天津市市政工程设计研究院 天津市 300380
摘要：本文以某地铁盾构区间下穿成品输油管线为例，分析了区间下穿成品油输油管线风险源，通过数值模拟和具体的施工技术措施确保盾构通过输油管线时的安全，为业界同行提供相关的下穿重要管线的参考依据；
关键词：盾构隧道、下穿管线、影响分析、施工措施、注意事项
引言：地铁作为主要的城市轨道交通工具是现代城市基础设施建设的重要项目，是世界众多国家用以缓解城市交通压力而重点发展的城市交通设施。与传统交通工具相比，这种轨道交通具有运量大，低噪声，低污染，低能耗，高速度，占地少，舒适便捷等优势[1]。在地铁建设过程中，不可避免的会通过一些重要管线及建筑物，在管线不具备迁移的条件下，地铁盾构隧道如何能够安全穿越这些重要管线，这就需要我们在设计方法和施工技术上下足功夫，确保施工安全。
1.工程概况
该区间隧道采用盾构法施工，盾构底板埋深16.90~22.16m，底板高程490.242m～496.546m。其中于区间YDK8+125.040/ZDK8+125.040处设置设联络通道，其底板埋深约为22.16m，联络通道采用浅埋暗挖法施工。成品油输油管道大致南北走向地下敷设，根据调查，该成品油输油管道由两根Φ168mm及两根Φ273mm的高压钢管组成，压力1.8MPa。管顶标高为510.84~510.95。区间隧道在平面上与其近90°相交，与成品油输油管道相交里程为YDK8+072.695/ZDK8+072.848，本段区间隧道采用单洞单线的圆形断面，线间距14.7m，区间隧道拱顶埋深约为15.7m，管线与隧道顶二者净距为14.07m。
2.盾构隧道下穿成品油输油管道工程施工影响分析
2.1 区间隧道与成品油输油管道相对位置关系
区间隧道在里程YDK8+072.695/ZDK8+072.848近90°下穿成品油输油管道。本段区间隧道拱顶埋深约为15.7m，隧道边缘与输油管道最小净距约为14.07m，具体如图2.1-1、2.1-2所示。
2.2 数值模拟计算
采用分析软件MIDAS/GTS对盾构隧道下穿输油管道建立模型进行计算。
2.2.1荷载-结构模型
1）基本假定
围岩与管片环间的模拟计算主要包括地层-结构模型和荷载-结构模型，本次计算采用荷载-结构模型。
（1）假定支护结构为弹性梁，且梁的变形为小变形，将结构离散为足够多个等厚度直杆梁，进行整体分析。
（2）管片与围岩间的作用采取Winkler弹簧进行模拟，即用布置于各节点的法向弹簧单元来模拟围岩与结构间的相互约束，该弹簧不承受拉应力和切向力，即忽略围岩与衬砌间的粘结力。
（3）假定支护与周围岩土体间密贴，结构一次成型。回填材料的力学参数不小于周围岩土体的力学参数，且回填密实。
2）计算模型与计算简图
盾构计算模型主要包括均质圆环法、梁～弹簧模型法和多铰圆环法。本次计算采用均值圆环法（修正惯用法）[2]进行模拟，其中：管片环刚度折减率为η=0.8，弯矩提高率=0.3，即管片环E1I1=0.8EI，M1=1.3M，修正惯用法环间弯矩传递。
应用软件为MIDAS/GTS 2.50，利用图形化用户界面来建立结构实体对象模型，通过先进的有限元模型和自定义标准规范接口技术来进行结构分析与设计，实现了精确的计算分析过程和选择不同的设计规范来进行结构设计。
3）围岩压力的取定
本断面覆土15.7m，常水位位于隧道拱顶以上7.2m。所处地层情况如表2.2-1所示，采用水土分算。
5）计算结果分析
拱顶计算弯距167.6KN.m（轴力-942.3KN），拱肩计算弯距109.9 KN.m（轴力-1239.7KN），仰拱115.66KN.m（-962.1KN），经过计算分析，每环管片配筋8 14+6 16（对称配筋）满足要求。
2.2.2地层-结构模型
区间隧道在里程YDK8+072.695/ZDK8+072.848下穿成品油输油管道，隧道结构与输油管道最小净距约为14.07m，在里程YDK8+072.695处，隧道结构与成品油输油管道距离最近，因此以该里程处横断面建立数值模型，对盾构隧道下穿成品油输油管道的影响进行分析。
1）计算模型
地层采用实体单元模拟，成品油输油管道与管片采用梁单元模拟，通过对管道梁单元施加压力荷载模拟输油管道内部压力。模型尺寸80m×40m（长×高），共包含3097个单元，1829个节点，采用位移边界条件。
2）盾构正常掘进工况下竖向位移等值线图分析，根据计算结果可知，区间隧道下穿成品油输油管道施工，导致成品油输油管道基底处地层出现了一定的沉降变形趋势，但最大沉降量不超过-3.02mm，满足规范的控制要求。
3）钢管隔离桩及盾构洞内注浆工况下竖向向位移等值线图分析，由计算结构可知，区间隧道下穿成品油输油管道施工前，通过对成品油输油管道与隧道之间的部分土体进行地面预打设Φ159钢管隔离桩，采用M20砂浆填充，内插3根直径22钢筋加固地层；地面袖阀管跟踪注浆以及管片脱出盾尾后及时对隧道周边一定范围内的地层进行注浆加固，成品油输油管道基底处沉降变形减小为-0.84mm，满足规范的控制要求。
通过对以上两种工况的对比分析，从地层位移趋势上看，区间隧道下穿成品油输油管道施工，输油管道的沉降量均满足规范的控制要求；盾构掘进不会对输油管道造成明显的负面影响。
2.3下穿成品油输油管道的盾构区间隧道杂散电流防护影响分析
根据《轨道交通 地面装置 第2部分：直流牵引系统杂散电流防护措施》（GB/T 28026.2-2011）6.2.6条[4]“与直流牵引系统接近的埋设管道或电缆应尽量使其金属部件远离铁路，以防杂散电流的影响。注：走行轨与埋设管线在土壤中的最小距离达l m时，即可满足要求。”目前，交叉跨越段地铁隧道拱顶与输油管道最小净距约为14.07m，满足规范中杂散电流防护的距离要求。
3.盾构隧道下穿成品油输油管道工程施工技术措施
3.1 变形控制标准
依据相关规范要求，地层沉降或水平位移不应超过地铁施工范围内的建筑、桥梁、地下构筑物、地下管线的允许变形值，同时地表变沉降控制标准值的范围为+10～-30mm。
根据成品油输油管道的相对位置关系及其重要程度，暂时提出成品油输油管道的变形控制标准，累计沉降值10mm，变化速率2mm/d，差异沉降0.25%Lg（Lg为管节长度。本表中各控制值为参考值，具体标准以管线权属单位为准）。
3.2杂散电流腐蚀防护控制标准
依据《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》（GB/T 19285-2014）要求，埋地钢质管道的直流干扰，一般应采用未施加阴极保护时管道任意点上的管地电位较自然腐蚀电位的偏移量来进行测量和评价，当难以测试时，也可采用管道附近土壤表面电位梯度来进行测量和评价。当电位偏移≥20mV或土壤表面电位梯度>0.5mV/m时，确认为有直流干扰。当管道任意点上的管地电位较自然腐蚀电位正向偏移≥100mV或管道附近土壤表面电位梯度>2.5mV/m时，应采取直流非流保护或其他防护措施。
3.3技术措施
1）盾构区间施工过程中，采取主动控制，尽量减少对周边地层的扰动，主要措施：
①穿越交叉段区域前，采用地质雷达对穿越地段地下做详尽地下勘探，彻底摸清地下障碍物情况；
②盾构进入交叉区域前应尽快调整好盾构机的施工状态，以最好的状态通过。掘进前，认真对刀盘、注浆系统、密封系统、推进千斤顶及监控系统等设备检查，确保穿越过程中设备无故障，进行连续施工。
③严格保证盾构匀速、连续穿越，确保不停机；
④施工过程中严格控制掘进土压力和出土量，尽量减少超挖，排渣时，以渣土体积控制为主，质量控制为辅；严格控制地层损失率在1%以内、盾构推进压力上不小于0.8倍理论水土压力。
⑤严格控制盾尾同步注浆和二次补注浆；在盾构区间局部施工完成后，应及时利用管片预留注浆孔进行洞内注浆加固地层，以减小施工后期沉降；注浆范围横向为隧道拱部180°范围轮廓外3.0m，沿隧道纵向加固长度与地面注浆加固长度一致。
⑥加注发泡剂，膨润土浆等润滑剂，进行土体改良，减少刀盘所受扭矩，降低对土体的扰动；
⑦预先根据地质情况，对可能出现的工程事故预先制定处理措施，配置必要的机械设备，一旦发生工作面土体坍塌等工程事故，立即实施预备方案；
⑧盾构过交叉区域时，必须加强监测，对监测数据进行及时的分析并反馈，必要时根据监测结果及时调整掘进参数。
2）盾构通过前，应针对成品油输油管道与隧道之间的部分土体进行地面预打设Φ159钢管隔离桩，钢管壁厚t=6mm，同侧间距1.0米，成品油输油管道两侧交叉布设。隔离桩采用Φ200锚杆钻机成孔，成孔后放入Φ159钢管，采用M20砂浆填充，内插3根直径22钢筋加固地层。地面隔离桩打设应查明并规避地下管线，避免冲突，具体打设位置可根据现场实际情况进行适当调整。
3）施工前，在钢管隔离桩下方持力层打设袖阀管，根据监测量控，采取地面跟踪注浆；袖阀管间距1.5m，采用水泥浆，注浆压力0.3~0.8MPa，最终现场试验确定，但不易过大，同时注浆过程中对输油管进行严密监测，防止注浆压力过大对输油管产生不利影响；地面袖阀管打设应查明并规避地下管线，避免冲突，具体打设位置可根据现场实际情况进行适当调整。
4）对下穿成品油输油管道的盾构区间隧道杂散电流防护进行加强设计，增大道床收集网截面、增设并联回流电缆、加密均流线、加强监测，并建议轨道专业与结构专业采取绝缘措施，建议地铁运营单位加强线路运营维护，减少杂散电流的产生及向地层的扩散。
4结论：本文详细阐述了盾构下穿成品油输油管线的施工工程概况，建立荷载结构模型对盾构隧道下穿输油管线管片配筋进行了复核，通过地层-结构模型对比了加固前的成品输油管线沉降及通过打隔离桩和袖阀管注浆后输油管线的竖向沉降进行了对比。并就下穿输油管线的变形指标、杂散电流腐蚀防护控制指标及施工技术措施、施工注意事项做了要求。从计算分析来看通过对成品油输油管道与隧道之间的部分土体进行地面预打设Φ159钢管隔离桩，地面袖阀管跟踪注浆以及管片脱出盾尾后及时对隧道周边一定范围内的地层进行注浆加固，成品油输油管道基底处竖向沉降明显减小，满足规范要求。
参考文献：
[1]李兆友 王健.地铁与城市[M].沈阳：东北大学出版社.2009.
[2]日本土木学会.日本土木学会隧道标准规范（盾构篇）及解说.朱伟，译.北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]GB50157-2013地铁设计规范[J].2013.
[4]GB/T 28026.2-2011轨道交通 地面装置 第2部分：直流牵引系统杂散电流防护措施[J].2011.
论文作者:高宝
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/20
标签：盾构论文; 隧道论文; 成品油论文; 输油管道论文; 地层论文; 区间论文; 管片论文; 《基层建设》2019年第8期论文;