重大盾构工程穿越南水北调输水管道应用技术的研究

福亚旭 段 培

北京市南水北调环线管理处 北京 102600

1 研究背景与工程概述

1.1 研究背景

习近平总书记在主持召开推进南水北调后续工程高质量发展座谈会上指出，要深入分析南水北调工程面临的新形势新任务，完整、准确、全面贯彻新发展理念，按照高质量发展要求，统筹发展和安全。北京市南水北调东干渠工程是北京市‘26213’供水格局中‘一环’的组成部分；隧洞全长44.7公里。近几年对隧洞巡查值守过程中发现随着城市发展与规模扩大，愈加完善的基础设施一方面提升了人们的生活质量，另一方面也对已有输水管线结构安全形成了新的挑战，一些重大工程尤其以对土体扰动较大的盾构工程为代表，在穿越输水管道施工过程中需要采取充分的技术保护措施避免水政事件发生。因此北京市南水北调环线管理处急需研究重大盾构工程在隧洞及管线保护范围内的应用技术。

1.2 南水北调东干渠工程概述

北京市南水北调东干渠工程是北京供水格局中“一条环路”的重要组成部分。东干渠工程位于北京市东部朝阳区及大兴区境内，分为东干渠输水隧洞工程以及亦庄调节池工程两大部分。东干渠输水隧洞工程起点位于团城湖至第九水厂输水工程末端（关西庄泵站北）预留接口，终点与南干渠工程相接，总长44.7km。隧洞埋深6.5至29.4m，共设纵向折弯27处，隧洞最大纵坡2.066%。洞顶以上压力水头在15.4至43.6m。

本工程隧洞横断面采用圆形断面，输水隧洞采用复合衬砌结构。一次衬砌为C50，W10，F150预制混凝土管片，厚300mm。二次衬砌为C35，W10，F150模筑钢筋混凝土，厚400mm。工程沿线共设置56座排气阀井，6座排空井，2座调压井，4处分水口。

东干渠工程等别为Ⅰ等。工程主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，临时建筑物为5级。本工程主要建筑物设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇。

2 重大盾构工程穿越南水北调输水管道综述

2.1 穿越方式

南水北调输水管线一般以地下埋设方式，采用单管或双管输水管道，带有一定水头压力输水运行。

盾构工程根据输水管线埋深、地层情况、地上物以及周边其他既有设施情况，可采取上穿输水管线、下穿输水管线以及邻近输水管线方式盾构施工。

2.2 穿越效果影响因素

盾构施工穿越效果与工程地质条件、输水管线保护范围内地上地下构筑物、盾构机选型等因素有关。同时还要满足盾构隧道具有足够的埋深，覆土深度宜不小于6m且不小于盾构直径；线位上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井等条件[1]。

盾构机须满足施工范围内各土层的掘进需求；盾构机强度与刚度和推进力、输土能力、刀盘切削扭矩等相匹配。根据北京地区的地质特点，一般情况下多采用土压平衡盾构机。

3 重大盾构工程穿越南水北调输水管线保护措施

3.1 前置性保护措施

对盾构隧道及输水管线结构之间土体进行超前预加固[2]。在穿越前对盾构区间结构与东干渠结构之间土体进行地面注浆加固，注浆浆液一般采用水泥浆，加固宽度为盾构区间宽度向两侧外扩1倍洞泾，加固长度为东干渠中心线向两侧外扩15m，加固高度视结构净距决定，一般距南水北调输水管线结构至少留有2-3m缓冲和安全距离，加固体强度应达到0.5-0.8MPa；

盾构机掘进至南水北调东干渠影响范围前设置试验段，在试验段掘进中参照类似地层中掘进参数，以保证良好的掘进速度、控制出渣量为控制目标，灵活调整掘进参数摸索出适合此种地层的最佳参数组合。地面需设置沉降监测点（其中部分沉降监测点为深层测点）通过对试验段施工参数及相关沉降数据的分析及总结，进一步优化初步设定的参数值，最大限度地减小盾构施工对周边环境的影响，保证穿越施工安全可靠[3]。

3.2 盾构施工保障措施

调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，确保匀速、低速、连续通过，严格控制地层损失率，出土量采用体积与重量双控方式进行土方控制。

加强同步注浆、及时进行背后补注浆，在地层产生大的变形之前迅速完成相关作业[4]。根据相同地质条件下施工经验，在穿越段控制浆液的注入数量，最大程度的减少因充填不及时、不密实而造成的地层损失；当盾构每环推进至差100mm完成时，停止同步注浆，进行管路冲洗；及时进行二次补注浆，按照对点、少量、多次、均匀的原则进行注浆施工。

从洞内采用径向注浆加固盾构隧道与南水北调东干渠结构间的土体，纵向加固范围为盾构开挖面距既有结构前后各1.0D范围内，注浆高度1.5m，注浆半径不小于0.5m，具体参数应以现场试验为准。

及时布设测点，穿越过程中加强监控量测，并根据监测结果及时调整盾构掘进参数，在盾构通过一段时间后，继续监测东干渠及其地面沉降变化数据，如发生沉降及时对隧道周边土体进行补充注浆，有效地控制地面、东干渠的后期变形[5]。

3.3 后期运营保护措施

后续地铁运行道床在穿越影响范围内采用钢弹簧浮置板道床，最大程度过滤震动，减小对东干渠结构的影响。

4 地铁盾构工程穿越南水北调东干渠工程实例

4.1 工程概况

北京地铁12号线酒仙桥站-北岗子站区间隧道沿万红路向东，穿越东五环后转向东南，沿规划东八间房路敷设，到达北岗子站。地铁12号线酒仙桥站-北岗子站区间采用外径6.4m盾构法施工，管片为300mm厚C50混凝土管片。

北京地铁12号线左、右线分别从东干渠桩号15+520.373和桩号15+545.744处上部穿越。盾构区间与南水北调东干渠桩号15+534处斜交，右线盾构区间与南水北调东干渠夹角约为42°，左线盾构区间与南水北调东干渠夹角约为44°；穿越段区间覆土约7m，与南水北调东干渠输水隧洞结构外顶竖向净距3.2m。

图1 平面布置图

4.2 地质状况

穿越段，土层以砂土和粘性土交互地层为主，穿越地层主要为③粉土、④粉细砂，⑥粉质粘土，沿线隧道围岩基本分级为Ⅵ级。地铁区间与东干渠夹层土主要为⑥粉质黏土。

图2 地质情况示意图

4.3 方案比选

在确定酒仙桥站-北岗子站区间穿越南水北调平面位置后，区间穿越南水北调东干渠有上穿和下穿2种方案。

区间利用南水北调东干渠上方16.7m覆土进行穿越，覆土约7m，与南水北调东干渠之间距离3.2m；若下穿南水北调东干渠，区间埋深至少35m（考虑盾构隧道与南水北调东干渠之间1D距离）。

经过对两个方案比较，上穿方案较下穿方案有以下几处优点：

1、区间埋深浅，造价低；

2、区间上穿南水北调东干渠，对南水北调东干渠影响较下穿方案小；

3、区间在穿越南水北调东干渠前需穿越东五环环铁桥桥桩，上穿方案区间位于桥桩中部，对桥桩影响较小，下穿方案位于桥桩端部，对桥桩影响大；

4、区间上穿南水北调东干渠可减少区间风井埋深，既减少风险又降低造价。

综上所述，区间穿越南水北调方案推荐采用上穿方案。

4.4 技术保护措施

地铁12号线盾构区间穿越东干渠结构处全部采用前述重大盾构工程穿越南水北调输水管线的保护措施。

盾构区间隧道与东干渠结构之间进行土体预加固前置性保护措施。采用超细水泥进行填充注浆，注浆压力不大于0.3MPa，注浆速度根据地层孔隙及连通情况、地层密实度等因素暂定 0.2m3/min-0.3m3/min，单孔注浆量 1.6m3-2.2m3。加固范围考虑盾构施工过程中对南水北调东干渠影响及后期地铁运营振动对南水北调东干渠影响，沿南水北调东干渠呈平行四边形（平面 35m×71m），加固高度为 4.2m，加固体强度应达到0.5MPa-0.8MPa。注浆完成后应采用钻孔取样法对注浆效果进行检测，在加固深度范围内，取样率应为总注浆孔数的0.5%，当加固体强度不满足要求时应对薄弱部分进行补充注浆，待加固体强度满足设计要求后方可盾构穿越。

图3 土体加固平面、剖面示意图

调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，确保匀速、均衡、连续通过，严格控制地层损失率（每环出土量偏差不超过理论值的 1%，理论值 44m3/环），出土量采用体积与重量双控方式进行土方控制。

加强同步注浆、及时进行壁后补注浆，在地层产生大的变形之前迅速完成相关作业。根据相同地质条件下施工经验，在穿越段控制浆液的注入数量，最大程度的减少因充填不及时、不密实而造成的地层损失；注浆时每次注入量以地面的变化为依据，注浆压力控制在 0.3MPa范围以内。盾构每环开始推进100mm后时开始进行同步注浆（理论注浆量为4.4m3/环-5.9m3/环），随时根据推进速度及需要注入的总量对其进行调整，通过浆液配比优化，将浆液凝固时间控制在 25-40秒之间，结实率大于95%，终凝强度不小于1.7MPa，具体参数应以现场试验为准，当盾构每环推进至差100mm完成时，停止同步注浆，进行管路冲洗；及时进行二次补注浆，按照对点、少量、多次、均匀的原则进行注浆施工。

距盾尾5-10环，从洞内采用径向注浆加固盾构隧道与南水北调东干渠结构间的土体，纵向加固范围为盾构开挖面距既有结构前后各 1.0D范围内，注浆高度1.5m，注浆半径不小于0.5m，注浆管采用DN32×2.75mm小导管，长度为2.5m（局部位于南水北调东干渠上方为 1.5m），注浆压力控制在 0.5Mpa以下，注浆材料采用单液水泥浆，为防止因压力过大造成管片错台，稳压时间不小于 30 分钟。

最后选取区间道床在左CSK123+906-左CSK124+092（右CSK123+916-右CSK124+102）处采用钢弹簧浮置板道床，考虑后期运营过滤震动，最大程度减小对东干渠结构的影响。

4.5 保护措施应用效果

东干渠原设计单位监测数值控制要求如下：

地表位移累计最大上浮值：单洞3.0mm，双洞5.0mm，地表最大下沉值：单洞6mm，双洞12mm。深层土竖向位移最大值：单洞2.0mm，双洞4.0mm。深层土水平位移最大值2.0mm。

鉴于2021年5月26日地铁盾构双线均已脱出保护范围，监测数据较为平稳，截止2021年7月2日地铁12号线穿越南水北调东干渠工程监测数据为地表累计沉降最大测点累计沉降值为-4.10mm（距离准许最大值差值-7.90mm），当日变化值为-0.04mm；深层土体累计沉降最大测点累计沉降值为2.62mm（距离准许最大值差值为1.38mm)。当日变化值为0.15mm。由此可以看出上述重大盾构工程穿越南水北调输水管道的技术保护措施具有较好应用效果与价值。

6 结束语

针对重大盾构工程穿越南水北调输水管道应用技术的研究，通过前置性保护措施盾构区间隧道与南水北调输水管道结构之间土体预加固，到盾构过程中加强同步注浆、及时进行二次补注浆并适时径向注浆加固盾构隧道与南水北调输水管道结构间的土体，最后选取在穿越区间处采用钢弹簧浮置板道床的过滤振动措施等一些列应用技术，在保障重大盾构工程穿越南水北调输水管线结构安全、输水平稳发挥积极有效作用的同时，也可以提供其他工程穿越南水北调输水管道行之有效的思路。