萬俊峰

(1. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽　471009； 2. 中鐵隧道集團股份有限公司， 河南 鄭州　450001)

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盾構在富水粉細砂層中長距離平行下穿有壓敏感管線施工控制技術

萬俊峰1,2

(1. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽471009； 2. 中鐵隧道集團股份有限公司， 河南 鄭州450001)

摘要：鄭州地鐵2號線國基路站—北環(huán)路站區(qū)間隧道在富水粉細砂地層中長距離下穿3條有壓給水管線，給水管為混凝土管材，穩(wěn)定性較差。為滿足設計單位和產權單位對施工沉降的要求，分析盾構隧道下穿施工過程中，不均勻沉降導致地層土體變形的施工風險，地層沉降主要受刀盤結構形式、刀盤支撐形式(影響渣土改良效果)、渣土改良劑在刀盤上的注入位置3方面影響。從設備選擇及改造、施工工藝措施方面予以優(yōu)化： 1)盾構刀盤結構形式及相應配置要適應富水粉細砂層掘進和保壓； 2)合理的施工參數(shù)及工藝措施對地表沉降控制的必要性。監(jiān)測結果表明，管線最大沉降滿足風險源控制目標。

關鍵詞：鄭州地鐵； 富水粉細砂層； 有壓敏感管線； 盾構選型； 刀盤結構； 渣土改良； 監(jiān)測

0引言

伴隨著城市綜合交通技術的發(fā)展，盾構法以其較高的可靠性及較好的適應性，在國內外地鐵建設中得到了廣泛應用[1]。盾構施工會引起上覆土層變形，由于盾構施工技術工藝及周邊環(huán)境和巖土介質的特點，盾構推進中引起的地層變形一直是工程界關注的熱點。

城市地下管網密布，修筑年代差異大，設計標準不一，外力承受能力具有不確定性，盾構掘進勢必會對地層產生一定程度的擾動[2-5]，這種現(xiàn)象在含水的粉細砂地層中表現(xiàn)尤為顯著，嚴重時會導致管線破損，危及公共安全。因此，最大限度地降低隧道施工對周圍地層的擾動及減小對上部管線的影響顯得尤為重要。魏綱[2]預測了盾構法隧道施工引起的土體變形，分析了不同土質條件下盾構法施工引起的土體移動模型，基于盾構法隧道統(tǒng)一土體移動模型,得到盾構施工過程中由于土體損失而引起的土體變形二維解,適用于施工階段；黃宏偉等[3]研究了盾構推進對地表沉降的影響；馬亞航[4]分析了隧道開挖引起的地層變形機制，針對管線受隧道開挖的影響，并考慮地層管線的相互作用，給出了安全性判別方法及評價標準；洪琦[5]以城市地鐵盾構隧道下穿污水管線工程為背景，以三維實體模型為基礎，研究了施工對既有管線的影響；石新棟等[6]對南京緯三路過江隧道的主要地質問題進行了分析與風險評估，對地層的適應性等方面提出了施工對策，為盾構選型提供了技術依據(jù)；楊曉華[7]引入盾構扭矩和推力的數(shù)學計算模型，對砂卵石地層中雙洞地鐵隧道盾構選型和地層變形進行了研究；胡長明等[8]研究了黃土地區(qū)土壓平衡盾構穿越含砂地層的地表變形規(guī)律與控制技術。

目前地鐵穿越地下管線的成功經驗有很多，并有在復雜地質條件下穿越的施工案例，但這些案例大多以正穿、斜穿的方式在短距離內快速通過，類似于本文所述的鄭州地鐵2號線國基路站—北環(huán)路站區(qū)間線路在DN 1 400 mm帶壓(水壓0.3 MPa)源水管等敏感管線下方富水砂層內長距離平行穿越的案例尚不多見。鄭州地鐵2號線國基路站—北環(huán)路站區(qū)間地層沉降、管線變形控制難度大，施工周期長，盾構刀盤的結構形式及施工措施對沉降控制有著直接的作用[9-10]。因此，研究盾構刀盤結構形式及施工措施對地表沉降控制的影響顯得尤為重要。

1工程概況

鄭州地鐵2號線國基路站—北環(huán)路站區(qū)間共下穿DN 1 400 mm給水管(帶壓源水管)、DN 1 200 mm給水管(帶壓源水管)、DN 600 mm給水管(帶壓凈水管)3條給水管線，其中DN 1 400 mm給水管最為敏感。國基路站—北環(huán)路站區(qū)間工程地質情況見表1。

表1國基路站—北環(huán)路站區(qū)間工程地質情況

Table 1Geological conditions of Guojilu Station-North Huanchenglu Station shield tunnel

區(qū)間名稱地層名稱占據(jù)比例/%國基路站—北環(huán)路站<2-1>粉土2.4<2-4>粉質黏土0.6<3-2>粉質黏土18.5<4-1>粉土4.7<4-2>粉砂2.3<4-3>細砂50.5<4-4>中砂20.9

國基路站—北環(huán)路站區(qū)間地下水位高程80.56～89.93 m，平均84.40 m，地下水位位于刀盤上方5 m。地下水主要接受大氣降水的入滲補給以及上游的水平徑流補給，受周圍生活區(qū)地下水開采的影響，排泄方式主要以人工開采及水平徑流為主。

2下穿管線概況

2.1隧道與主供水管線的空間位置關系

區(qū)間左線隧道大范圍整體平行下穿DN 1 400 mm給水管線，有368 m管線位于隧道正上方，其平面投影與隧道重疊；有809.9 m管線位于隧道側上方，其平面投影與隧道間距小于0.5倍洞徑，與隧道基本重疊。管線埋深在1.5～3.3 m，與隧道頂部凈距在8.2～14 m。DN 1 400 mm給水管與隧道的位置關系見圖1和表2。

圖1　DN 1 400 mm給水管與隧道位置關系

Fig. 1Relationships between DN 1 400 mm water-supply pipeline and tunnel

表2DN 1 400 mm給水管與隧道位置關系

Table 2Details of relationships between DN 1 400 mm water-supply pipeline and tunnel

m

2.2管線沉降控制標準

設計單位有壓管線沉降控制標準為0～-10 mm；產權單位(自來水公司)要求施工中無沉降。

2.3管線結構形式

DN 1 400 mm給水管為混凝土管材，管節(jié)長度有2 m和4 m 2種形式，承插接頭，砂漿+麻筋密封；基礎均為原狀土夯實，轉彎處和檢查井處接頭采用混凝土支墩加強，穩(wěn)定性較差。供水管線施工見圖2。

3盾構刀盤結構選型及盾構優(yōu)化

根據(jù)同類地層施工情況，結合現(xiàn)有設備狀況，土壓平衡盾構可以滿足施工要求。

圖2　供水管線施工

3.1施工面臨的風險

3.1.1既有管線風險

1)經過調查，給水管線埋設年代久遠，管接頭存在不同程度的老化及密封退化，安全系數(shù)很低，極易造成管接頭處破損。

2)盾構在下穿隧道施工過程中，不均勻沉降將導致地層土體變形，地層土體變形使管材發(fā)生不同程度的豎向位移，當水管接頭強度達到臨界值時，將導致給水管接頭崩裂而大量涌水，致使地表塌方。

3)由于水管管徑大、存水量大，如果斷裂則處理時間較長，會使地面出現(xiàn)不同程度的塌陷，容易造成交通阻斷、城區(qū)大面積停水等不良影響。

4)自來水管線周邊位置均伴有DN 325 mm燃氣管線、電力管線、軍用光纜等，由于給水管的斷裂而導致的地面沉降，必然會引起周邊管線出現(xiàn)不同程度的損壞，造成不可估量的損失。

3.1.2地質風險

1)地層自然磨損系數(shù)大，容易造成刀盤、刀具及螺旋輸送機磨損嚴重。

2)地層沉降反應靈敏，無有效的工后處理措施進行地表沉降控制。

3.2合理化刀盤結構選型

3.2.1刀盤選型的影響要素

富水粉細砂地層盾構施工掘進控制難度較大，對地層沉降的影響主要受刀盤結構形式、刀盤支撐形式(影響渣土改良效果)、渣土改良劑在刀盤上的注入位置3方面影響。

3.2.2刀盤選型

根據(jù)區(qū)間工程環(huán)境，結合企業(yè)設備資源狀況，盾構選擇為： 1)長距離平行下穿DN 1 400 mm自來水管左線使用大開口率+小面板組合的中鐵7號(CTE7)盾構(見圖3)進行掘進施工，刀盤開口率為50%，刀盤支撐形式為中間支撐式，表面設置有5個注射口，可以注射泡沫添加劑，每個泡沫注射口安裝有注射口保護刀防止注射口堵塞，背部和土艙隔板分別焊接有3個和2個攪拌棒； 2)遠離敏感管線的右線使用開口率為42%的中鐵2號盾構(CTE2)(見圖4)進行掘進施工，刀盤支撐形式及表面設置同中鐵7號盾構。

圖3　中鐵2號盾構

圖4　中鐵7號盾構

3.3盾構的改造

為解決以往出現(xiàn)的影響機械性能和同步注漿質量的問題，做了以下針對性改造： 1)為解決同步注漿較慢的問題，將配置的泵源力士樂A10V071DFLR/31R-PSC62K04更換為力士樂A10V100DFLR/31R-PSC62K04變量柱塞泵，更換后工作能力可提高30%。2)針對 “卡螺機”問題，將ME850BP驅動馬達由原有的3臺增加至4臺，原裝備螺旋機最大扭矩為225 kN·m，增加1臺驅動馬達后最大扭矩可達300 kN·m，可大幅降低螺旋輸送機“被卡”的概率。3)針對渣土改良不均勻問題，在土艙壁上增加1根中空被動式攪拌棒，中間設置沖水孔，對刀盤中央沖水，防止刀盤中央結泥餅，以利于渣土改良。

4掘進參數(shù)及施工過程控制要點

4.1土艙壓力控制

根據(jù)走訪調查及相鄰標段施工經驗，本敏感管線可承受的壓力為0.03 MPa，承受的隆起值較小，可承受的沉降值為1.5 cm。通過對地層做詳細分析及數(shù)據(jù)總結，區(qū)間土壓設置預備壓力為0.03 MPa以下時無破壞危險。本區(qū)間掘進施工時，土艙上部理論土壓p0=地下水壓力+靜止土壓力(K0×γ×h)+預備壓力，預備壓力一般取0.01～0.02 MPa，在此土壓設置下，掘進施工中刀盤前方微隆起2 mm。在掘進停機時，土艙內保壓高于設定壓力 0.02～0.03 MPa，地表及管線監(jiān)測值無變化。

4.2渣土改良

區(qū)間地層以全斷面砂層為主，如何用渣土改良劑做好土艙內渣土改良以達到穩(wěn)定盾構掌子面的目的，顯得異常重要，具體做法如下。

4.2.1改良劑品類及注入位置

在砂層中掘進，由于土體黏性大、摩擦力大、透水性強以及切削土體的流動性差等特點，進入土艙和螺旋輸送機內的渣土易被壓實而難以排出，施工中需對渣土進行改良。采用水、泡沫、膨潤土，特殊地質條件下采用高分子砂土改良劑，改良材料需注入到刀盤前方，將渣土改良形成軟土壓，防止地下水的流失。

4.2.2泡沫劑

為增強渣土的可塑性，需增大土艙內泡沫劑用量，泡沫劑用量由正常段的20～30 kg/環(huán)增加至60 kg/環(huán)，掘進速度控制在30 mm/min左右，適當?shù)靥岣呔蜻M速度可以有效減少地層損失。

4.2.3高分子聚合物

為保證掌子面地層的穩(wěn)定，可向盾構刀盤前方注入高分子聚合物，盾構掘進速度控制在35 mm/min左右，高分子材料體積分數(shù)為5‰，注入率(注入的高分子材料量和掘進渣土量的比值)為10%～20%,注入流量為62～125 L/min。

4.3推進速度控制

在下穿管線過程中，以30 mm/min左右的速度勻速推進為宜，推進過程中要保持速度穩(wěn)定，確保盾構均衡、勻速地下穿管線，減少盾構推進對前方土體造成的擾動，減小對地層的影響，同時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)適當調整推進速度。

4.4出土量控制

盾構隧道每環(huán)理論出渣量(實方)=π×(D/2)2×l=3.14×9.859 6×1.5= 46.46 m3(D為盾構刀盤直徑；l為每循環(huán)掘進距離)。

根據(jù)以往的施工經驗和該地層松散系數(shù)，細砂層盾構推進出土松散系數(shù)為1.1～1.2，實際施工前需要對松散系數(shù)進行試驗測試修訂，即51.11～55.75 m3/環(huán)。在控制出渣方量的同時，用45 t門吊電子秤對每環(huán)渣土進行稱重，從質量和方量對渣土進行有效控制。

掘進時，根據(jù)地質情況對渣土進行改良和出渣量控制。渣土改良采用加泡沫劑和膨潤土，掘進時每環(huán)泡沫劑用量約60 kg，膨潤土7～10 m3。

4.5同步注漿

同步注漿過程中為進一步防止?jié){液損失，將原水泥砂漿改為稠度較大的惰性漿液，水泥砂漿惰性漿液質量配合比調整如表3所示。

表3普通地段與風險源段同步注漿漿液配合比比較表

Table 3Comparison between grout mixing proportion of simultaneous grouting of common section and that of risky section

kg

4.6施工監(jiān)測項目及成果

地下管線監(jiān)測是高風險段監(jiān)測工作的重點。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和及時性，區(qū)間沿管線延伸方向對應每環(huán)管片布置觀測點，測點直接布置在管身上，通過測試管道上方及周邊土體的差異沉降，間接反映管道的空間變形情況。施工中每循環(huán)監(jiān)測刀盤到達前、掘進中、盾尾脫出3個時間段的變形情況，后續(xù)按正常頻率監(jiān)測。區(qū)間以20 m間距布設地層變形監(jiān)測點，掌握掘進過程中不同地質形態(tài)變化情況，為控制變形提供基礎數(shù)據(jù)。

通過分析監(jiān)測結果，在區(qū)間下穿有壓敏感管線施工期間，管線最大沉降10 mm，沉降速率最大值為 2 mm/d。盾構刀盤前方地表間或出現(xiàn)微隆起現(xiàn)象，盾尾脫出后沉降主要集中在-4～-6 mm，后續(xù)沉降在-1～-2 mm，見圖5。盾構通過期間和通過后地表影響沉降槽變窄，為7 m，其主要影響范圍位于盾構區(qū)間中線兩側3.5 m，對左線隧道上方影響較小，集中在-1 mm以內，總體效果滿足風險源控制目標。

圖5　典型監(jiān)測點沉降折線圖

5結論與建議

掘進施工中采用大開口率刀盤結構，能在掘進施工過程中真實反映刀盤前方開挖面土體壓力，有利于確定土艙內渣土改良方案；渣土改良劑注入位置以刀盤前方為主，并應盡可能將改良劑注入渣土死角，利于掘進施工。

1)在條件允許的情況下考慮遷改管線或調整線路平曲線，盡可能使遷改后的管線平面投影凈距大于洞徑，降低或消除風險等級；必要時可在地表對管線進行預加固。

2)注重試驗段先行的必要性和指導意義，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整渣土改良劑添加比例，并調整掘進參數(shù)及施工工藝；落實設備進場前、施工中的檢修保養(yǎng)工作制度，保證設備穿越風險源期間的完好率；制定全面的崗位職責和必要的獎懲制度，嚴格施工工藝的執(zhí)行力度。

3)現(xiàn)場應對管線作細致檢查，并對管線的沉降耐受能力作必要的分析。

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Construction Control Technologies for Shield Tunnel Boring in Water-rich Fine Silty Sand Strata and Parallel Crossing Underneath Pressured Water-supply Pipeline

WAN Junfeng1,2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450001,Henan,China)

Abstract:The Guojilu Station-North Huanchenglu Station shield bored tunnel on Zhengzhou Metro Line No. 2 is located in water-rich fine silty sand strata and crosses underneath 3 existing pressured water-supply concrete pipelines. In order to meet the settlement control requirements, the construction risk of soil deformation induced by heterogeneous settlement is analyzed. The cutterhead structure type, cutterhead support type and injection points of ground conditioning agent on cutterhead are the main factors for ground settlement. Some suggestions are propased as follows: 1) The shield cutterhead structure type and related devices are very important. 2) Rational construction parameters and technologies are necessary. The monitoring results show that the maximum pipeline settlement can meet the risk control requirement.

Keywords:Zhengzhou Metro; water-rich fine silty sand strata; pressured pipeline; shield type selection; cutterhead structure; ground conditioning; monitoring

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)04-0439-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.011

作者簡介：萬俊峰(1968—)，男，河南漯河人，1990年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，隧道與地下工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事工程施工技術管理工作。E-mail: 631984109@qq.com。

收稿日期：2015-09-11; 修回日期: 2016-01-27