盾構隧道下穿既有DN1400給水管保護方案

陳雪虎

摘 要：隨著我國城市建設的不斷發展，地鐵隧道施工下穿地下管線的情況變的越來越常見。其中一些管線關系到城市居民生活且管徑較大、修建年代久遠，一旦隧道施工造成管線破壞，將會帶來極為嚴重的影響。本文以鄭州地鐵2號線01標廣播臺站～新龍路站區間盾構隧道工程為背景，針對鄭州富水砂層地質，分析了盾構隧道下穿DN1400給水管施工的安全風險，并對其進行了評價，提出了盾構穿越管線的有效控制措施，并進行了對比分析，為工程的順利進行提供了參考與保障。

關鍵詞：盾構隧道；既有管線；風險分析；保護措施

0 引言

隨著我國城市地下空間開發的不斷發展， 盾構法作為一種施工工藝正在越來越多的應用于隧道建設。城市軌道交通隧道大多沿城市主干道敷設，盾構施工中將不可避免下穿市政管線，如地下電纜、自來水管、燃氣管、地下污水管等。由于盾構掘進特點，推進過程中不可避免的會使地面出現沉降（或隆起），并且對周圍土層產生擾動。特別是地下帶壓管線對隧道施工中的地層沉降控制要求非常高，管線的破壞對周邊環境的安全講造成極其惡劣的影響。如何順利穿越地下帶壓管線，以避免造成重大事故，這在盾構隧道施工過程中是較棘手也是必須妥善處理的問題之一。

對工程范圍內的既有地下管線， 一般采取拆改、遷移等方式， 但當地下管線為大直徑自來水管、高壓輸變電電纜或次高壓燃氣管線時， 由于與居民正常生活關系密切而無法拆改時， 只能對其進行加固處理[1] 。本文以鄭州市軌道交通2號線一期工程廣播臺站～新龍路站區間隧道下穿既有DN1400給水管為例，模擬盾構施工過程，分析了盾構施工對管線的影響，并提出合理的給水管保護方案，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況

廣播臺站～新龍路站區間大體呈 “L”形，區間線路從廣播臺站出發，下穿白馬路、杭州路后轉向東南，而后下穿賈魯支河，沿著花園路的方向向南穿越龍亭路、新龍路及柳林路后到達新龍路站。線路右線全長1399.875m，左線全長1396.603m。廣新區間左線隧道在里程ZDK11+046.9～ZDK11+262.0段215.1m隧道長度范圍內下穿DN1400給水管線，管線平均埋深2.89m，與隧道頂部距離在6.9m～12.2m之間。區間隧道上部覆土主要為：1-1填土、2-1粉土、2-2粉砂、2-3細沙、2-4粉質粘土、3-2粉質粘土，隧道洞身穿越范圍為全斷面4-3細砂層，局部隧道上方含有少量3-2粉質粘土層，DN1400自來水管線位于2-2粉砂層、2-3細砂層、2-4粉質粘土層中。細勘察所揭露的地下水水位初見水位埋深為3.5～5.8m，穩定水位埋深為4.0～6.3m，地下水年變幅2.0m。左線盾構掘進至801環開始斜穿DN1400自來水管線（斜穿距離從隧道中心線到管線邊線9m開始計算），905環出DN1400自來水管線。DN1400給水管（源水管）與隧道位置關系二者相互位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質及材料力學參數

（1）工程地質情況

根據地質勘察報告，三個區間盾構穿越及上覆土層主要為：1-1雜填土、2-1粉土、2-3細沙、3-2粉質粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3細沙層，土層分布及各層土的物理力學參數見表1。

（2）工程水文情況

本工程地表水主要來自大氣降水，降落后的雨水沿地面往地勢低處流入鄭花路西側排水溝。

勘察場地勘探深度范圍內地下水類型為第四系潛水。第四系沖積～洪積（4-2）粉砂及（4-3）細砂為主要含水層，（4-2）粉砂及（4-3）細砂粘粒含量較低，富水性強，透水性好，滲透系數為6～18m/d；沖洪積土層飽水性好，其透水性弱。

3 計算模型的建立與結果分析

在數值模擬中，計算范圍和邊界條件的確定是至關重要的。計算范圍和邊界條件不合適時，會影響計算結果的準確性。本文采用的是三維計算模型，計算范圍具體確定為：水平方向上，向隧道洞壁左右各取 3～5D；豎直方向上，上取至地表， 向下取至距隧道底壁 3～5D 范圍；隧道的開挖方向上，取 5～10D的范圍。邊界條件按一般有限元數值分析考慮， 模型兩側設置水平桿支座，限制其水平方向上的位移；底部設置豎向桿支座，限制其豎向位移；模型前后面設置垂直于面的支座，限制其在開挖方向上的位移；地表面為自由面。

3.1 計算結果分析

（1）管線的位移分析

針對混凝土給水管線所建模型模擬開挖完成后的結果進行位移分析，如圖4、圖5所示。其中，圖4為地層豎向變形云圖；圖5為地層變形矢量圖；圖6為不同材質管線豎向變形圖；圖7為管線豎向變形云圖。

表3為隧道開挖過程中， 對應不同的開挖推進距離（4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、 24 m）給水管線的最大和最小沉降以及兩者之間的差值。從圖 3-7 中可以看出，在隧道開挖過程中，管線有較為明顯的沉降。管線的最大沉降為 10.48 mm，最大沉降差為 7.89 mm，最大斜率為 2.00 mm/m。

圖8為DN1400給水管線沉降差的變化曲線；圖9為DN1400給水管線沉降最大時的沉降曲線。

在開挖面到達管線之前，管線的沉降量較小，隨著開挖面不斷地接近管線，沉降量逐漸增大，沉降曲線的斜率也在急劇增大；當開挖面離開管線后，雖然沉降量在繼續增大，但沉降曲線趨于平緩，即管線的沉降量增加緩慢。

從圖9可以看出管線的沉降曲線與隧道開挖時的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降均發生在隧道軸線上方。隨著剛度的減小，最大沉降值在增大，曲線的斜率也在增大，沉降差異更大，更容易導致管線的破壞。因此，在施工中要關注剛度較小的管線，盡量較少擾動。

（2）管線的應力分析

下面繼續對盾構隧道的存在對DN1400給水管線的影響，對所建模型模擬開挖完成后，其應力結果如下圖10～圖11所示，其中圖10為DN1400給水管線的縱向應力云圖，圖11為DN1400給水管線的環向應力云圖。

從表4中可以看出，管線的縱向應力明顯大于其環向應力，隨著管線的剛度減小，其縱向應力和環向應力也在逐漸的減小，這是由于管線的剛度越小，就越接近土體的剛度，管線和土體的協調變形能力就越強，導致應力不是特別大。同時從管線的應力云圖中可以看出，管線的最大縱向應力和最大環向應力時出現在位于隧道的正上方位置處，在施工過程中應注意對處于這個位置處的管線加強保護措施。

（3）盾構隧道開挖過程對管線的影響

圖12為盾構隧道即將下穿管線時，即安裝第800環管片后，向前開挖-支護-開挖-……. 126 m過程中，每開挖10m地層的豎向位移值云圖。為了簡便起見，只給出開挖至管線下方時的地層的豎向位移值云圖。圖13為具體的開挖過程地層的豎向位移值變化圖。

從圖13、15可以看出管線的沉降曲線亦與隧道開挖時的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降發生在隧道距離管線5 m左右處。隨著開挖的進行，沉降量隨之減小。因此，在施工中要關注接近管線5～10 m范圍的管線與地層沉降，而不單單考慮穿過時的沉降量。

3.2 管片背后注漿影響分析

由于在隧道經過的富水粉細砂地層中的成拱效應極差、沙土液化現象嚴重、地層沉降極快，在全斷面富水砂層中的盾構掘進由于盾構自身施工工藝的原因沉降控制十分困難。往往是在刀盤通過后，地層既已發生較大的沉降，在盾尾通過后的24小時內，95%的地層沉降已經發生，盾構二次補漿能起到的地層補償作用不明顯。

因此，在盾構掘進過程中采取同步注漿的措施：注漿壓力控制在3bar左右，同步注漿量控制在理論空隙的180%～200%之間。同步注漿采用量壓雙控的控制標準。采用優質消石灰（400目鈣含量92%）、一級粉煤灰、鈉基膨潤土、中粗砂為主的惰性漿液，保證漿液同步注漿漿液質量，漿液塌落度控制在12～14cm之在盾構通過后每隔5環進行1次二次補漿，二次補漿以注漿壓力為控制標準，采用雙液漿。在管片脫出盾尾后10環，施作雙液漿止水環。

表5為管片背后注漿后給水管線的沉降值的變化匯總表。

由表5可以看出，在管片后注漿后，管線的最大沉降值都相應減小，最大變化幅度達到0.966 mm。

3.3 施工監測結果對比

對盾構區間沿線DN1400給水管的變形（主要針對管線的豎向沉降）進行監測，具體監測項目及布點情況如表6所示。

將原設計數值模擬結果、管片后注漿變形結果、施工監測結果進行對比分析，得到如圖17所示的結果。

由圖17可以看出，管片背后注漿加固有效改善了管線的變形，從某種意義上來講，對盾構區間上方的管線也起到了加固作用，尤其是對于盾構正上方的管線（即交叉部位），管線沉降量由原來的10.9 mm減小為7.09 mm，實際監測量為6.88 mm，與模擬結果相接近。

4 結論

（1）盾構下穿給水管線時，管線的沉降曲線與盾構隧道開挖時的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降均發生在隧道軸線上方。隨著剛度的減小，最大沉降值在增大，曲線的斜率也在增大，沉降差異更大，更容易導致管線的破壞。因此，在施工中要關注剛度較小的管線，盡量較少擾動。

（2）管線的縱向應力明顯大于其環向應力，隨著管線的剛度減小，其縱向應力和環向應力也在逐漸的減小，這是由于管線的剛度越小，就越接近土體的剛度，管線和土體的協調變形能力就越強，導致應力不是特別大。同時從管線的應力云圖中可以看出，管線的最大縱向應力和最大環向應力時出現在位于隧道的正上方位置處，在施工過程中應注意對處于這個位置處的管線加強保護措施。

（3）管線的沉降曲線亦與隧道開挖時的地表沉降槽曲線很相似，管線的最大沉降發生在隧道距離管線5m左右處。隨著開挖的進行，沉降量隨之減小。因此，在施工中要關注接近管線5～10m范圍的管線與地層沉降，而不單單考慮穿過時的沉降量。

（4）管片后的注漿加固有效改善了管線的變形，從某種意義上來講，對盾構區間上方的管線也起到了加固作用，尤其是對于盾構正上方的管線（即交叉部位），管線沉降量由原來的10.9 mm減小為7.09 mm，實際監測量為6.88 mm，與模擬結果相接近。

參考文獻

[1]吳波， 高波， 索曉明等. 城市地鐵隧道施工對管線的影響分析 [J].巖土力學， 2004， 25 （4）： 657 - 662.（WU Bo， [2]彭基敏，張孟喜.盾構法施工引起鄰近地下管線位移分析 [J].工業建筑， 2005， 35 （9） ： 50-53.

[3]曹偉飚， 姚燕明.上海市軌道交通8號線 （曲阜路 -人民廣場）區間隧道盾構穿越 2號線影響分析 [J].地下工程與隧道， 2005， 第3期： 7-12.

[4]陳中， 焦蒼.埋深和盾構推力對盾構隧道地表變形者影響分析 [J]. 隧道建設， 005， 25 （5）： 15-18

[5]周順華.開挖理論 [M].中國鐵道出版社， 1997.