與東干渠夾層土主要為⑥粉質黏土。

圖2 地質情況示意圖

4.3 方案比選

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

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

經過對兩個方案比較，上穿方案較下穿方案有以下幾處優點：

1、區間埋深淺，造價低；

2、區間上穿南水北調東干渠，對南水北調東干渠影響較下穿方案小；

3、區間在穿越南水北調東干渠前需穿越東五環環鐵橋橋樁，上穿方案區間位于橋樁中部，對橋樁影響較小，下穿方案位于橋樁端部，對橋樁影響大；

4、區間上穿南水北調東干渠可減少區間風井埋深，既減少風險又降低造價。

綜上所述，區間穿越南水北調方案推薦采用上穿方案。

4.4 技術保護措施

地鐵12號線盾構區間穿越東干渠結構處全部采用前述重大盾構工程穿越南水北調輸水管線的保護措施。

盾構區間隧道與東干渠結構之間進行土體預加固前置性保護措施。采用超細水泥進行填充注漿，注漿壓力不大于0.3MPa，注漿速度根據地層孔隙及連通情況、地層密實度等因素暫定 0.2m3/min-0.3m3/min，單孔注漿量 1.6m3-2.2m3。加固范圍考慮盾構施工過程中對南水北調東干渠影響及后期地鐵運營振動對南水北調東干渠影響，沿南水北調東干渠呈平行四邊形（平面 35m×71m），加固高度為 4.2m，加固體強度應達到0.5MPa-0.8MPa。注漿完成后應采用鉆孔取樣法對注漿效果進行檢測，在加固深度范圍內，取樣率應為總注漿孔數的0.5%，當加固體強度不滿足要求時應對薄弱部分進行補充注漿，待加固體強度滿足設計要求后方可盾構穿越。

圖3 土體加固平面、剖面示意圖

調整并確保盾構機性能良好，嚴格控制掘進參數，確保勻速、均衡、連續通過，嚴格控制地層損失率（每環出土量偏差不超過理論值的 1%，理論值 44m3/環），出土量采用體積與重量雙控方式進行土方控制。

加強同步注漿、及時進行壁后補注漿，在地層產生大的變形之前迅速完成相關作業。根據相同地質條件下施工經驗，在穿越段控制漿液的注入數量，最大程度的減少因充填不及時、不密實而造成的地層損失；注漿時每次注入量以地面的變化為依據，注漿壓力控制在 0.3MPa范圍以內。盾構每環開始推進100mm后時開始進行同步注漿（理論注漿量為4.4m3/環-5.9m3/環），隨時根據推進速度及需要注入的總量對其進行調整，通過漿液配比優化，將漿液凝固時間控制在 25-40秒之間，結實率大于95%，終凝強度不小于1.7MPa，具體參數應以現場試驗為準，當盾構每環推進至差100mm完成時，停止同步注漿，進行管路沖洗；及時進行二次補注漿，按照對點、少量、多次、均勻的原則進行注漿施工。

距盾尾5-10環，從洞內采用徑向注漿加固盾構隧道與南水北調東干渠結構間的土體，縱向加固范圍為盾構開挖面距既有結構前后各 1.0D范圍內，注漿高度1.5m，注漿半徑不小于0.5m，注漿管采用DN32×2.75mm小導管，長度為2.5m（局部位于南水北調東干渠上方為 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臺，穩壓時間不小于 30 分鐘。

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

4.5 保護措施應用效果

東干渠原設計單位監測數值控制要求如下：

地表位移累計最大上浮值：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日地鐵盾構雙線均已脫出保護范圍，監測數據較為平穩，截止2021年7月2日地鐵12號線穿越南水北調東干渠工程監測數據為地表累計沉降最大測點累計沉降值為-4.10mm（距離準許最大值差值-7.90mm），當日變化值為-0.04mm；深層土體累計沉降最大測點累計沉降值為2.62mm（距離準許最大值差值為1.38mm)。當日變化值為0.15mm。由此可以看出上述重大盾構工程穿越南水北調輸水管道的技術保護措施具有較好應用效果與價值。

6 結束語

針對重大盾構工程穿越南水北調輸水管道應用技術的研究，通過前置性保護措施盾構區間隧道與南水北調輸水管道結構之間土體預加固，到盾構過程中加強同步注漿、及時進行二次補注漿并適時徑向注漿加固盾構隧道與南水北調輸水管道結構間的土體，最后選取在穿越區間處采用鋼彈簧浮置板道床的過濾振動措施等一些列應用技術，在保障重大盾構工程穿越南水北調輸水管線結構安全、輸水平穩發揮積極有效作用的同時，也可以提供其他工程穿越南水北調輸水管道行之有效的思路。