泥水盾构近距离穿越河底中压燃气管线关键施工技术
时间：2023-02-14 17:30:08 来源：千叶帆 本文已影响人
张 亮 中铁十二局集团第二工程有限公司
在城市地铁进行盾构施工时，地下管线交错纵横[1]，由于受整个城市的选线坡度、水平控制及河床地形影响，隧道难免在穿越河流的同时穿越管线，泥水盾构穿越的地层基本都是软弱复杂地层，加大了施工风险和技术难度。文献[2]通过对地层加固和盾构掘进参数控制等措施，确保了盾构机安全顺利穿越垃圾填埋区内高压燃气管道。文献[3]通过设置围堰将河水导流，利用Q235 钢管对原管道进行了临时改迁，并对部分管道进行了永久置换后盾构穿越河底DN1800 管道。文献[4]通过对燃气管线采用悬吊保护的方式，盾构掘进通过。文献[5]通过对掘进参数、注浆施工、隧道轴线、刀盘土压力设定、渣土改良及施工监测等方面提出关键工艺控制要点，为盾构机下穿高压燃气管道提供技术保障。文献[6]利用有限元软件分析盾构隧道施工对LNG 管线的扰动影响，根据分析结论提出有效可靠的措施保证结构施工的安全，为隧道下穿LNG 管线设计及施工提供工程借鉴。
本文结合徐州地铁2号线一期工程新元大道站～新区东站区间左线近距离穿越故黄河河底中压燃气管线施工，介绍了线路优化，掘进参数优化、泥水分离系统改进等措施组合的方法，盾构顺利穿越河底燃气管线，类似工程提供借鉴。
徐州地铁2号线一期工程新元大道站～新区东站区间沿昆仑大道布置，下穿故黄河且侧穿故黄河桥后到达新区东站。
区间左线全长1056.416m。最小曲线半径700m，线间距12m～16m，线路最大纵坡26‰，覆土10.3m～20.5m。区间穿越故黄河段液化砂质粉土层透水性强，易坍塌，采用一台Φ6480mm铁装备泥水平衡盾构机掘进。
区间侧穿故黄河桥基，下穿故黄河，河底近距离穿越中压DN425燃气管线，材质为钢，是经过故黄河的主管线，采用拉管法施工。故黄河河面宽153m，水深2m～4m，河道与区间的净距12.1m。盾构隧道穿越故黄河段地层由上到下主要为②5-2砂质粉土，②5-3 砂质粉土，洞身穿越地层主要为②5-3 砂质粉土。②5-2和②5-3均为液化土，液化等级中等。
经地震映像法、超声成像法为主、磁梯度法为辅的综合物探结合施工竣工图探测燃气管与区间位置关系见图1，燃气管与区间距离见表1。
图1 燃气管与区间位置
表1 燃气管与区间距离
区间下穿故黄河，在过河段临近DN425 中压燃气管线，河底燃气管3号点位置是泥水盾构掘进风险最大的地方，1号和2号点已经在黄河岸边，3号点燃气管线离区间隧道水平距离为3.03m，垂直距离为1.904m，最近空间距离为4.894m。盾构穿越的地层和顶部所处的地层均为液化砂质粉土，当其受到盾构掘进扰动后，掌子面容易失稳，易发生液化坍塌现象，进而引起燃气管沉降破裂，造成安全风险和经济风险。
5.1 采取燃气管改迁方案
泥水盾构直接穿越江河和直接穿越管线的技术较为成熟，既要穿越江河，又要近距离穿越河底重要燃气管线尚无参考经验。采取将燃气管改迁的方案规避这一重大风险源。
5.2 采取设计调线方案
联系设计院，将左线隧道向右平移1m，进一步加大燃气管与区间的距离，然后通过施工控制通过河底燃气管地段。
经过港华燃气公司现场查勘，中压425燃气管线是经过故黄河的主管线，无改迁路由，可以临时在故黄河桥上做个副管，盾构通过之后再改迁复位，需要4个月时间，周期较长且费用较高。
经专家反复论证，综合考虑从现有技术角度解决问题，一是通过设计院调线，加大盾构与燃气管的空间距离；
二是通过结合右线过河施工经验，优化施工参数穿越燃气管。
6.1 线路设计优化
将区间左线向右线位置调线1m（已调至极限），加大燃气管线与盾构区间左线的直线距离，调线后管线与区间隧道的最小直线距离为5.546m。燃气管线和盾构调整1m后位置关系见表2。
表2 燃气管线和盾构调整1m后位置关系
6.2 泥水环流优化
6.2.1 切口水压控制
切口水压用于平衡开挖面的水土压力，维持开挖面的稳定，保证盾构安全顺利掘进。通过切口水压控制开挖面稳定是一种动态的管理，掘进时，必须对开挖面的切口水压进行严格监控，通过手动控制，使其控制在设定值的±2%范围内。根据国内诸多施工经验[7-8]，计算公式如下：
设定泥水压力上限值：
切口水压下限值计算：
式中：
Pfu/Pf1——分别指切口水压上限值及下限值（kPa）；
P1、P2、P3——分别指地下水压力、静止土压力、变动土压力（kPa）；
h/H——分别指地下水位以下至隧道顶部埋深、地面至隧道顶部埋深（m）；
K0——禁止土压力系数；
r、rw——土的容重、水的容重；
Ka——主动土压力系数；
Cu——土的黏聚力。
盾构机穿越燃气管线之前，测量人员将实际水深及标高测量后输入计算公式，得出切口水压的上限及下限值，建立泥水压力平衡，并密切监控河面变化情况及时调整切口水压，以保证安全穿越燃气管线。
6.2.2 停歇时的环流优化
停止掘削时，为减少对液化土的扰动，泥浆循环系统停止在仓内进行大循环，切换至旁通模式，循环3min～5min，将排泥管里的泥碴循环到地面泥浆池，减少在管道里的沉淀。
6.3 泥水性能优化
（1）比重
泥水比重大有利于稳定掌子面，但过大则增加泥浆泵的负担，且影响携渣效率，由于粉土地层里细颗粒含量较高，一部分细颗粒会分离不出来重新进水浓缩池，从而增大调整池比重，为保证液化砂质粉土地层的稳定，进浆泥水比重控制在1.08g/cm3～1.1g/cm3，出浆比重维持在1.13g/cm3～1.2g/cm3。
（2）黏度
为保证开挖面稳定，在掌子面形成较好的泥膜，泥浆黏度控制在20s～23s，每推5 环，需要补充新浆30m3～50m3对循环泥浆进行黏度和比重调整。压滤机工作填充1500s，挤压400s，一个循环1900s。
（3）泥浆泵流量和出口压力控制
为避免排浆泵出口压力较高增大泥浆泵的负荷，从而引起泥浆泵及泥浆软管发生故障，必须控制排浆泵流量和出口压力，进浆流量控制在900m3～950m3，排浆流量控制在950m3～1000m3，为保持气垫仓泥浆液位在50%左右，需根据实际情况动态调整进排浆泵的流量[9]，出口最大压力不能超过8bar。
6.4 盾构掘进速速控制
盾构过河虽然以快速通过为原则，但并非盲目地加快速度掘进，掘进速度必须在确保注浆质量和保持环流系统畅通的前提下逐渐加快，左线过河底燃气管线段的掘进速度均控制在30mm/min～40mm/min。
6.5 盾构姿态控制
河底燃气管线段对盾构姿态的控制更显得重要，一是该段隧道处于右转下坡段，二是该段为软弱地层，盾构机在穿越故黄河时管片易发生上浮，故黄河段盾构姿态垂直控制在-40mm～-30mm，水平姿态控制在10mm～20mm，在曲线内侧行走，盾构机产生偏差后，不宜急纠。
6.6 盾尾密封优化
盾构机采用四道盾尾钢丝密封刷，并增加两路底部注脂管，可有效防止盾尾透水。为确保过河安全，正常状态掘进中（在没有发生漏水窜浆状态下），每两环正常补脂一圈，确保盾尾密封油脂压力不小于26bar。
6.7 注浆控制
盾构穿越时注浆量为理论建筑空隙200%，注浆量为6.7m³/环，并根据实际情况做适当调整，以保证河道土体的稳定。注浆压力控制在0.3MPa～0.4MPa，以免应压力过大而击穿河底土体，导致与隧道顶部砂质粉土层贯通。
在过河段盾构1号拖车配一套注浆机，对拖出盾尾7环以后的管片进行二次补充注浆，注浆选用双液浆，以抑制管片上浮量。每环注浆量由现场值班工程师根据地面监测数据和当环同步注浆量确定，注浆压力不大于0.4MPa。
6.8 泥水分离优化
由于液化砂质粉土细颗粒含量高，预筛和一号筛无渣土分离出来，全部集中在二号筛筛分出渣，增大了二号筛的筛分负荷，泥浆比重上涨快，容易跑浆，特增加小二级筛分分离，减少二号筛的负荷，避免跑浆。
6.9 燃气临时停气
为了更安全穿越燃气管线，在盾构掘进至燃气管线最近点附近时，临时中断供气3d，待盾构通过后进行检测打压合格后重新恢复供气。
6.10 应急措施
（1）燃气管线受损或泄漏的应急措施①立即停止区间施工，紧急疏散人员。②封闭区间道路，禁止车辆、人员通行，做好现场警戒。
③管道存储气源自然泄压、放散。
④管道内存储气源放散完毕后，将管道、施工区间进行注入氮气置换，待检测合格后方可继续施工。
（2）河面冒浆的应急措施
①如发生河面冒浆现象说明泥水压力已经击穿河底，河水与泥水仓已经联系在一起，可能发生大量泥浆泄漏和水土流失，此时需略降低泥水压力，加大泥浆比重，提高掘进速度，让盾构机快速离开冒浆区域[10]，盾构穿越冒浆区域后及时二次补注浆，封闭贯通缝。
②掘进开始时，刀盘转起，环流系统从旁通状态切换到土仓后，立马启动推进系统向前推进，掘进完成后，刀盘立即停止转动，补充气垫仓液位到高液位，环流系统切换到旁通模式，这样可以减少对掌子面的扰动，进一步保证开挖面的稳定。
③专人对河面进行监测及巡视，河面情况随时与盾构操作手联系，以便操作手及时调整相关参数。
本文根据徐州地铁2号线一期工程新元大道站～新区东站区间盾构施工实例，阐述了泥水盾构机近距离穿越故黄河河底燃气管线的施工方法，为类似工程施工提供参考。
（1）通过设计调线，进一步加大了区间与燃气管的距离，减轻了盾构施工风险。
（2）通过燃气临时停气，待盾构通过后进行检测打压合格后重新恢复供气，避免了因燃气管受损所带来的安全风险。
（3）通过掘进参数优化、盾尾密封优化、泥水分离优化及完善的应急措施下，泥水盾构可以在无损河底燃气管线的情况下完成穿越，对规避施工风险也是有利的。
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