超短区间盾构下穿燃气管施工技术要点
时间：2023-02-23 15:55:08 来源：千叶帆 本文已影响人
司威振
(中铁十六局集团轨道公司，北京 101100)
近年来国内城市基础建设迅速发展，盾构法施工技术相对成熟，尤其在安全性和高效性方面，目前在城市隧道施工中得到了广泛的应用。文章通过分析杭州地铁8号线桥头堡站～盾构转换井区间，在超短区间无试验段情况下，下穿φ813高压燃气管的成功案例，对钱塘江富水粉砂层下穿既有管线的技术参数进行分析，总结经验，为后续类似盾构区间施工提供参考。
1.1 工程概况
杭州地铁8号线一期工程施工总承包土建工区一项目桥头堡站～盾构转换井区间（以下简称桥～转区间，如图1所示），属于超短区间，区间长度仅有116.89 m，共计97环，共投入两台铁建重工公司生产的ZTE6410土压平衡盾构机，从桥头堡站始发，盾构转换井接收，隧道采用平板型钢筋混凝土
图1 桥～转区间平面
管片，隧道内径5.5 m，外径6.2 m，环宽1.2 m，厚
0.35 m。区间埋深9.7～10.8 m，线间距10.12～15.7 m。
其中桥～转区间沿线分布主要有三联横河、省天然气杭甬线管道。左右线隧道分别在31环、33环位置下穿杭甬φ813高压燃气管道，其中左线隧道距离管线净距7.5 m，交叉角度86°；
右线隧道距离管线净距6.3 m，交叉角度76°。
1.2 工程地质及水文情况
本工程场地地貌单元为钱塘江现代（含早期）江滩地貌。地层一般为现代（含早期）堆积粉砂性土，松散～稍密状为主，厚度一般为19～24 m左右。
区间涉及地表水主要为场地南侧的三联横河，实测河水面标高为3.83 m，场地潜水主要赋存于浅（中）部填土层、粉（砂）性土中。区间距离钱塘江约600 m。
2.1 超短区间掘进施工
通常盾构初始掘进段前100 m为试掘进段,在试掘进阶段，盾构机各项技术参数不稳定，面临着停机，坍塌发生、冒顶各样的风险，整体掘进需要磨合。根据试掘进阶段数据进行分析，为后续掘进起到了重要的指导作用。然而桥转盾构区间总长度为116.89 m，在此超短区间，无试掘进段的数据支持的前提下，下穿燃气管，施工风险较大，如前期盾构姿态偏差，施工过程纠偏难度大，地面沉降风险大幅度提高。
2.2 杭甬φ813高压燃气管保护
已建省公司省天然气杭甬线管道起于宁波春晓首站，终于杭州崇贤末站，主要承接东气，共计309 km。本管道为“西气东输”主管道，沉降控制要求高，如出现泄露，影响范围及危险系数极高。
盾构隧道钻进施工涉及地铁工程盾构施工对天然气管道的影响。主要是由于施工对地层产生扰动而出现的管道与地层一起沉降、隆起，这样既破坏管道埋深恒压状态，又引起管道弯曲、变形，若管道与地层出现不同步沉降，有可能破坏管道的外防腐层，造成安全隐患，当管道沉降、隆起超过管道的变形极限时，则管道将出现拉裂，从而引起管道失效，造成天然气泄漏，进而引发火灾、爆炸等安全事故[1]。
3.1 管线监测点布置
本区间较短，且下穿重大管线，区间隧道监测点全部加密布设，区间轴线点按照每5环布设一点，每10环布设一个地表沉降大断面。
本次管线监测点布置采用间接点布设+直埋式埋设方法施工。盾构下穿管线监测点布置原则：主要布置在管线之间连接位置，管线线性变化位置，管线所处地面易沉降变形位置。本次施工管线监测点布置以盾构机和管线正交段每5 m布设一点，并向两侧延伸布点，现场共布置了16个监测点，其中12个间接监测点+4个直接监测点。本次管线直接点布设主要采用管道上方用胶体把监测导棒固定在外部套pvc管进行保护。间接点布设将测点设在靠近管线轴线附近相应土体中，布设期间应注意对保护管线。
3.2 盾构掘进技术措施
3.2.1 开挖面土压力控制技术
盾构机推力和土仓压力对管道的作用，推力和土仓压力，过大会对地层造成挤压，迫使地层出现被动位移；
土仓压力过小，土体会出现主动位移，不管哪种位移都对管道造成影响，具体考验管体的抗冲击和抗拉性能，最严重将使管道拉裂。因此土仓压力的管理对于开挖面的稳定至关重要。
3.2.2 盾构掘进速度控制
对于超短区间掘进速度控制原则为：在下穿管线过程中“中低速掘进，快速穿越”，即降低掘进速度，加快拼装速度，在确保土仓压力的情况下，快速完成穿越。合适的掘进速度的选取，能都使土体将盾构掘进所产生的应力充分释放，避免由于掘进时产生的应力过大或过于集中，而对高压燃气管造成影响。
由于本区间属于超短区间，过程中很难进行纠偏，特别是盾构下穿高压燃气过程中，盾构始发前调整好盾构机姿态，避免在掘进过程纠偏。
在掘进过程盾构姿态变化不能过大、过频、隧道轴线和折角变化不超过4‰。折角变化过大将引起土层的超挖，不利于沉降的控制。推进时不急纠、不猛纠，要做到“勤测，勤纠”，多注意观察管片和盾尾的间隙，以减少盾构施工对地层的影响。
3.2.3 同步注浆
盾构在掘进过程中由于管片与盾尾存在空隙，如果这部分空隙不加以填充，土体将产生应力释放，导致周边地基变形，引起管线的沉降。同步注浆能够及时有效地填充此部分空隙。
同步注浆量除了要受到注浆材料向土体中渗漏及泄露影响外，还要受到曲线施工、超挖、壁厚注浆材料的种类等影响，实际上是无法给定一个确定的值，通常按理论进行计算，再根据现场监测数据用二次注浆进行补充。每环的压浆量一般为建筑空隙的140%～220%。每推进一环同步注浆量为即4.2～6.2 m2/环。本工程采取同步注浆新型惰性浆不同于普通的惰性浆液，在于加入适量的水泥，缩短同步注浆浆液凝结时间，提高其强度、耐久性，有效减少施工对地层的影响。并且通过采取注浆压力与注浆量来衡量注浆效果，通过观测监测数据，及时调整注浆，确保同步注浆饱满，不会出现地表的隆起沉降[2]。
经统计后确定为实际注浆量为理论注浆量的190%，注浆压力0.2～0.3 MPa时同步注浆施工停止。配合比采用见表1。
表1同步注浆新型惰性浆初步配比
3.2.4 二次注浆
二次（或多次）压浆是弥补同步注浆的不足，是减少盾构过后土体的后期沉降量的有效辅助手段，特别是盾构在穿越地下管线及地面构筑物、涌水及软土地段时补压注浆至关重要。
二次注浆能够使管片提前支承地层，提高管片衬砌的稳定性，减少工后沉降，确保安全，同时能够起到一定的防水效果。
根据盾构下穿的地层及时调整注浆压力，二次注浆能有效减少地层间空隙，减少沉降，同时也要考虑注浆压力过大导致对地层的扰动。本区间在下穿燃气管受到影响掘进段进行每环注浆，其他标准段每5环进行一次注浆，二次补充注浆压力控制在2.5～3.5 bar。
由于本区间施工地层富水粉砂层，地层自稳定、成拱性极差，为保证同步注浆及二次补浆能够达到预期效果，确保燃气管线的安全，本区间每10环进行一次盾尾注入聚氨酯的止水环。
2020年1月5 日，桥～转区间顺利安全下穿杭甬φ813高压燃气管（30环～36环），期间根据监测数据如图2所示，盾构机刀盘掘进至管线监测点正下部前，根据监测数据显示分析累计沉降不大于2 mm；
盾体下穿燃气管时，累计沉降达到4～8 mm；
盾尾脱出后，沉降趋于稳定，累计最大沉降值为13.6 mm。根据盾构下穿管线整个过程中的监测数据分析，沉降规律为：刀盘到达前对管线影响相对比较小、盾体下穿通过时管线沉降量骤增、后续盾尾脱出后沉降速率逐渐趋于稳定[3]。
图2 管线监测点沉降数据
（1）对于超短区间，由于对初始数据采集有限，始发前一定调整好盾构机姿态，尽量减少在掘进过程纠偏；
管线监测点布置采用布设直接监测点+间接监测点的布置方法，并加强监测点监测频率，根据监测数据，及时调整优化盾构掘进参数。
（2）下穿管线前，要保证盾构机持续、稳定的保压推进，掘进过程中，土仓压力保持比理论值高0.15～0.2 bar。
（3）盾构机下穿管线过程中，管线沉降最严重的阶段，此阶段要加强同步注浆，逐步增大同步注浆压力、增大同步注浆量。采用聚氨酯在掘进管线正下方前后各5环位置施做止水环，确保盾尾位置的密封性和同步注浆的填充压力。下穿过程采用新型惰性浆液，缩短同步注浆浆液凝结时间，提高其强度、耐久性。
（4）盾尾脱出后，管线沉降风险依然存在，应及时进行二次注浆，管线沉降明显得到控制，本工程在下穿管线影响段每环进行注浆，注浆孔采用梅花形布置，每环布置4个注浆孔。
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