盾构在富水粉细砂层中长距离平行下穿有压敏感管线施工控制技术

万俊峰

(1. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳　471009； 2. 中铁隧道集团股份有限公司， 河南 郑州　450001)



盾构在富水粉细砂层中长距离平行下穿有压敏感管线施工控制技术

万俊峰1,2

(1. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳471009； 2. 中铁隧道集团股份有限公司， 河南 郑州450001)

摘要：郑州地铁2号线国基路站—北环路站区间隧道在富水粉细砂地层中长距离下穿3条有压给水管线，给水管为混凝土管材，稳定性较差。为满足设计单位和产权单位对施工沉降的要求，分析盾构隧道下穿施工过程中，不均匀沉降导致地层土体变形的施工风险，地层沉降主要受刀盘结构形式、刀盘支撑形式(影响渣土改良效果)、渣土改良剂在刀盘上的注入位置3方面影响。从设备选择及改造、施工工艺措施方面予以优化： 1)盾构刀盘结构形式及相应配置要适应富水粉细砂层掘进和保压； 2)合理的施工参数及工艺措施对地表沉降控制的必要性。监测结果表明，管线最大沉降满足风险源控制目标。

关键词：郑州地铁； 富水粉细砂层； 有压敏感管线； 盾构选型； 刀盘结构； 渣土改良； 监测

0引言

伴随着城市综合交通技术的发展，盾构法以其较高的可靠性及较好的适应性，在国内外地铁建设中得到了广泛应用[1]。盾构施工会引起上覆土层变形，由于盾构施工技术工艺及周边环境和岩土介质的特点，盾构推进中引起的地层变形一直是工程界关注的热点。

城市地下管网密布，修筑年代差异大，设计标准不一，外力承受能力具有不确定性，盾构掘进势必会对地层产生一定程度的扰动[2-5]，这种现象在含水的粉细砂地层中表现尤为显著，严重时会导致管线破损，危及公共安全。因此，最大限度地降低隧道施工对周围地层的扰动及减小对上部管线的影响显得尤为重要。魏纲[2]预测了盾构法隧道施工引起的土体变形，分析了不同土质条件下盾构法施工引起的土体移动模型，基于盾构法隧道统一土体移动模型,得到盾构施工过程中由于土体损失而引起的土体变形二维解,适用于施工阶段；黄宏伟等[3]研究了盾构推进对地表沉降的影响；马亚航[4]分析了隧道开挖引起的地层变形机制，针对管线受隧道开挖的影响，并考虑地层管线的相互作用，给出了安全性判别方法及评价标准；洪琦[5]以城市地铁盾构隧道下穿污水管线工程为背景，以三维实体模型为基础，研究了施工对既有管线的影响；石新栋等[6]对南京纬三路过江隧道的主要地质问题进行了分析与风险评估，对地层的适应性等方面提出了施工对策，为盾构选型提供了技术依据；杨晓华[7]引入盾构扭矩和推力的数学计算模型，对砂卵石地层中双洞地铁隧道盾构选型和地层变形进行了研究；胡长明等[8]研究了黄土地区土压平衡盾构穿越含砂地层的地表变形规律与控制技术。

目前地铁穿越地下管线的成功经验有很多，并有在复杂地质条件下穿越的施工案例，但这些案例大多以正穿、斜穿的方式在短距离内快速通过，类似于本文所述的郑州地铁2号线国基路站—北环路站区间线路在DN 1 400 mm带压(水压0.3 MPa)源水管等敏感管线下方富水砂层内长距离平行穿越的案例尚不多见。郑州地铁2号线国基路站—北环路站区间地层沉降、管线变形控制难度大，施工周期长，盾构刀盘的结构形式及施工措施对沉降控制有着直接的作用[9-10]。因此，研究盾构刀盘结构形式及施工措施对地表沉降控制的影响显得尤为重要。

1工程概况

郑州地铁2号线国基路站—北环路站区间共下穿DN 1 400 mm给水管(带压源水管)、DN 1 200 mm给水管(带压源水管)、DN 600 mm给水管(带压净水管)3条给水管线，其中DN 1 400 mm给水管最为敏感。国基路站—北环路站区间工程地质情况见表1。

表1国基路站—北环路站区间工程地质情况

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

区间名称地层名称占据比例/%国基路站—北环路站<2-1>粉土2.4<2-4>粉质黏土0.6<3-2>粉质黏土18.5<4-1>粉土4.7<4-2>粉砂2.3<4-3>细砂50.5<4-4>中砂20.9

国基路站—北环路站区间地下水位高程80.56～89.93 m，平均84.40 m，地下水位位于刀盘上方5 m。地下水主要接受大气降水的入渗补给以及上游的水平径流补给，受周围生活区地下水开采的影响，排泄方式主要以人工开采及水平径流为主。

2下穿管线概况

2.1隧道与主供水管线的空间位置关系

区间左线隧道大范围整体平行下穿DN 1 400 mm给水管线，有368 m管线位于隧道正上方，其平面投影与隧道重叠；有809.9 m管线位于隧道侧上方，其平面投影与隧道间距小于0.5倍洞径，与隧道基本重叠。管线埋深在1.5～3.3 m，与隧道顶部净距在8.2～14 m。DN 1 400 mm给水管与隧道的位置关系见图1和表2。

图1　DN 1 400 mm给水管与隧道位置关系

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

表2DN 1 400 mm给水管与隧道位置关系

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

m

2.2管线沉降控制标准

设计单位有压管线沉降控制标准为0～-10 mm；产权单位(自来水公司)要求施工中无沉降。

2.3管线结构形式

DN 1 400 mm给水管为混凝土管材，管节长度有2 m和4 m 2种形式，承插接头，砂浆+麻筋密封；基础均为原状土夯实，转弯处和检查井处接头采用混凝土支墩加强，稳定性较差。供水管线施工见图2。

3盾构刀盘结构选型及盾构优化

根据同类地层施工情况，结合现有设备状况，土压平衡盾构可以满足施工要求。

图2　供水管线施工

3.1施工面临的风险

3.1.1既有管线风险

1)经过调查，给水管线埋设年代久远，管接头存在不同程度的老化及密封退化，安全系数很低，极易造成管接头处破损。

2)盾构在下穿隧道施工过程中，不均匀沉降将导致地层土体变形，地层土体变形使管材发生不同程度的竖向位移，当水管接头强度达到临界值时，将导致给水管接头崩裂而大量涌水，致使地表塌方。

3)由于水管管径大、存水量大，如果断裂则处理时间较长，会使地面出现不同程度的塌陷，容易造成交通阻断、城区大面积停水等不良影响。

4)自来水管线周边位置均伴有DN 325 mm燃气管线、电力管线、军用光缆等，由于给水管的断裂而导致的地面沉降，必然会引起周边管线出现不同程度的损坏，造成不可估量的损失。

3.1.2地质风险

1)地层自然磨损系数大，容易造成刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重。

2)地层沉降反应灵敏，无有效的工后处理措施进行地表沉降控制。

3.2合理化刀盘结构选型

3.2.1刀盘选型的影响要素

富水粉细砂地层盾构施工掘进控制难度较大，对地层沉降的影响主要受刀盘结构形式、刀盘支撑形式(影响渣土改良效果)、渣土改良剂在刀盘上的注入位置3方面影响。

3.2.2刀盘选型

根据区间工程环境，结合企业设备资源状况，盾构选择为： 1)长距离平行下穿DN 1 400 mm自来水管左线使用大开口率+小面板组合的中铁7号(CTE7)盾构(见图3)进行掘进施工，刀盘开口率为50%，刀盘支撑形式为中间支撑式，表面设置有5个注射口，可以注射泡沫添加剂，每个泡沫注射口安装有注射口保护刀防止注射口堵塞，背部和土舱隔板分别焊接有3个和2个搅拌棒； 2)远离敏感管线的右线使用开口率为42%的中铁2号盾构(CTE2)(见图4)进行掘进施工，刀盘支撑形式及表面设置同中铁7号盾构。

图3　中铁2号盾构

图4　中铁7号盾构

3.3盾构的改造

为解决以往出现的影响机械性能和同步注浆质量的问题，做了以下针对性改造： 1)为解决同步注浆较慢的问题，将配置的泵源力士乐A10V071DFLR/31R-PSC62K04更换为力士乐A10V100DFLR/31R-PSC62K04变量柱塞泵，更换后工作能力可提高30%。2)针对 “卡螺机”问题，将ME850BP驱动马达由原有的3台增加至4台，原装备螺旋机最大扭矩为225 kN·m，增加1台驱动马达后最大扭矩可达300 kN·m，可大幅降低螺旋输送机“被卡”的概率。3)针对渣土改良不均匀问题，在土舱壁上增加1根中空被动式搅拌棒，中间设置冲水孔，对刀盘中央冲水，防止刀盘中央结泥饼，以利于渣土改良。

4掘进参数及施工过程控制要点

4.1土舱压力控制

根据走访调查及相邻标段施工经验，本敏感管线可承受的压力为0.03 MPa，承受的隆起值较小，可承受的沉降值为1.5 cm。通过对地层做详细分析及数据总结，区间土压设置预备压力为0.03 MPa以下时无破坏危险。本区间掘进施工时，土舱上部理论土压p0=地下水压力+静止土压力(K0×γ×h)+预备压力，预备压力一般取0.01～0.02 MPa，在此土压设置下，掘进施工中刀盘前方微隆起2 mm。在掘进停机时，土舱内保压高于设定压力 0.02～0.03 MPa，地表及管线监测值无变化。

4.2渣土改良

区间地层以全断面砂层为主，如何用渣土改良剂做好土舱内渣土改良以达到稳定盾构掌子面的目的，显得异常重要，具体做法如下。

4.2.1改良剂品类及注入位置

在砂层中掘进，由于土体黏性大、摩擦力大、透水性强以及切削土体的流动性差等特点，进入土舱和螺旋输送机内的渣土易被压实而难以排出，施工中需对渣土进行改良。采用水、泡沫、膨润土，特殊地质条件下采用高分子砂土改良剂，改良材料需注入到刀盘前方，将渣土改良形成软土压，防止地下水的流失。

4.2.2泡沫剂

为增强渣土的可塑性，需增大土舱内泡沫剂用量，泡沫剂用量由正常段的20～30 kg/环增加至60 kg/环，掘进速度控制在30 mm/min左右，适当地提高掘进速度可以有效减少地层损失。

4.2.3高分子聚合物

为保证掌子面地层的稳定，可向盾构刀盘前方注入高分子聚合物，盾构掘进速度控制在35 mm/min左右，高分子材料体积分数为5‰，注入率(注入的高分子材料量和掘进渣土量的比值)为10%～20%,注入流量为62～125 L/min。

4.3推进速度控制

在下穿管线过程中，以30 mm/min左右的速度匀速推进为宜，推进过程中要保持速度稳定，确保盾构均衡、匀速地下穿管线，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减小对地层的影响，同时根据监测数据适当调整推进速度。

4.4出土量控制

盾构隧道每环理论出渣量(实方)=π×(D/2)2×l=3.14×9.859 6×1.5= 46.46 m3(D为盾构刀盘直径；l为每循环掘进距离)。

根据以往的施工经验和该地层松散系数，细砂层盾构推进出土松散系数为1.1～1.2，实际施工前需要对松散系数进行试验测试修订，即51.11～55.75 m3/环。在控制出渣方量的同时，用45 t门吊电子秤对每环渣土进行称重，从质量和方量对渣土进行有效控制。

掘进时，根据地质情况对渣土进行改良和出渣量控制。渣土改良采用加泡沫剂和膨润土，掘进时每环泡沫剂用量约60 kg，膨润土7～10 m3。

4.5同步注浆

同步注浆过程中为进一步防止浆液损失，将原水泥砂浆改为稠度较大的惰性浆液，水泥砂浆惰性浆液质量配合比调整如表3所示。

表3普通地段与风险源段同步注浆浆液配合比比较表

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

kg

4.6施工监测项目及成果

地下管线监测是高风险段监测工作的重点。为保证监测数据的准确性和及时性，区间沿管线延伸方向对应每环管片布置观测点，测点直接布置在管身上，通过测试管道上方及周边土体的差异沉降，间接反映管道的空间变形情况。施工中每循环监测刀盘到达前、掘进中、盾尾脱出3个时间段的变形情况，后续按正常频率监测。区间以20 m间距布设地层变形监测点，掌握掘进过程中不同地质形态变化情况，为控制变形提供基础数据。

通过分析监测结果，在区间下穿有压敏感管线施工期间，管线最大沉降10 mm，沉降速率最大值为 2 mm/d。盾构刀盘前方地表间或出现微隆起现象，盾尾脱出后沉降主要集中在-4～-6 mm，后续沉降在-1～-2 mm，见图5。盾构通过期间和通过后地表影响沉降槽变窄，为7 m，其主要影响范围位于盾构区间中线两侧3.5 m，对左线隧道上方影响较小，集中在-1 mm以内，总体效果满足风险源控制目标。

图5　典型监测点沉降折线图

5结论与建议

掘进施工中采用大开口率刀盘结构，能在掘进施工过程中真实反映刀盘前方开挖面土体压力，有利于确定土舱内渣土改良方案；渣土改良剂注入位置以刀盘前方为主，并应尽可能将改良剂注入渣土死角，利于掘进施工。

1)在条件允许的情况下考虑迁改管线或调整线路平曲线，尽可能使迁改后的管线平面投影净距大于洞径，降低或消除风险等级；必要时可在地表对管线进行预加固。

2)注重试验段先行的必要性和指导意义，根据实时监测数据及时调整渣土改良剂添加比例，并调整掘进参数及施工工艺；落实设备进场前、施工中的检修保养工作制度，保证设备穿越风险源期间的完好率；制定全面的岗位职责和必要的奖惩制度，严格施工工艺的执行力度。

3)现场应对管线作细致检查，并对管线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

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)04-0439-05

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

作者简介：万俊峰(1968—)，男，河南漯河人，1990年毕业于石家庄铁道学院，隧道与地下工程专业，本科，高级工程师，现从事工程施工技术管理工作。E-mail: 631984109@qq.com。

收稿日期：2015-09-11; 修回日期: 2016-01-27