李海龍

摘 要：地鐵隧道穿越重大地下管線已成為地鐵工程中重要的技術問題，依托于青島地鐵8號線河套停車場出入線區(qū)間長距離穿越DN630高壓燃氣管的案例，由于場線隧道斷面大、埋深淺，所處地層節(jié)理裂隙密集發(fā)育、穩(wěn)定性差，普通施工方法必然會造成較大的燃氣管沉降;同時高壓燃氣管對爆破振動較為敏感，如何控制爆破振速是設計難點。文中通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結合的方法，借助大型巖土有限元分析軟件Midas NX，對大跨隧道穿越燃氣管進行數(shù)值模擬;同時對現(xiàn)有燃氣管線進行監(jiān)測，獲得沉降及爆破振速變化曲線。經(jīng)綜合分析與對比后，結果表明：管線沉降限值8 mm及爆破振速限值0.5 cm/s可保證高壓燃氣管的安全;采用無工作室大管棚技術并輔助其他工法優(yōu)化措施可有效地控制管線沉降;采用減振孔減振技術，同時洞內嘗試大直徑中空孔直眼掏槽、導洞法、周邊眼加密等措施可有效地控制爆破振速。研究成果對指導類似礦山法隧道穿越重大管線及重要建構筑物的設計和施工具有重要的參考價值。

關鍵詞：土木工程;燃氣;大管棚;減振孔;爆破;礦山法

中圖分類號：TU 94+1;X 947 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0423 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0728-08

Abstract：The exit line of the Hetao vehicle base of Qingdao Metro Line 8 needs to be long distance crossing a DN630 high pressure gas pipe.Due to the large section and the shallow depth of the field line tunnel， the joint cracks in the stratum are densely developed and the stability is poor. The ordinary construction method does not work， which will cause a large gas pipe to settle;and the high pressure gas pipe is sensitive to blasting vibration， so how to control the blasting vibration velocity is a difficulty in design.In this paper， through the combination of numerical simulation and on site measurements， the large scale geotechnical finite element analysis software Midas NX is used to simulate the settlement and blasting vibration caused by the large span tunnel crossing the gas pipeline.At the same time， the existing gas pipeline is monitored， with settling and blasting vibration velocity curves obtained.An comparison of the results shows that the pipeline settlement limit of 8mm and the blasting vibration velocity limit of 0.5cm/s can ensure the safety of the high pressure gas pipe; it is effective to use the non studio large pipe shed technology and adopt other engineering optimization measure as well to control pipeline settlement.The vibration reduction technology of the vibration reduction holes can be used to control the blasting vibration speed assisted by such measures as straight eye grooving in large diameter hollow hole ，guiding hole method and peripheral eye encryption.The research results provide a guideline for the design and the construction of major pipelines and important structures in similar mine tunnels.

Key words：civil engineering;gas;large pipe shed;damping hole;blasting;mine method

0 引 言

隨著全國各大城市地鐵建設的蓬勃發(fā)展，工程中經(jīng)常遇到下穿或側穿重大管線的問題，因地鐵一般修建在較為繁華地區(qū)，地鐵周邊建構筑物密集，大多數(shù)管線不具備遷改條件，或遷改難度大、造價高，如何在不遷改管線的情況下保證管線的安全是地鐵施工亟需解決的技術難題。而高壓燃氣管線具有沉降要求高，爆破振速敏感等特點，相對一般管線而言要求保護措施更為嚴格，若施工措施控制不當，將對工程建設及社會生活產(chǎn)生非常惡劣的影響。

國內外雖有已有較多成功穿越地下管線的案例，但因地質條件、管線材質、壓力等級、接頭形式等差別較大，控制標準及保護措施各異，相關監(jiān)測規(guī)范分別規(guī)定了普通管線的累計控制值及變形速率，而對高壓燃氣管線沉降未明確要求;相關爆破規(guī)范規(guī)定了一般民用建筑及古建筑的爆破振速限值，而對管線的爆破振速未明確要求;白偉采用地表加固和洞內加固的方法[1]，譚信榮采取地面帷幕分艙止水、洞內全斷面注漿等措施[2]，朱康寧采用水平旋噴樁+深孔帷幕注漿地層加固及管線懸技術，有效的控制了次高壓燃氣管道的沉降[3];張曉今、李克先等基于隧道側穿加油站施作減振孔案例，得出地震波遇到減振孔發(fā)生繞射，減振孔具備明顯的減振效果的結論[4-5];類似的工程實例還有很多[6-9]。

以上工程實例對礦山法隧道下穿燃氣技術提供了很好的參考，但多數(shù)案例僅針對于次高壓燃氣管，對高壓燃氣管的研究相對較少;根據(jù)文獻，高壓燃氣管5 m范圍內為安全保護范圍，嚴禁動土，地面加固等措施無法采用;減振孔主要應用于對側穿加油站、古建筑等的保護，對燃氣管線的保護相對較少。

筆者結合青島地鐵8號線河套停車場出入線隧道長距離正穿及側穿一條DN 630高壓燃氣管為分析基礎，此燃氣管為青島市燃氣主管道，承擔著青島市區(qū)約一半的燃氣輸送量，常規(guī)措施難以保證管線安全。文中采用數(shù)值模擬與工程實例相結合的方式，提出高壓燃氣管監(jiān)測限值，并采用了無工作室大管棚技術及減振孔減振技術，同時輔助其他控制沉降措施及優(yōu)化炮眼布置措施，成功穿越了高壓燃氣管，為地鐵隧道建設及燃氣管的保護提供參考與借鑒。

1 工程概況

青島地鐵8號線河套停車場出入線區(qū)間位于紅島區(qū)河套片區(qū)，自大澗站引出后，沿正陽西路向西敷設，接入河套停車場，全長1 298 m.在正陽西路北側存在一條DN 630高壓燃氣管，材質為鋼管，埋深1.9 m左右，建設年代2010年左右，為青島市燃氣主管道，承擔著青島市區(qū)約一半的燃氣輸送量。設計為高壓（設計壓力4 MPa，高壓A級），壁厚10～12 mm，連接方式均為焊接。

為避免地鐵隧道開挖對燃氣管線產(chǎn)生影響，大部分燃氣管線已遷改，但受制于周邊建筑物影響，仍有部分燃氣管不具備遷改條件，其中包括90 m正穿段及320 m側穿段。正穿段燃氣管位于隧道正上方，豎向凈距約6.8～7.5 m，圍巖等級為IV1～V級;側穿段燃氣管位于隧道斜上方，水平凈距約7～8 m，豎向凈距約8 m，圍巖等級為Ⅲ2～Ⅳ2級，相對關系如圖1所示。

本段地鐵區(qū)間為單洞雙線大斷面隧道，開挖寬度為11.6 m，高度為9.3 m，拱頂覆土約10 m.洞身主要位于中、微風化巖層，巖體主要以流紋質凝灰?guī)r、角礫巖為主，局部為粉砂巖。節(jié)理裂隙受區(qū)域性斷裂構造控制，主要表現(xiàn)為局部巖體破碎，強度較低，節(jié)理、裂隙密集發(fā)育，具有不均勻性的特點，穩(wěn)定性差。地下水類型主要為基巖裂隙水，主要賦存于基巖強～微風化帶及節(jié)理裂隙密集帶、碎裂巖中，地下水徑流深度較大，徑流方向復雜。

2 工程特點與難點

針對工程的具體情況，本工程存在以下特點及難點

1）地質條件一般，隧道所處地層節(jié)理裂隙密集帶、碎裂巖較多，且節(jié)理發(fā)育不規(guī)則。

2）國內無長距離正穿及側穿高壓燃氣管先例，國家規(guī)范對高壓燃氣管線保護控制指標無具體明確要求。

3）單洞雙線隧道斷面大、埋深淺，覆跨比小于1，對地表管線沉降控制難度大。

4）隧道開挖爆破施工對高壓燃氣管產(chǎn)生較大的影響，如何采取措施減小燃氣管的爆破振速，是本工程的難點。

3 控制標準確定

對于高壓燃氣管保護措施，一般情況下從控制管線沉降和控制爆破振速兩方面進行考慮，筆者通過文獻查找，收集國家相關規(guī)范對燃氣保護的要求，主要包括以下幾方面

1）《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB 50911-2013）第9.3.9條規(guī)定：當無地方工程經(jīng)驗時，對風險等級較低無特殊要求的地下燃氣管道（管徑100～400 mm）其沉降累計控制值為10～30 mm，變化速率為2 mm/d，差異沉降為0.3%Lg（Lg為管節(jié)長度）。

2）《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB50497-2009）第8.0.5條規(guī)定：基坑周邊環(huán)境監(jiān)測報警值應根據(jù)主管部門的要求確定，如主管部門無具體規(guī)定，壓力剛性管道管線位移累計控制值為10～30 mm，變化速率為1～3 mm/d.

3）《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）第13.2.2規(guī)定：地面建筑物、電站（廠）中心控制室設備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土的爆破振動判據(jù)，采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率。當f>50 Hz時，對于一般古建筑與古跡，爆破振動安全允許標準值為0.3～0.5 cm/s.

4）《青政辦發(fā)[2015]3號關于印發(fā)青島市燃氣設施安全保護管理辦法》第七條規(guī)定：燃氣管道設施安全保護范圍為埋地高壓、次高壓管道及管道附屬設施為管壁外緣兩側5 m范圍內的區(qū)域。在燃氣設施的安全保護范圍內，不得從事爆破、取土等作業(yè)或者動用明火等危及燃氣設施安全的行為。

自發(fā)生“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故后，青島市政府對燃氣管線的安全保護更加重視。

綜合國內地鐵下穿燃氣經(jīng)驗，并經(jīng)過多次專家會評審，最終確定本大跨隧道穿越高壓燃氣管線沉降控制值為8 mm，爆破振速控制值為0.5 cm/s.

4 管線沉降控制措施

4.1 常規(guī)優(yōu)化措施

針對沉降限值控制在8 mm以內，本工程從以下幾方面進行設計優(yōu)化

1）隧道開挖優(yōu)化為“CD”法施工，每個導洞采用臺階法開挖，縮小單次開挖斷面尺寸。

2）V級圍巖預留核心土開挖，增大開挖掌子面的穩(wěn)定性。

3）加密格柵鋼架間距，縮短開挖進尺。

4）及時進行初支背后注漿，補充圍巖與初支結構之間空隙，減小沉降。

5）嚴格控制地下水流失，嚴禁引管排水，減小因地下水流失引起的沉降。

6）當管線發(fā)生限值范圍內少量沉降時，可通過初支背后徑向補償注漿，并控制注漿壓力，將管線回推至原位。

7）采用108大管棚支護，通過管棚棚架作用及自身剛度支撐上部巖體，防止地面大范圍塌方。

4.2 無工作室大管棚施工工藝

常規(guī)大管棚施工前需提前施做管棚工作室，管棚工作室一般需比普通斷面外擴50～80 cm，普通斷面與工作室斷面之間逐步上挑的斷面為施工過程中中應力最為集中、施工風險最大的段落。

本工程引入一種無工作室大管棚施工工藝，可有效的規(guī)避擴挖工作室引起的施工風險，其推進工序如圖2所示。

4.2.1 管棚制作

大管棚采用外徑108 mm，壁厚6 mm的熱軋無縫鋼管。每節(jié)鋼管兩端均預加工成外絲扣，以便連接接頭鋼管，每節(jié)鋼管長4～6 m，鋼管及鋼花管同一截面內的接頭數(shù)不超過管數(shù)的50%。

為提高導管的抗彎能力，可在管棚內設置鋼筋籠，鋼筋籠由4根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為18 mm，固定環(huán)采用短管節(jié)，節(jié)長5 cm，將其與主筋焊接，按1.5 m間距設置。

4.2.2 測量放樣

管棚打設前，應將開挖掌子面噴混凝土臨時封閉，噴混厚度300 mm，掛D8@200 mm×200 mm單層網(wǎng)片，并臨時打設25中空注漿錨桿，L=3 m，1 m×1 m，梅花形布置。

在開挖輪廓線以外拱部150°范圍由測量組按照設計圖紙及預留變形量進行測量放線，將管棚打設輪廓線和孔位放出。

4.2.3 鉆機就位

選用鉆機首先應適合鉆孔深度及孔徑的要求，鉆機要求平穩(wěn)靈活，能在水平360°范圍內鉆孔。

1）鉆機平臺用鋼管腳手架搭設，搭設平臺應一次性搭好，鉆孔由1～2臺鉆機由高孔位向低孔位進行。

2）平臺要支撐于穩(wěn)固的地基上，腳手架連接要牢固、穩(wěn)定，防止在施鉆時鉆機產(chǎn)生不均勻下沉、擺動、位移而影響鉆孔質量。

3）鉆機定位：鉆機要求與已設定好的孔口管方向平行，必須精確核定鉆機位置。用全站儀、掛線、鉆桿導向相結合的方法，反復調整，確保鉆機鉆桿軸線與孔口管軸線相吻合。

4.2.4 鉆孔

在普通斷面拱頂限界以下約40 mm掌子面上定位鉆孔，鉆孔角度約3°，可根據(jù)實際情況作適當調整，鉆孔長度30 m，環(huán)向間距0.4 m.

1）采用潛孔鉆機進行鉆孔，成孔直徑d=150 mm，為了便于安裝鋼管，鉆頭直徑應大于鋼管外徑。

2）巖質較好的可以一次成孔，鉆進時產(chǎn)生坍孔、卡鉆時，需補注漿后再鉆進。

3）鉆機開鉆時，應低速低壓，待成孔10 m后可根據(jù)地質情況逐漸調整鉆速及風壓。

4）鉆進過程中確保動力器、扶正器、合金鉆頭按同心圓鉆進。

4.2.5 管棚推進

打設22 m長管棚，利用管棚推進器將孔內管棚向前推進8 m，并保證與上一循環(huán)管棚有5 m的搭接，端頭鉆孔侵限部分為空孔。

1）棚管頂進采用管棚機鉆進相結合的工藝，即先鉆大于棚管直徑的引導孔，然后用挖掘機在人工配合下頂進鋼管。

2）管棚奇數(shù)孔第一節(jié)長1.5 m的鋼管，后續(xù)接長3.5 m鋼管，偶數(shù)孔以每節(jié)長3.5 m接至設計長度，將相鄰鋼管的接頭前后錯開，保證同一橫斷面內的接頭數(shù)不大于50%.

4.2.6 注漿

1）安裝好有孔鋼花管、放入鋼筋籠后即對孔內注漿。

2）注漿材料：水泥漿。

3）采用注漿機將漿液注入管棚鋼管內，注漿壓力0.5～1.0 MPa.管棚封堵塞設排氣孔和注漿孔，當排氣孔流出漿液后，關閉排氣孔繼續(xù)注漿，達到設計注漿量后方可停止注漿。若注漿量超限，未達到壓力要求，應調整漿液濃度繼續(xù)注漿，確保鉆孔周圍巖體與鋼管周圍孔隙充填飽滿。

4.2.7 開挖

在管棚的保護下，向前開挖隧道，開挖長度為17 m.開挖完成后封堵掌子面，鉆孔下管棚，繼續(xù)下一循環(huán)管棚施工。

無工作室管棚施工工藝如圖3所示。

采用無工作室超前大管棚施工技術較常規(guī)大管棚施工有以下優(yōu)點。

1）直接在普通斷面掌子面上定位鉆孔打設管棚，無需擴挖工作室，減小上挑斷面施工風險。

2）利用管棚推進器將管棚推出開挖限界之外，無需逐榀切割管棚，提高了施工效率。

3）減小了土方量、回填混凝土量，降低了工程成本。

4）減小了頻繁的斷面轉化，優(yōu)化了施工工藝。

5 爆破控制措施

高壓燃氣管對爆破振動較為敏感，如何將爆破振動災害降至最低，從國內外的研究成果來看，爆破振動控制大致分為3個方面。

1）針對爆源所采取的控制措施。

2）針對受控對象所采取的措施。

3）針對爆破地震波在傳播過程中所采取的措施。

針對受控對象采取措施，根據(jù)《青島市燃氣設施安全保護管理辦法》：埋地高壓、次高壓管道及管道附屬設施管壁外緣兩側5 m范圍內的區(qū)域為燃氣管線保護區(qū)，經(jīng)與燃氣產(chǎn)權單位協(xié)調，不同意對燃氣管線進行懸吊或其他保護措施。故只能對炮眼優(yōu)化布置及隔絕爆破振動傳播途徑兩方面采取措施。

5.1 洞內優(yōu)化措施

針對本工程分別嘗試以下優(yōu)化炮眼布置措施。

5.1.1 大直徑中空孔直眼掏槽

隧道掏槽眼由楔形掏槽調整為直眼掏槽，掏槽眼中線位置鉆設120空孔，不裝藥，采用雷管段別調整，先行將掏槽眼部分進行爆破，而后實施輔助眼、周邊眼爆破。此法可先行創(chuàng)造臨空面，對減振有一定效果。

5.1.2 導洞法

在隧道爆破中，先行實施掏槽眼部分，提供一個臨空面，而后二次裝填火工品起爆輔助眼、周邊眼，規(guī)避普通毫秒雷管低段別的生產(chǎn)誤差，對減振有較好效果，但現(xiàn)場實施較為繁瑣，需2次前后填充火工品，分別組織施工，對施工效率影響較大。

5.1.3 周邊眼加密

普通隧道爆破方案中周邊眼間距0.5 m左右，現(xiàn)場周邊眼鉆孔間距調整為0.3～0.4 m，隔孔裝藥，依次起爆。此法因周邊眼數(shù)量較多，普通毫秒雷管段別無法將周邊眼與輔助眼全部分開爆破。對減振有一定效果，但遇完整性較好的圍巖時，補炮現(xiàn)象較多。

5.2 減振孔減振技術

針對隔絕爆破振動傳播途徑本工程引入一種減振孔減振技術工藝，減振孔布置如圖4所示。

5.2.1 施工導向墻

開挖基坑施做導向墻，導向墻采用C20素混凝土，截面尺寸為0.8 m×1 m.導向墻內預埋140壁厚5 mm導向鋼管。

5.2.2 鉆孔

打設兩排減振孔，減振孔鉆孔直徑為110 mm，間距300 mm，梅花形布置，鉆孔總深度21 m至出入場線仰拱底，可最大限度的隔斷振動波向燃氣管線方向傳遞。

5.2.3 下PE管

為防止減振孔內灌水影響減振效果，鉆孔內插入直徑90 mm的PE聚乙烯管，此管為兩端封閉的中空管，管長20 m，待PE聚乙烯管底插入至孔底后，管頂上方1 m的鉆孔需用水泥砂漿封堵密實，保證抗浮。

5.2.4 回填注漿

施工區(qū)間主體，施工完畢后，抽出內插的PE聚乙烯管，同時在鉆孔內注入水泥砂漿，將孔回填密實，恢復原地面。

減振孔施工工藝如圖5所示。

6 數(shù)值計算

為驗證無工作室大管棚、減振孔等在隧道下穿燃氣管道時的支護及減振作用，文中利用Midas NX對大管棚加固、減振孔減振情況下隧道穿越高壓燃氣管道進行了模擬，得到管道的下沉情況。

6.1 模型建立與參數(shù)確定

隧道拱頂埋深11 m，燃氣管道位于隧道上方，埋深2 m.燃氣管道直徑630 mm，壁厚度10 mm，采用梁結構單元模擬燃氣管道，圍巖、大管棚加固層均采用實體單元模擬。計算模型尺寸為長50 m，寬80 m，高40 m.計算模型如圖6所示。

6.2 計算結果

從圖7可以看出，管道最大沉降變形為6.3 mm，小于控制指標8 mm，說明洞內大管棚支護加固等措施可有效控制管道沉降變形，保證施工安全。

7 效果分析

1）正穿高壓燃氣管段共設計6循環(huán)大管棚，現(xiàn)正穿段隧道已開挖完成，開挖過程中未出現(xiàn)塌方、掉塊等現(xiàn)象。侵限段管棚均通過管棚推進器推送至限界以外，不需要逐榀切割管棚，施工效率高。最終監(jiān)測燃氣管沉降結果如圖8所示：最大沉降為6.9 mm，小于設計要求最大沉降限值8 mm.

2）減振孔減振技術效果較為明顯，不采用減振孔爆破振速為0.76 cm/s，采用減振孔減振技術后，實際監(jiān)測燃氣爆破振速為0.48 cm/s，減振效果達36.8%，滿足設計要求0.5 cm/s的爆破振速限值，圖9為無工作室大管棚及減振孔現(xiàn)場施工場景。

8 結 論

1）本工程提出的沉降限值8 mm，爆破振速限值0.5 cm/s，可保證高壓燃氣管線的安全，對于全國后期建設的地鐵項目遇到穿越高壓燃氣管時可作為參考。

2）無工作室超前大管棚施工具有無擴挖風險、不需要頻繁進行斷面轉換、減小工程量及回填量等優(yōu)點，是對大管棚施工工藝的重大改進。

3）減振孔減振技術減振效果較為明顯，考慮優(yōu)化爆破方案后，綜合減振效果約降低振速368%.如其他地區(qū)線路側穿對爆破振速要求較高的建構筑物（如加油站、文保建筑等）時可以借鑒。

目前減振孔的造價較高，對于減振孔的長度及間距，是否具有優(yōu)化的空間，可在將來研究中進一步考慮。

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