大粒径砂卵石地层矩形盾构顶掘隧道近距离下穿既有大型给水管施工技术

近年来，国内城市地下空间尤其是既有主城区地下空间开发建设迅速，矩形盾构顶掘作为一种新型非开挖施工技术，因其不中断地面交通、不迁改管线、施工安全可靠等特点被广泛应用，由于城市既有主城区地下管线分布错综复杂，矩形盾构顶掘施工难免需要近距离穿越各类运行中的市政管线，而诸如大型给水、燃气等压力管线对周边地层沉降变化非常敏感，矩形盾构顶掘施工穿越过程中容易引发管线安全事故，施工安全风险大，因此如何安全平稳穿越运行中的市政管线是必一须、要工解程决概的况 难题。

1、工程概述

成都市三环路扩能提升工程主体一标段育仁西路地下人行通道位于成都市西三环路五段（育仁西路以北约 100m 处），通道下穿成都市三环路，全长 90.5m ，顶板埋深约 7m，断面尺寸 6.0m×4.5m ，采用国内新型非开挖施工技术—矩形盾构顶掘法施工，该项目是继川大华西校区地下停车场下穿人民南路地下人行通道后矩形盾构顶掘施工技术在砂卵石地层的再次应用。

2、隧道与给水管的位置关系

育仁西路地下通道顶掘施工至 19.5m 时需正交下穿成都市三环路内侧DN2000 给水管，通道顶部距离DN2000 给水管底约 2.1m 。

3、工程地质及水文条件

育仁西路地下人行通道从上至下覆土层为杂填土、粉质黏土、砂卵石，通道主要位于中密卵石层，岩性特征为黄灰色、灰色为主，色较杂，卵石主要成份为花岗岩，次为石英岩，卵石粒径以 6～15cm 为主，偶夹漂石，卵石间以黏土和黄灰色中砂充填为主。

施工范围内地下水包括上层滞水和孔隙潜水，地下水位埋深 9.2m～10.4m ，高程 506.86m～507.52m 。

二、施工风险点

育仁西路地下通道顶掘施工至 19.5m 时正交下穿DN2000 给水管，给水管底距地下通道顶仅 2.1m，给水管道材质为钢管，接头形式为焊接，位于粉质黏土层。该给水管是成都市城西供水主管道，每日供水量可达 80～100 万t，不具备临时停水条件，矩形盾构顶掘施工过程中会对给水管周边地层造成持续性扰动，稍有不慎就会造成给水管底部地层不均匀沉降，严重时还会引发爆管等事故，造成恶劣的社会影响，施工安全风险很大。因此需制定给水管加固保护方案及适宜的顶掘施工参数，做好给水管位移变形监测，确保安全平稳穿越。

三、隧道-给水管近接分析

采用三维有限元模型进行分析以了解DN2000 给水管的变形情况。依据砂卵石地层已完工项目的矩形盾构顶掘施工数据对管节及掘进掌子面施加荷载。计算时掌子面压力取为 40Kpa（相当于中密卵石层的静止土压力），管节压力取为25KN/m。模型共设置 30 个循环步序，每次顶掘进尺 1.5m。矩形盾构顶掘施工过程中，隧道顶板变形最大约 5mm ，给水管变形约2mm。通过隧道-给水管近接分析可知：

（1）矩形盾构顶掘施工过程中，保持顶掘机土仓压力接近原状静止土压力、保持土压平衡，能够有效控制给水管变形。

（2）由于给水管管径较大，较小的变形也会引起较大的应力（3）给水管最大变形出现在以下两个位置：

① 顶掘机刀盘即将穿越给水管，刀盘面距给水管外壁水平距离1.5m 时；

② 顶掘机刀盘完全穿越给水管，向前掘进至刀盘面距给水管外壁水平距离1.5m 时。

（4）给水管纵向变形大于水平变形。

四、给水管加固

基于岩土工程本身的复杂性及矩形盾构顶掘施工的时效性，隧道-给水管近接分析结果作为指导施工的理论依据，为进一步确保施工安全，实际穿越给水管前还应对给水管进行加固，穿越过程中应以地表及管线沉降变形监测数据为依据，及时反馈调整土仓压力控制给水管变形。

近年来，成都市砂卵石地层地铁盾构穿越市政管线前通常采用袖阀管注浆对管线进行加固并取得了良好的效果，本工程选择采用袖阀管预注浆+跟踪注浆的方式对DN2000 给水管进行加固，袖筏管注浆加固参数如下。

（1）钻孔：采用跟管钻进、孔径 146mm ；（2）钻孔深度：钻至隧道顶以上 40cm；（3）钻孔间距、数量：单排共计 11 个孔，间距1m；（4）袖阀管规格：φ48 袖阀管（壁厚 4mmPVC 管）（5）注浆浆液：42.5 普通硅酸盐水泥浆，水灰比 1：1

1、袖阀管预注浆加固

矩形盾构顶掘施工穿越DN2000 给水管前，通过袖阀管对DN2000 给水管底部及周围土体进行预注浆加固并检查加固效果，待加固效果及强度满足要求后，顶掘机才具备穿越该管线的条件。

2、袖阀管跟踪注浆加固

矩形盾构顶掘施工穿越DN2000 给水管过程中，根据管道位移变形监测及周边地表沉降情况进行跟踪补偿注浆。

五、矩形盾构顶掘施工控制

1、严格控制掘进参数

矩形盾构顶掘施工穿越DN2000 给水管前，应根据理论计算、试掘进和监测数据等科学合理地设定土仓压力值及掘进速度等参数。

穿越过程中顶掘机土仓顶部压力控制在 0.4～（ 0.5bar，土仓中部压力控制在0.6～0.7 bar，土仓底部压力控制在 0.9～1.0bar ，掘进速度控制在 20mm/min 至30mm/min ，快速通过减少扰动，推进过程中注浆量控制在每环不少于 6m³ ，注意洗管保证不堵管，注入速度与掘进速度相匹配，刀盘转速在 1.2r 至 1.3r，严格控制出土量，根据刀盘转速确定螺旋输送机转速，轴线控制偏离设计轴线不大于±20mm ，严禁在通过时超量纠偏、蛇形摆动。

2、地层注浆

隧道贯通后，对管节上方的DN2000 给水管区域进行地层注浆加固。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，初拟水灰比为 0.8：1，水玻璃与水为 1：1，水泥浆与水玻璃浆液的比为1：1，浆液浓度可根据地层情况进行调整，浆液采用双液注浆泵通过管节顶部预留的地层注浆孔注入，注浆压力控制在 0.4Mpa 以内。

六、结语

本文通过建立三维有限元模型进行了隧道-给水管近接分析，得出了给水管理论变形及应力变化值，矩形盾构顶掘穿越给水管前对管底土体进行了袖阀管注浆加固，穿越过程中严格控制各项掘进参数，最终实现了安全平稳穿越 DN2000给水管的目标，通过该技术的成功应用得出了以下结论。

1、矩形盾构顶掘施工穿越大型给水管前，应根据地勘资料计算顶掘机土仓各部位压力控制值，穿越过程中维持土压平衡能够有效控制给水管沉降位移变形；

2、给水管最大变形出现在顶掘机刀盘面距给水管水平距离为一个管节长度（1.5m）的位置；

3、袖阀管预注浆+跟踪注浆能够进一步控制减小给水管沉降位移变形；

4、穿越过程中应严格控制掘进参数。

参考文献

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［5］万俊峰．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［J］．隧道建设，2016，36（4）：439-443

作者简介：

第一作者：高进（1991—），男，汉族大学本科。研究方向：市政工程。

*通讯作者：李点点（1986—），男，汉族大学本科。研究方向：市政工程。