盾构超近距下穿大型污水管线施工技术

刘恕全，关丽娟

(广州市盾建地下工程有限公司，广州 510030)

0 引言

随着城市轨道交通建设的日益发展，盾构法作为一种施工工艺也在不断地走向成熟;但同时，周围复杂的环境也给地铁施工造极大影响［1－2］。比如盾构需近距离下穿污水管、自来水管等各种重大管线便是其中难点之一。如何顺利地穿越这些重大管线避免施工事故的发生，是盾构隧道施工过程中经常遇到且必须要解决的问题。

目前，国内外科技工作者对盾构隧道施工引起的地表沉降与周围土层变形规律进行了大量研究［3－6］，但是针对盾构施工引起地下管线影响的研究较少。文献［7－9］采用有限元法，分析了盾构推进时不同因素对邻近地下管线位移的影响;文献［10－12］结合工程实例，介绍盾构在近距离穿越地下管线时所采取的施工措施。上述研究表明盾构掘进对地下管线的影响有诸多因素且关系复杂。地层因素、盾构类型、推力、管线材质、直径、接口形式、管线埋深与隧道埋深关系、管线走向与隧道走向等均对盾构穿越管线时的分析结果造成影响。本文的研究对象所处条件苛刻，圆形污水管线直径大、水流速度快、运营时间长、隧道距离污水管线很近，在可查的所有研究中均未遇到，也无现有经验可参考，且埋深大，不容易监测;因此，针对本标段盾构隧道穿越污水管施工技术开展研究，以期为类似工程超近距离条件下穿越大直径污水管线提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

郑州轨道交通1号线七里河站—新郑州站站区间隧道工程位于郑州市郑东新区，采用2台φ6 140土压平衡盾构机，从七里河站始发，向新郑州站掘进施工。隧道为直线线型，左线总长1 050.196 m，右线总长1 067.590 m，坡度为－0.8‰。隧道结构形式为单层衬砌预制装配式混凝土管片，采用“3+2+1”模式组合，错缝拼装，螺栓连接。管片宽1 500 mm，厚300 mm，衬砌外径6 000 mm，内径5 400 mm。钢筋混凝土管片设计强度为C50，抗渗等级≥S10。

左线推进23.50m，右线推进20.50m处，将下穿1根DN3 000混凝土污水管。污水管顶部埋深约6.1m，底部埋深约9.6 m，2条盾构隧道中心埋深13.22 m(地面标高89.5 m)，2条盾构隧道与污水管水平交角约77°，隧道顶部与污水管底部净距0.512 m。污水管隧道的平面及立面位置关系见图1和图2。

图1 污水管与隧道平面关系图Fig.1 Plan layout showing the relationship between sewage pipeline and the tunnel

该污水管是郑州市污水净化有限公司污水处理厂的排污干管，采用压注触变泥浆注浆工艺，利用封闭式顶管进行顶进施工成型的混凝土结构。管内污水量为43万t/d，水流速度快，属一级风险源。该管线管节长2 500 mm，内径3 000 mm，壁厚285 mm，接头形式为16锰钢钢套管。

1.2 工程地质水文条件

地质条件复杂，从地面往下依次是〈1〉－1杂填土、〈1〉粉土、〈2〉－1粉土、〈3〉－1粉土、〈4〉粉土、〈4〉－1粉质黏土、〈5〉粉土、〈6〉粉质黏土、〈6〉－1粉土、〈7〉粉质黏土、〈7〉细砂。隧道穿越土层参数见表1。

图2 污水管和隧道位置竖向关系图Fig.2 Profile showing the relationship between sewage pipeline and the tunnel

根据勘探揭露，场地内浅层地下水可分为孔隙潜水和承压水2种类型。孔隙潜水主要赋存于14.6～19.7 m范围内的、粉土地层;承压水主要赋存于16.0～34.3 m范围内的粉砂、细砂、中砂地层。地质剖面图见图3。

图3 地质剖面Fig.3 Geological profile

2 地层变形的理论计算

2.1 计算模型

隧道上覆土层平均厚度(计算模型中的z方向)取10～13 m，轴向(y方向)取15 m，横向(x方向)取60 m，下部岩层取25 m。模型共划分53 696个单元，其中70 360个节点。计算模型见图4，左、右隧道和混凝土管位置模型见图5。

表1 隧道穿越土层参数表Table 1 Stratum parameters

2.2 本构模型

在计算模型中，土体采用FLAC3D提供的Mohr-Coulomb强度准则，开挖采用Null模型;混凝土管采用实体单元，本构模型采用弹性模型;隧道混凝土管片采用Shell结构单元，其本构模型为弹性模型。土体的初始应力场考虑了自重应力［2－3］。

2.3 边界条件与参数选择

边界条件在地表面为自由边界，其余5个面为滚轴约束。污水管为钢筋混凝土管，考虑到已使用多年，承载变形能力有所降低，取原设计弹性模量的80%计算，忽略管道的接口影响，用具有轴弯性能的空间等参壳单元模拟。

其他计算参数根据经验选取:掌子面施加压力17000kN;壁后注浆压力0.4MPa;刀盘扭矩2200kN·m。

2.4 计算结果与分析

2.4.1 常规施工工况位移特征分析

1)右隧道开挖。土体竖向位移及变形见图6和图7。

图6 右隧道开挖后土体竖向位移云图(单位:m)Fig.6 Cloud of vertical displacement of the ground after boring of right tunnel tube(m)

图7 右隧道开挖后混凝土管变形情况(放大500倍)Fig.7 Deformation of concrete pipeline after boring of right tunnel tube(amplified by 500 times)

由图6和图7可知:右线隧道拱顶最大竖向位移值在14mm左右，方向向下;仰拱底的最大竖向位移值在24 mm左右，方向向上;地表最大下沉位移值在8.2 mm左右，位于右线隧道拱顶对应的地表处;混凝土管的最大下沉位移位于右线隧道拱顶处，其最大值约为9.4 mm，沉降值没有超过管线的允许值。

2)左线隧道开挖。土体竖向位移和变形见图8和图9。

由图8和图9可知:2隧道拱顶最大竖向位移值在21 mm左右，方向向下;仰拱底的最大竖向位移值在21 mm左右，方向向上;地表最大下沉位移值在15 mm左右，位于2隧道之间对应的地表处;混凝土管的最大下沉位移位于2隧道之间对应的位置，其最大值约为16 mm，沉降值没有超过管线的允许值。

2.4.2 小结

综合上述数值仿真分析，在既定掘进参数和注浆参数设置下，盾构隧道下穿混凝土污水管过程中，地面沉降量与污水管沉降量均小于30 mm，没有超过管线的允许沉降值。根据污水管的结构进行管节的张角等方面的计算及污水管产权单位要求确定管线的沉降允许值控制为30mm。

3 试验段施工及技术总结

3.1 试验段目的

因盾构在本区间始发后仅20 m左右刀盘就已经在污水管道附近，缺少掘进参数的一个摸索过程。所以在本工程的另一个区间选取地质条件、埋深、隧道线型等与盾构穿越污水管段相类似的区段，重点进行施工参数的摸索、分析，验证前述数值分析结果的可靠性，为盾构下穿污水管时提供科学合理的参数依据。

3.2 试验段方案

试验段地面隆起和沉降控制目标:地面单次最大隆起量＜2 mm，地面累计隆起量＜5mm;地面单次最大沉降量＜3 mm，地面累计沉降量＜15 mm。根据地质条件、隧道埋深相同的要求，选取614～683环共计约70环作为试验段。根据地面监测结果不断调整掘进参数，直到达到目标要求。对沉降速率超标点迅速采取二次补浆措施，控制总沉降量。

3.3 试验结果

通过试验，施工参数见表2，沉降点监测数据见图10。

表2 施工参数控制Table 2 Boring parameters

图10 试验段各沉降点监测数据统计Fig.10 Settlement monitoring data of trial section

从图10可以看出:通过对试验段合理掘进参数的设定，地面沉降的控制达到了预期的效果，盾构穿越前土体的隆起累计量均控制在2mm以内，而盾构穿越过程及穿越过后的累计沉降均控制在8 mm以内。

其中，第614，633环的24 h单次沉降量达到3 mm，通过掘进过程中的同步注浆及后期的二次补压浆迅速稳定了地面沉降，最终的累计沉降量均控制在7 mm以内，充分体现了同步注浆和二次补压浆在控制后期沉降方面的效果。

3.4 试验段小结

通过对试验段结果分析，验证了前述数值分析结果的可靠性，说明掘进参数的设置比较合理，风险较小，可以应用于正式掘进。

4 盾构穿越施工

4.1 技术方案

根据盾构穿越污水管的工况特点，将盾构穿越污水管分为3个阶段，分别为盾构穿越前模拟阶段、盾构穿越阶段和盾构穿越后阶段。

1)盾构穿越前模拟阶段。由于盾构左线始发后推进约23.5 m就要穿越污水管，穿越前设定一段8环为穿越模拟段，将盾构切口到达污水管前10环～前3环作为盾构穿越模拟推进段。在这段范围内主要借鉴试验段掘进施工的经验，收集盾构模拟穿越段的推进参数，进一步把握不同的施工参数对周围环境的影响。

2)盾构穿越阶段。把盾构切口到达污水管前3环设为穿越段开始，直至盾构机的盾尾脱出污水管范围3环后定为穿越段。该阶段施工时，主要根据穿越试推进段总结的推进参数和施工数据来指导盾构的推进施工。这个阶段的主要任务是控制盾构的施工参数，包括控制推进速度、正面土压力、同步注浆流量、同步注浆压力等，确保穿越过程中运营污水管的安全。

3)盾构穿越后阶段。盾构脱出污水管范围后4环～后18环定为盾构穿越后阶段，共15环。由于盾构穿越后受扰动的土体重新固结，固结过程会产生一定程度的沉降，对污水管造成影响，所以，必须在穿越区域的隧道内准备充足的补压浆材料及设备，根据沉降监测情况进行后期补压浆。

4.2 管线情况探查

为了检测管节间接缝是否存在不均匀沉降、管节间的张角状况、管段是否有破损以及管节间的钢套锈蚀情况和接缝的渗漏等，潜水员在污水管内对需要检查的部位进行水下录像或拍照，但由于管内水流量过大过急，水下的拍摄效果不佳，对施工的指导作用不大。

4.3 物资、机械、人员准备工作

配备各种应急物资，做到随时可以处理任何突发事故;调试好盾构机、电瓶车、龙门吊等施工机械;各岗位人员就位，对人员进行岗位培训及技术交底工作。

4.4 技术措施

严格按照试验段测定的各项掘进参数执行，并根据穿越方案，结合施工过程监测情况进行调整，确保盾构超近距离穿越污水管线万无一失。

4.5 注意事项

1)在盾构穿越过程中必须严格控制切口平衡土压力，盾构机穿越污水管阶段，理论计算土压力为0.18～0.20 MPa，设定时稍低于理论值，防止污水管接口及结构变形，并尽量减少变化，施工过程中视监测情况进行微调。结合试验段的土压力控制值，在下穿污水管时将压力控制值适当提高0.01～0.02 MPa，保证污水管的沉降值，待盾构切口完全离开污水管后土压力控制值恢复至试推进段的稳定值。

2)出土过程中要特别注意出土情况，一旦发生下列情况需立即停止掘进，分析原因，必要时采取相应的应急处理措施:①出土的颜色明显加深，可能有渗入的污水，导致土体颜色变化;②土体出现明显的异味(污水的臭味);③在加水量不变的情况下，螺旋机出土时土体含水量明显加大。

3)盾构推进轴线偏斜、衬砌环法向面倾斜均会造成盾构机蛇形推进，导致周围土体产生很大扰动，因此必须在穿越前确保盾构及管片姿态正常。穿越过程中，盾构机及管片纠偏应严格遵守“少量多次”的原则，每次纠偏量均应小于2 mm。

4)在管片拼装过程中，安排熟练的拼装操作人员进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间，拼装结束后，应当尽快恢复推进，减少上方土体的沉降。

4.6 严格控制同步注浆量和浆液质量

盾构掘进时的同步注浆是及时充填土体与管片圆环间的建筑间隙和减少前期沉降的主要手段，也是盾构推进施工中的一道重要工序。严格控制同步注浆，以注浆压力和注浆量2个指标同时进行控制。同步注浆各注浆管出口压力宜控制在0.3～0.4 MPa，注浆压力比模拟段稍有提高;注浆量宜增加到理论建筑空隙的180% ～220%(正常掘进时为180% ～200%，模拟段施工为180% ～220%)，即每环注浆量控制在3.6～4.4 m3。

4.6.1 浆液配合比

盾构穿越过程中，虽然使用活性浆液更有利于沉降控制，但是，考虑到盾构机的机况，经过风险评估，决定采用价格低廉的惰性浆液。惰性浆液相对可硬性浆液对控制地面沉降效果会差些，但其浆液配制效率高，不堵管，每次按4m3拌制同步注浆浆液计算，质量配合比为粉煤灰∶黄沙∶膨润土∶水=2 600∶1 500∶250∶(1 200～1 300)。

4.6.2 注浆压力、注浆量及稠度

注浆压力过大，易造成劈裂注浆，且衬砌外的土层会因浆液扰动而造成后期地层较大沉降及隧道本身的沉降，而压力过小，则填充不充足，也会使地表变形增大;因此，注浆压力的最佳值应在综合考虑地质条件、管片强度、浆液性能和土压力后确定。另外，还须根据监测情况及时调整，根据经验，在郑州地区施工时的注浆压力为0.4 MPa左右，在穿越污水管道时注浆压力设置为0.4MPa。每环注浆量平均值为4m3，浆液稠度为10 cm。

5 监测及二次补浆

盾构穿越期间，对盾构推进影响范围内的污水管进行重点监测保护，监测内容包括地表沉降和污水管本体沉降。施工前所得的初始数据为3次观测平均值，以保证原始数据的准确性;盾构穿越期间进行跟踪测量;待盾构穿越后，变形趋于稳定时，逐渐减少监测次数，并恢复正常监测，待地面变形稳定后方可停止监测。

5.1 测点的布设

测点布设如图11所示。

图11 污水管监测布点图Fig.11 Layout of monitoring points for sewage pipeline

5.2 观测频率及技术要求

监测工作自始至终要与施工进度相结合，监测频率应与施工的工况相一致，应根据盾构穿越的不同阶段，合理调整监测频率。

1)穿越前观测。施工前，对各监测项目测取初始值，应至少有2次稳定的测量值。

2)穿越段观测。盾构穿越施工期间，应根据实际施工情况调整各监测点的实际监测项目和监测频率，必要时进行24 h跟踪监测。

3)穿越后观测。所有监测项目监测周期至沉降变形达到稳定时停止。

根据设计、规范及管线产权单位要求，对地面沉降、深层沉降、分层沉降设定掘进时期的单次警戒值:推进时地面单次最大隆起值≤3 mm;推进时地面单次最大沉降值≤3 mm。当掘进超过警戒值时立即停止掘进，进行补注浆液等措施直到沉降得到控制为止。后期沉降变形控制值:地表后期最大隆起值≤10 mm;地表后期最大沉降值≤30 mm。

5.3 监测信息反馈

地面变形监测数据和地下管线监测数据经汇总分析后，将掘进命令传送到盾构工作面，指导盾构司机正确推进。完成推进后，将盾构姿态报表、盾构施工各类参数数据汇总后，传送到地面监控室进行数据回归分析，调整施工参数，继续循环施工。

5.4 二次注浆补救

由于盾构推进时同步注浆的浆液在一段时间后产生收缩变形也会引起地面沉降，为进一步填充空隙并形成密实的防水层，在污水管对应隧道衬砌管片处前后各5环范围内实施二次注浆。根据地层变形监测数据随时调整二次注浆施工，浆液通过管片的注浆孔注入地层，并在施工时采取推进和注浆联动的方式。若注浆未达到要求，盾构应暂停推进，以防止土体继续变形。注浆时应综合考虑注浆量、注浆压力、注浆流量。注浆量每环控制在0.5～1.0 m3，注浆压力控制在0.3 MPa以内，注浆流量控制在10～15 L/min，以减小地层后续沉降，同时也达到加强隧道衬砌的目的。

当盾尾脱离穿越区域后，便进入了穿越后阶段。由于盾构穿越后受扰动的土体重新固结，固结过程将产生一定程度的沉降，会对污水管造成影响。所以必须在穿越区域的隧道内准备充足的补压浆材料及设备，根据沉降监测情况采取壁后跟踪注浆。此时注浆浆液采用P·O 42.5水泥，水玻璃模数为2.9，水泥浆水灰质量比为0.6∶1，水泥浆与水玻璃体积比为4∶1。

5.5 监测结果分析

在盾构穿越污水管1个月后，对各监测点进行复测。监测数据表明:最大沉降值为－6 mm，平均值在－5 mm左右，小于规范要求的10 mm变形要求;后经污水管所属单位对管道进行无损探伤试验，表明管道结构正常，管道完好。

6 结论与建议

通过本次盾构成功超近距离穿越大直径地下污水管线，可以得到如下结论:

1)数值仿真分析和盾构穿越前的试验段模拟施工，对探索和掌握盾构超近距离穿越大直径污水管线施工参数起到了重要的作用，数值分析结果和试验段结果相互印证，增加了数据的可靠性。

2)施工监测并及时进行信息反馈，是保证盾构成功超近距离穿越大直径污水管线不可或缺的手段。

3)同步注浆材料的选择要根据盾构机机况等进行具体分析，在特殊情况下，惰性浆液比活性浆液更利于风险控制，但二次补浆采用活性浆液更有利。

4)盾构超近距离穿越大直径污水管线，应低速、匀速通过，应特别控制土仓压力、推力、注浆压力和注浆量指标。在粉质黏土地层中，土仓压力应不高于理论土压力(0.02 MPa)，应低速推进并控制总推力波动，注浆量控制在理论空隙量的180% ～220%;并根据监测信息进行二次补浆，同步注浆压力不超过0.4 MPa，注浆压力控制在0.3 MPa以内。

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