盾构隧道下穿既有DN1400给水管保护方案

陈雪虎

摘 要：随着我国城市建设的不断发展，地铁隧道施工下穿地下管线的情况变的越来越常见。其中一些管线关系到城市居民生活且管径较大、修建年代久远，一旦隧道施工造成管线破坏，将会带来极为严重的影响。本文以郑州地铁2号线01标广播台站～新龙路站区间盾构隧道工程为背景，针对郑州富水砂层地质，分析了盾构隧道下穿DN1400给水管施工的安全风险，并对其进行了评价，提出了盾构穿越管线的有效控制措施，并进行了对比分析，为工程的顺利进行提供了参考与保障。

关键词：盾构隧道；既有管线；风险分析；保护措施

0 引言

随着我国城市地下空间开发的不断发展， 盾构法作为一种施工工艺正在越来越多的应用于隧道建设。城市轨道交通隧道大多沿城市主干道敷设，盾构施工中将不可避免下穿市政管线，如地下电缆、自来水管、燃气管、地下污水管等。由于盾构掘进特点，推进过程中不可避免的会使地面出现沉降（或隆起），并且对周围土层产生扰动。特别是地下带压管线对隧道施工中的地层沉降控制要求非常高，管线的破坏对周边环境的安全讲造成极其恶劣的影响。如何顺利穿越地下带压管线，以避免造成重大事故，这在盾构隧道施工过程中是较棘手也是必须妥善处理的问题之一。

对工程范围内的既有地下管线， 一般采取拆改、迁移等方式， 但当地下管线为大直径自来水管、高压输变电电缆或次高压燃气管线时， 由于与居民正常生活关系密切而无法拆改时， 只能对其进行加固处理[1] 。本文以郑州市轨道交通2号线一期工程广播台站～新龙路站区间隧道下穿既有DN1400给水管为例，模拟盾构施工过程，分析了盾构施工对管线的影响，并提出合理的给水管保护方案，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程概况

广播台站～新龙路站区间大体呈 “L”形，区间线路从广播台站出发，下穿白马路、杭州路后转向东南，而后下穿贾鲁支河，沿着花园路的方向向南穿越龙亭路、新龙路及柳林路后到达新龙路站。线路右线全长1399.875m，左线全长1396.603m。广新区间左线隧道在里程ZDK11+046.9～ZDK11+262.0段215.1m隧道长度范围内下穿DN1400给水管线，管线平均埋深2.89m，与隧道顶部距离在6.9m～12.2m之间。区间隧道上部覆土主要为：1-1填土、2-1粉土、2-2粉砂、2-3细沙、2-4粉质粘土、3-2粉质粘土，隧道洞身穿越范围为全断面4-3细砂层，局部隧道上方含有少量3-2粉质粘土层，DN1400自来水管线位于2-2粉砂层、2-3细砂层、2-4粉质粘土层中。细勘察所揭露的地下水水位初见水位埋深为3.5～5.8m，稳定水位埋深为4.0～6.3m，地下水年变幅2.0m。左线盾构掘进至801环开始斜穿DN1400自来水管线（斜穿距离从隧道中心线到管线边线9m开始计算），905环出DN1400自来水管线。DN1400给水管（源水管）与隧道位置关系二者相互位置关系如图1所示。

1.2 工程地质及材料力学参数

（1）工程地质情况

根据地质勘察报告，三个区间盾构穿越及上覆土层主要为：1-1杂填土、2-1粉土、2-3细沙、3-2粉质粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3细沙层，土层分布及各层土的物理力学参数见表1。

（2）工程水文情况

本工程地表水主要来自大气降水，降落后的雨水沿地面往地势低处流入郑花路西侧排水沟。

勘察场地勘探深度范围内地下水类型为第四系潜水。第四系冲积～洪积（4-2）粉砂及（4-3）细砂为主要含水层，（4-2）粉砂及（4-3）细砂粘粒含量较低，富水性强，透水性好，渗透系数为6～18m/d；冲洪积土层饱水性好，其透水性弱。

3 计算模型的建立与结果分析

在数值模拟中，计算范围和边界条件的确定是至关重要的。计算范围和边界条件不合适时，会影响计算结果的准确性。本文采用的是三维计算模型，计算范围具体确定为：水平方向上，向隧道洞壁左右各取 3～5D；竖直方向上，上取至地表， 向下取至距隧道底壁 3～5D 范围；隧道的开挖方向上，取 5～10D的范围。边界条件按一般有限元数值分析考虑， 模型两侧设置水平杆支座，限制其水平方向上的位移；底部设置竖向杆支座，限制其竖向位移；模型前后面设置垂直于面的支座，限制其在开挖方向上的位移；地表面为自由面。

3.1 计算结果分析

（1）管线的位移分析

针对混凝土给水管线所建模型模拟开挖完成后的结果进行位移分析，如图4、图5所示。其中，图4为地层竖向变形云图；图5为地层变形矢量图；图6为不同材质管线竖向变形图；图7为管线竖向变形云图。

表3为隧道开挖过程中， 对应不同的开挖推进距离（4 m、8 m、12 m、16 m、20 m、 24 m）给水管线的最大和最小沉降以及两者之间的差值。从图 3-7 中可以看出，在隧道开挖过程中，管线有较为明显的沉降。管线的最大沉降为 10.48 mm，最大沉降差为 7.89 mm，最大斜率为 2.00 mm/m。

图8为DN1400给水管线沉降差的变化曲线；图9为DN1400给水管线沉降最大时的沉降曲线。

在开挖面到達管线之前，管线的沉降量较小，随着开挖面不断地接近管线，沉降量逐渐增大，沉降曲线的斜率也在急剧增大；当开挖面离开管线后，虽然沉降量在继续增大，但沉降曲线趋于平缓，即管线的沉降量增加缓慢。

从图9可以看出管线的沉降曲线与隧道开挖时的地表沉降槽曲线很相似，管线的最大沉降均发生在隧道轴线上方。随着刚度的减小，最大沉降值在增大，曲线的斜率也在增大，沉降差异更大，更容易导致管线的破坏。因此，在施工中要关注刚度较小的管线，尽量较少扰动。

（2）管线的应力分析

下面继续对盾构隧道的存在对DN1400给水管线的影响，对所建模型模拟开挖完成后，其应力结果如下图10～图11所示，其中图10为DN1400给水管线的纵向应力云图，图11为DN1400给水管线的环向应力云图。

从表4中可以看出，管线的纵向应力明显大于其环向应力，随着管线的刚度减小，其纵向应力和环向应力也在逐渐的减小，这是由于管线的刚度越小，就越接近土体的刚度，管线和土体的协调变形能力就越强，导致应力不是特别大。同时从管线的应力云图中可以看出，管线的最大纵向应力和最大环向应力时出现在位于隧道的正上方位置处，在施工过程中应注意对处于这个位置处的管线加强保护措施。

（3）盾构隧道开挖过程对管线的影响

图12为盾构隧道即将下穿管线时，即安装第800环管片后，向前开挖-支护-开挖-……. 126 m过程中，每开挖10m地层的竖向位移值云图。为了简便起见，只给出开挖至管线下方时的地层的竖向位移值云图。图13为具体的开挖过程地层的竖向位移值变化图。

从图13、15可以看出管线的沉降曲线亦与隧道开挖时的地表沉降槽曲线很相似，管线的最大沉降发生在隧道距离管线5 m左右处。随着开挖的进行，沉降量随之减小。因此，在施工中要关注接近管线5～10 m范围的管线与地层沉降，而不单单考虑穿过时的沉降量。

3.2 管片背后注浆影响分析

由于在隧道经过的富水粉细砂地层中的成拱效应极差、沙土液化现象严重、地层沉降极快，在全断面富水砂层中的盾构掘进由于盾构自身施工工艺的原因沉降控制十分困难。往往是在刀盘通过后，地层既已发生较大的沉降，在盾尾通过后的24小时内，95%的地层沉降已经发生，盾构二次补浆能起到的地层补偿作用不明显。

因此，在盾构掘进过程中采取同步注浆的措施：注浆压力控制在3bar左右，同步注浆量控制在理论空隙的180%～200%之间。同步注浆采用量压双控的控制标准。采用优质消石灰（400目钙含量92%）、一级粉煤灰、钠基膨润土、中粗砂为主的惰性浆液，保证浆液同步注浆浆液质量，浆液塌落度控制在12～14cm之在盾构通过后每隔5环进行1次二次补浆，二次补浆以注浆压力为控制标准，采用双液浆。在管片脱出盾尾后10环，施作双液浆止水环。

表5为管片背后注浆后给水管线的沉降值的变化汇总表。

由表5可以看出，在管片后注浆后，管线的最大沉降值都相应减小，最大变化幅度达到0.966 mm。

3.3 施工监测结果对比

对盾构区间沿线DN1400给水管的变形（主要针对管线的竖向沉降）进行监测，具体监测项目及布点情况如表6所示。

将原设计数值模拟结果、管片后注浆变形结果、施工监测结果进行对比分析，得到如图17所示的结果。

由圖17可以看出，管片背后注浆加固有效改善了管线的变形，从某种意义上来讲，对盾构区间上方的管线也起到了加固作用，尤其是对于盾构正上方的管线（即交叉部位），管线沉降量由原来的10.9 mm减小为7.09 mm，实际监测量为6.88 mm，与模拟结果相接近。

4 结论

（1）盾构下穿给水管线时，管线的沉降曲线与盾构隧道开挖时的地表沉降槽曲线很相似，管线的最大沉降均发生在隧道轴线上方。随着刚度的减小，最大沉降值在增大，曲线的斜率也在增大，沉降差异更大，更容易导致管线的破坏。因此，在施工中要关注刚度较小的管线，尽量较少扰动。

（2）管线的纵向应力明显大于其环向应力，随着管线的刚度减小，其纵向应力和环向应力也在逐渐的减小，这是由于管线的刚度越小，就越接近土体的刚度，管线和土体的协调变形能力就越强，导致应力不是特别大。同时从管线的应力云图中可以看出，管线的最大纵向应力和最大环向应力时出现在位于隧道的正上方位置处，在施工过程中应注意对处于这个位置处的管线加强保护措施。

（3）管线的沉降曲线亦与隧道开挖时的地表沉降槽曲线很相似，管线的最大沉降发生在隧道距离管线5m左右处。随着开挖的进行，沉降量随之减小。因此，在施工中要关注接近管线5～10m范围的管线与地层沉降，而不单单考虑穿过时的沉降量。

（4）管片后的注浆加固有效改善了管线的变形，从某种意义上来讲，对盾构区间上方的管线也起到了加固作用，尤其是对于盾构正上方的管线（即交叉部位），管线沉降量由原来的10.9 mm减小为7.09 mm，实际监测量为6.88 mm，与模拟结果相接近。

参考文献

[1]吴波， 高波， 索晓明等. 城市地铁隧道施工对管线的影响分析 [J].岩土力学， 2004， 25 （4）： 657 - 662.（WU Bo， [2]彭基敏，张孟喜.盾构法施工引起邻近地下管线位移分析 [J].工业建筑， 2005， 35 （9） ： 50-53.

[3]曹伟飚， 姚燕明.上海市轨道交通8号线 （曲阜路 -人民广场）区间隧道盾构穿越 2号线影响分析 [J].地下工程与隧道， 2005， 第3期： 7-12.

[4]陈中， 焦苍.埋深和盾构推力对盾构隧道地表变形者影响分析 [J]. 隧道建设， 005， 25 （5）： 15-18

[5]周顺华.开挖理论 [M].中国铁道出版社， 1997.