地下综合管廊工程穿越南水北调干渠设计研究∗

张韶文 薛茹镜

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

南水北调工程南起丹江口水库，北至北京市团城湖和天津市外环河，线路全长约1432km。除北京、天津段采用地下管涵结构外，其余均采用渠道输水[1]。

随着城区综合管廊、地铁等地下工程的快速发展，其与南水北调干渠发生交叉是不可避免的[2，3]。针对地下综合管廊这类具有一定规模、结构埋深浅等特点的工程，本文结合北京市某地下综合管廊项目：从设计理念、数值模拟分析、施工监测数据等多方面，研究管廊穿越盾构段南水北调干渠的关键设计要点。

1 工程概况

1.1 项目概况

某地下综合管廊项目位于北京市南部，是北京市城市综合管廊规划网的重要组成部分，规划定位为干线型综合管廊，主干管廊设计全长约36km。本工程综合管廊主要分为三舱断面：两座电力舱、一座水信舱。主体结构施工工艺为明挖及暗挖工法，其标准断面如图1所示。

图1 综合管廊标准断面(单位：mm)Fig.1 The section of comprehensive utility tunnel(unit：mm)

穿越南水北调段管廊结构与南水北调一期干渠斜交，交角74°。南水北调一期干渠管内径4.7m，内衬厚350mm，采用盾构法施工管片厚度0.3m，外径尺寸共计6.0m，覆土约9m。

1.2 工程地质概况

本工程场地勘探范围内的土层划分为人工堆积层(Qml)、新近沉积层第四纪冲洪积层四大层。本场区按地层岩性及其物理力学性质进一步分为：①粉土填土层、①1杂填土层、②粉土层、②3粉细砂层、③粉土层、④粉质粘土层、⑤圆砾卵石层、⑤2粉细砂层、⑦卵石层。

本场地范围地下水以第四纪松散沉积物孔隙水为主，受地层岩性分布特点的影响，主要分布2 层地下水，地下水类型为上层滞水(一)和潜水(二)，穿越南水北调段工程范围②3粉细砂层为上层滞水层，标高约 33.1m；潜水水位标高23.00m，位于⑤2粉细砂层。抗浮设防水位高程为34.00m。

2 方案设计

2.1 控制因素

管廊穿越南水北调段工程线路走向：从北侧首先穿越北京市南五环道路及下方多条管线后，向南依次穿越南水北调一期现状干渠、二期预留干渠，随后沿整体工程线路向南继续敷设。

因此穿越南水北调段工程方案设计的控制因素主要有以下几点：

1.暗挖工法下穿南五环道路及下方管线；

2.受南水北调干渠影响，管廊可采取明挖法上跨和暗挖/盾构法下穿两种穿越形式。

2.2 工法对比

目前管廊施工的主要方法：明挖法、矿山法、盾构法、顶进法[4]。

本段工程在工法选择上结合以下自身特点：(1)风险源分布密集；(2)各风险源埋深相差较大；(3)穿越段工程总长度约300m。若采用盾构法，施工长度短，盾构机需特殊定制，工程经济性较差；若采用顶进法，受不同埋深的风险源限制，其工程可行性较差。因此，穿越南水北调节点工程的工法，推荐采用明挖法和暗挖法。结合推荐工法，拟定以下两种穿越干渠的方案：

1.方案一：暗挖法下穿南五环道路及南水北调工程。

管廊工程需从北至南依次下穿五环路及其下方管线、南水北调一期现状干渠、二期预留干渠，管廊在下穿南水北调干渠位置为纵断最低点，穿越完成后以18%的坡度提升，并与全线标准明挖段工程衔接，总计暗挖长度305m。

为减小暗挖工法对南水北调干渠的影响，将暗挖标准断面调整为三洞分离断面，洞间间距3m～4m，最大开挖宽度相对标准断面缩小到5.5m，洞顶距离干渠底约一倍洞径6m[5]。穿越干渠段管廊进入潜水层，需采用全断面注浆止水。

本方案对南水北调干渠影响较大，管廊最深点结构顶板埋深20m，断面已进入潜水砂层中，需进行地下水处理，施工难度大，工程造价相对较高，沉降难以得到有效的控制。

2.方案二：暗挖法下穿南五环道路+明挖法上跨南水北调工程。

管廊采用暗挖工法下穿五环道路后，在五环路南侧红线转为明挖工法，上跨南水北调干渠。暗挖段长度由方案一的305m 缩短为152m。施工场地较好，明挖段无其他地下管线。一期干渠与明挖基坑底面距离约4m，明挖断面高度适当缩小，以保证顶板覆土厚度满足北京地区冻土要求。围护结构采用分级开挖，减少土钉打设量，加快施工进度，缩短卸载时间。

由于管廊纵向长距离明挖施工，大面积卸载对南水北调干渠横向影响较大，因此采用短距离分槽开挖如图5所示，减小卸载面积及干渠管道隆起值。

根据上述对比方案情况：方案一下穿既有南水北调干渠，风险较大，变形难以控制；方案二明挖上跨南水北调干渠，施工质量安全可靠，但南水北调干渠仍存在隆起风险。因此对方案一和方案二进行进一步的数值模拟对比分析。

图2 管廊下穿南水北调方案(方案一)Fig.2 Utility tunnel under-crossing canals (1st plan)

图3 管廊上穿南水北调方案(方案二)Fig.3 Utility tunnel over-crossing canals (2nd plan)

2.3 数值模拟分析

采用MIDAS/GTS 有限元软件，在原始地层条件下对方案一和方案二进行三维数值模拟。

方案一：管廊采用暗挖下穿工法，干渠位移如图4所示，最大沉降值约4.6mm，满足南干渠的变形要求。

方案二：管廊采用明挖上跨工法，借鉴类似工程施工措施[6]，施工步序采用分段分步开挖，减小一次性卸载面积。施工步序如图5所示。

开挖时以一期干渠中心线为基准：先向北开挖第1 段基坑3m，开挖完成后浇筑混凝土结构回填，然后以基准线向南对称开挖第2 段基坑3m，开挖后立即浇筑二衬回填覆土，随后同时对称开挖南北两侧第3 段基坑各3m，浇筑回填完成后对称开挖第4 段基坑各6m。以上共计24m施工完成后，管廊方可向南或向北继续施工。建立模型如图6所示。

根据模型计算分析：最不利工况为对称开挖第4 段6m 基坑时，南干渠隆起值达1cm 左右。因此第4段基坑开挖前，在1～3 段已完成段的底板上增设钢锭(约1m 回填土重)增加配重，最大隆起变形缩小到4.3mm(见图7)，满足干渠变形要求。

由数值模拟分析可知，两个方案均满足南水北调干渠变形要求。因此综合考虑施工风险、工期、造价等因素，推荐采用施工质量更有保证、干渠变形更易控制的方案二明挖上跨南水北调干渠。

图5 管廊上穿南水北调方案施工步序Fig.5 The construction procedure of utility tunnel over-crossing canals

图6 管廊上穿南水北调方案三维模拟Fig.6 Three dimensional simulation of utility tunnel over-crossing canals

图7 方案二最不利工况干渠变形Fig.7 The deformation of canals under the most unfavorable condition of 2nd plan

3 工程施工监测

目前管廊穿越南水北调段工程已施工完成，施工过程中依据GB 50497-2009[7]相关要求，对此段明挖风险源进行多项施工监测，选取地表变形最大值的测点，统计其跨越南水北调干渠的全过程累计变形情况如图8所示。

图8 管廊穿越南水北调段监测点布置示意Fig.8 The layout of monitoring points

图9 地表沉降监测点累计沉降趋势Fig.9 Cumulative subsidence trend of surface subsidence monitoring points

由图9可以看到：测点变形数据在开挖初期呈现负值沉降趋势，主要由以下两点原因造成：(1)整体穿越段明挖工程采用分段分步开挖，受相邻段施工影响，未开挖段地表会产生一定的沉降变形；(2)每段基坑采用分级开挖，第一级基坑开挖后南干渠上方覆土厚度6m 左右，无隆起问题，测点周围土体受扰动后，会产生一定的沉降变形。随着基坑工程对南水北调干渠上方土体的不断卸载，后期测点数据呈现隆起增强趋势，最大隆起值共计3.9mm，接近数值模拟分析结果，说明本工程明挖上跨南水北调干渠的方案设计是合理安全的。

4 结语

本文结合新机场高速管廊穿越南水北调段工程情况，对比分析了采用两种工法上跨和下穿既有干渠的方案。得出以下几点结论：

1.采用合理的暗挖或明挖工法设计方案穿越南水北调干渠均是合理可行的。针对本工程，明挖上跨方案相对暗挖法更经济合理。但大面积土方卸载，需要结合穿越节点工程具体情况，进行具体分析设计，采取合理措施，避免既有干渠隆起风险。

2.结合本工程的节点施工情况，当采用明挖工法上跨南水北调干渠时，为保证穿越工程的安全，可采取以下措施：(1)围护结构选型，推荐使用施工速度较快的支护形式，缩短土方卸载时间；(2)围护工程应分段分步开挖，缩短纵向开挖长度，减少一次性土方卸载量；(3)加设钢锭增重措施；(4)确保施工期间南水北调干渠处于满管状态。