天津市地下铁道集团有限公司 天津市 300100
摘要：本文主要针对在天津地铁一号线东延施工中遇到穿越华北航空局主干航油管线的Ι级风险源，如何结合天津当地的地层环境，采取特殊推进措施，来保证此航油管线的安全。其中牵涉到前期的准备，对盾构机的选型，试验推进和参数控制等多方面的措施，对今后天津地区穿越管线施工有一定的参考价值。
关键词：盾构施工；穿越管线；Ι级风险
1. 工程背景介绍
1.1工程概况
天津地铁1号线东延至国家会展中心项目，西起津南区双林站，止于双桥河站，共11站10区间及一车辆段。本工程土建施工第3合同段施工范围包括：奥体中心站（不含）～会展中心站（含）～纬三路站（含）区间施工；总建筑面积约49300㎡，区间隧道总长度3725.624m。华北航空局DN200主干航油管线正位于此标段内。
1.1.1 DN200航油管线情况
奥体中心站～会展中心站区间隧道盾构于右DK40+700处垂直下穿位于幸福河堤岸、直径为200mm的DN200航油管线，材质为钢材，埋深约1.6m，管顶标高为0.87m隧道顶部距离管底最小竖向净距月15.3m，风险等级为Ι级。1.2工程地质及水文地质
1.2.1区间地质条件
盾构在穿越DN200航油管线所处的地层主要为⑥3粉土、⑦3粉土、⑧2粉质黏土、⑧3粉土。
1.2.2区间水文条件
1）上部潜水，地下水埋藏较浅，勘测期间地下水埋深0.7～1.7m（高程0.11～0.82m），主要赋存于第Ⅰ海相层中的粉土、粉砂、粘性土与粉土互层的地层中，含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。
2）微承压水以第Ⅱ陆相层的湖沼相沉积⑦2、⑧2粉质粘土为相对隔水顶板，主要赋存于⑧3粉土、⑧4粉砂、⑨3粉土、⑨4粉砂、⑨5细沙、⑩3粉土等。
2．DN200航油管线保护措施
2.1前期准备工作
2.1.1技术交底
施工前，对所有施工人员进行技术交底。使每一个参加施工的工作人员清楚了DN200航油管线与隧道之间的相对位置以及应当采取的不同技术措施。
2.1.2人员配置
在现场配备监测人员、值班人员。现场监测人员和值班人员通过对讲机进行及时联络，值班人员及时将信息进行汇总并将指令传达施工班组，指导盾构推进施工。
2.1.3施工参数优化
在盾构穿越DN200航油管线之前的施工过程中，总结出盾构所穿越土层的地质条件，掌握这种地质条件下土压平衡盾构推进施工的方法，掌握盾构推进施工参数和同步压浆量，并且通过实践不断地对其进行优化（参数优化在盾构机进入DN200航油管线前50m的范围之前达到一个合理值，在进入工业管前50m的范围内，应当注意参数的细微变化，作细微的调整），以求达到盾构以最合理的施工参数穿越工业管。
2.1.4机械设备及检查
在盾构进入DN200航油管线影响范围之前，对盾构机进行机械设备和压浆管路的检查和维护，对于存在故障和故障隐患的机械一律进行维修，对压浆管路进行一次彻底的清洗，保证穿越工业管过程中不发生机械故障和压浆管路堵塞情况。
2.1.5 DN200航油管线的探明
盾构推进前，请管线产权单位技术负责人到现场进行交底并监护，详细讲解管线设计资料及运营情况，并和根据产权单位签订的安全施工方案和控制要求进行管控，确保管线安全。
2.2盾构机选型
2.2.1盾构机参数
根据工程所处位置的地质水文条件，本工程采用两台海瑞克土压平衡盾构机（上隧-21、上隧-23）。专门进行设计使之适用于天津地区特殊地质。盾构机已完成专家评审会，满足穿越管线及区间推进的要求。
2.2.2 天津地铁对盾构机的强制要求
根据天津的特殊地质状况和下穿河道、蓟汕高速、DN200主干航油管线Ι级风险源等条件的需求，为此我们最终确定盾构机的各项参数和指标如下：
一、刀盘
刀盘具有下列主要特征：
（1）刀盘开口率28%。
（2）盾构刀盘配备中心刀、刮刀、先行刀、贝壳刀。同时盾构配备人行闸，施工人员可进入土仓对不明物体进行探摸，然后实施后续措施。
（3）根据天津地质土层特性，在刀盘的防磨损设计中特别采取了一系列的保护措施，这些措施主要有：
①在刀盘盘面进行硬化处理并堆焊耐磨材料。
②在刀盘的中心和外缘进行硬化处理并堆焊耐磨材料。
③在刀盘外圈设有保护刀具，在刀盘面板上增焊耐磨层。
二、盾构机注浆系统
盾构机配备德国施维英注浆泵，支持两条独立管路同时进行四点同步注浆，能够适应浆液的压注要求。
盾构的中部及尾部设置有若干注浆孔，在需要的情况下可以及时压注不同类型的浆液，确保盾构在不良地质条件和盾构始发接收的顺利掘进，能够通过压注双液浆来封闭渗水通道。
三、盾构机自动测量导向系统
工程采用上海隧道工程股份有限公司的STEC自动测量导向系统。该系统是基于棱镜法开发的一套先进的盾构自动测量导向系统，其系统结构见下图。
STEC自动导向系统示意图
STEC自动测量导向系统能够实时地提供盾构轴线与隧道设计轴线的偏差；还可以计算并显示盾构的前进趋势；并可根据盾构的位置及千斤顶行程进行管片选型。而且，STEC系统操作非常简单、便捷，方便盾构司机操作。其操作界面如图所表示。
该系统具备以下优点：
① 计算并以数字和图形两种方式显示当前盾构位置；
② 计算并显示已拼装管片的位置，此步过程在管片拼装之后立即完成；
③ 计算并显示盾构在水平和竖直两个方向的趋势；
④ 计算能使盾构机向隧道设计轴线回归的平滑曲线；
⑤ 预先计算适应新曲线的管片类型；
⑥ 输出盾构掘进的全面文档；
⑦ 自动间隔测量；
四、盾构螺旋输送机
螺旋输送机的可变转速和可调的螺闸门开口度，可以良好的实现土仓压力与周围地层压力的匹配，能够有效控制盾构机对周围地层的扰动。
螺旋输送机的周围配置加泥加水孔，可以通过注浆孔加注膨润土或泡沫材料改良土体。
螺旋输送机配备两道闸门。在盾构穿越承压水层时，若出现螺旋机喷涌险情，可以及时关闭两道闸门。
螺旋输送机扭矩为190kNm，在遇到不明障碍物时，螺旋机具有更强的适应性，并且螺旋机具有伸缩功能，伸缩长度为60cm，能够满足本标段盾构施工的要求。
五、盾构机铰接系统
盾构机配置有14个Φ160/80（mm）铰接油缸，行程：150（mm），其中4个液压油缸设有行程测量传感器。铰接系统满足最小曲率半径300m的施工要求。
六、土体改良系统
盾构机配备有一套加泥加水系统，针对粉土、粉质粘土的土层，可以压注膨润土等材料改良土体，改变土层粘性，避免土体粘着设备。本系统采用单点单泵变频控制系统。同时系统配有多个正面注入口，土体改良效果更加均匀，操作人员可以通过承压隔板上的喷嘴选择向刀盘或开挖仓内压注改良材料。能够满足本标段推进要求。
2.2.3 盾构机选型结论
针对天津轨道交通1号线东延3标段奥~站隧道施工情况，并根据工程施工设计文件、岩土工程勘察报告及下穿河道、蓟汕高速、DN200主干航油管线Ι级风险源等条件的需要，对德国海瑞克上隧-21、上隧-23盾构进行了适应性分析，通过一些相应的改制，此台海瑞克土压平衡盾构机性能可以满足施工要求。
2.3盾构试推进试验段
为了更好地掌握盾构穿越DN200主干航油管线的各类参数，在盾构到达DN200主干航油管线前100m设定试推进模拟段。。此段施工时应注意对推进参数的设定，地面沉降与施工参数之间的关系，并对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，确定盾构推进的施工参数设定范围。此阶段施工重点要求做好以下的几项工作：
1）对设备的问题进行排除、故障进行检修，使盾构机处于最佳穿越状态。
2）了解和认识隧道穿越的土层的地质条件，掌握这种地质下的土压平衡式盾构的施工方法。
3）通过本段施工，加强对地面变形情况的监测分析，掌握盾构推进参数及同步注浆的量。
2.4盾构穿越阶段
按照盾构穿越管线的顺序可以分成以下几个阶段：
在前期的掘进施工中，通过施工实践不断优化盾构推进参数控制地表变形，减少对工业管的影响，根据正面土压力，紧密结合地表变形监测，及时调整盾构掘进参数，不断完善施工工艺，将施工后地表变形量控制在最小范围内。在穿越DN200主干航油管线施工过程中主要采用的技术措施有以下几个方面：
2.4.1 严格控制盾构正面土压力
盾构在穿越过程中根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。
1、土仓压力理论计算
（1）土仓压力上限值：P上=P1＋P2＋P3
=γw·h＋K0·[（γ-γw）·h+γ·（H-h）]＋20
P上：土仓压力上限值（kPa）；P1：地下水压力（kPa）；
P2：静止土压力（kPa）； P3：被动土压力，一般取 20 kPa；
γw：水的容重（kN/m3）；h：地下水位以下的隧道埋深（至中心）1.5（m）；
K0：静止土压力系数，根据地质资料参数取值，本次施工取0.74；
γ：土的溶重（kN/m3）； H：隧道埋深（算至隧道中心）（m）。
（2）土仓压力下限值：P下=P1+P'2+P3
=γw·h+Ka·[（γ-γw）·h+γ·（H-h）]-2· Cu·sqr（Ka）+20
P下：土仓压力下限值（kPa）； P'2：主动土压力（kPa）；
Ka：主动土压力系数，本次施工取0.36；Cu：土的凝聚力（kPa）。
根据设计图纸，穿越管线段所处地层地下水位在1.5米以下，隧道埋深度取H=16.2m，计算中需考虑地下水压力，静止土压力系数K0=0.74，取土的容重γ=19kN/m3，水的溶重γw=10kN/m3，主动土压力系数Ka=tan2（45-Φ/2）=0.36，土的粘聚力Cu=20.2kPa。则：始发段土仓压力上限值P上为246.008Kpa；下限值P下为202.88Kpa。
在盾构穿越DN200主干航油管线过程中要严格按照实际情况进行土压力控制。使盾构切口处的地层有微小的隆起量，同时也必须严格控制与切口平衡土压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值。防止超挖、欠挖尽量平衡土压力波动。
2.4.2 推进速度控制
在穿越DN200主干航油管线过程中，盾构机推进速度不宜过快，以1cm/min为宜，推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越DN200主干航油管线，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减少对工业管的影响。
2.4.3 出土量
盾构的挖掘断面每环理论出土量48.41m3/环。在盾构穿越DN200工业管过程中，应将出土量控制在理论值的98％即48m3/环左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起。若出土情况不理想，需采用泡沫剂或其替代品进行土体改良。
2.4.4 管片拼装
在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待2～3分钟之后，到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶应尽可能的少，以满足管片拼装即可。在管片拼装过程中，应当安排最熟练的拼装工进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间，减少土体沉降。拼装过程中发现前方土压力下降，可以采用螺旋机反转的手段，即将螺旋机机内的土体反填到盾构机前方，起到维持土压力的作用。拼装结束之后，应当尽可能快地恢复推进，减少土体沉降。
2.4.5 盾构纠偏
盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，因此在盾构进入DN200主干航油管线影响范围内之前，盾构姿态应当尽可能地保持良好，并且保持良好的姿态穿越工业管。在穿越DN200主干航油管线过程中，尽可能地保证盾构匀速通过，减少盾构纠偏量和纠偏次数。盾构姿态尽量保持在±40mm以内。
2.4.6 同步注浆
盾构推进过程中应严格控制同步注浆量和注浆压力，并及时进行二次补浆，且同步注浆速率应与盾构推进速率相符。
壁后注浆采用同步注浆系统，此区域盾构施工采用四点注浆，来控制成型隧道的质量。注浆压力调为0.2～0.3Mpa，注浆时一定要确保注浆压力，直到地层注满为止。在每环管片拼装结束后，必须进行补浆，在盾尾压力达到设定压力后并维持相对稳定后，方可进行下一环的施工。且为缩短浆液凝结时间。根据掌握的反馈信息及时调整浆液的配比，使浆液的配比更科学、更合理。为保证浆液的质量，要对制备浆液的原材料进行严格控制，要定期测定浆液的坍落度、粘性、离析率、凝结时间、抗压强度等。
盾构刀盘直径6.4m，管片外径6.2m，管片宽1.5m，每环的开挖空隙为2.9m3，每环的注浆量一般为开挖空隙的150％～250％，考虑到水泥浆液渗透性高，根据经验系数确定每环的同步注浆量应控制在4.45～7.42m3，注浆速度控制在20～30L/min。浆液的泌水率＜3%，浆液1天的强度≥0.2Mpa，28天的强度≥2Mpa。
水泥浆液配比见下表。
表2.4-1 水泥砂浆配比表
2.5盾构穿越后阶段
盾构穿越DN200主干航油管线之后，为控制隧道及管线沉降，必须结合监测数据进行控制，主要采取的措施为加强二次注浆。
在穿越管线段处具体为里程右DK40+670～右DK40+730、左DK40+670～左DK40+730段落，施作二次加强注浆加固（采用16孔特殊管片，取代普通段落的管片二次注浆）以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。
二次探孔加强注浆加固采用双液浆，注浆时应遵循“多点、低压、少量、多次”注浆原则，注浆形成有效的注浆圈。
在穿越管线段前后段内由于某种原因建筑空隙未能充分填充或者由于土体的后期应力释放而产生沉降，需要进行二次补压浆。二次注浆浆液为水玻璃+水泥砂浆（水泥：P.O42.5，水玻璃：30Be），为注浆压力和注浆量双控。
表2.5-1 浆液配合比（配比单位：Kg/方）
水泥（P.O 42.5）膨胀剂水玻璃水
800 70 50 700
3．结语
针对天津地铁施工中需要穿越重要主干DN200航油管线等较高风险源的情况，本文总结出了一套详细的针对性措施，保证了穿越施工前后管线的安全。可得出的针对性措施如下：
1）注重穿越前的前期工作，明确现场人员并进行交底，并对需要穿越的构筑物进行探明。
2）对盾构机进行合理的选型，以匹配当地的施工环境。
3）建立穿越前的试推进段，充分掌握该地层的施工规律，结合地层沉降情况，确定盾构机参数、同步注浆量等，并保证盾构机在穿越时状态良好无故障。
4）穿越过程中严格控制土压力及推进速度，同时出土量要与之匹配，防止超挖现象出现。
5）盾构不宜过猛纠偏，并确保同步注浆的注浆量与注浆压力。穿越时还需加强监测频率，并将信息及时反馈以调整推进参数。
6）在穿越此重要管线段落采用多孔注浆管片；
5）穿越后及时充足的、全断面进行二次注浆，减少后期沉降。
参考文献：
[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].上海：中国建筑工业出版社，2004.
[2]吴惠明.盾构法隧道施工应用技术论文[M].上海：同济大学出版社，2007.
论文作者:戴方栋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/19
标签：盾构论文; 油管论文; 压力论文; 注浆论文; 管片论文; 浆液论文; 隧道论文; 《防护工程》2018年第6期论文;