刘华钢
武汉飞虹建设监理有限公司 湖北武汉邮编：430000
摘要：本文依据武汉地铁蔡甸线三标新福路站～桥隧分界区间盾构机穿越地下燃气管线工程实例，提出软弱地层浅埋盾构下穿城市地下管线施工工艺控制要点来指导施工，对今后类似工程提供借鉴。
关键词：软弱地层；浅埋盾构；管线
由于浅埋盾构的覆土厚度较浅，盾构在掘进施工穿越素填土及黏土等软土地层时，土压的扩散对地表造成的沉降影响较大，在这种情况下下穿地下管线，造成管线沉降及变形的可能性非常高。本文通过采取对盾构掘进中参数控制、同步注浆及二次主将相结合等措施，有效的控制了管线的沉降及变形并成功下穿，取得了良好的社会效益和经济效益。
1工程概况
1.1工程简介
新福路站～桥隧分界盾构区间沿蔡甸大街地下敷设，起于新～桥区间的桥隧分界端头井，止于蔡甸大街与规划路临嶂大道交叉口处的新福路站，采用ZTE6250土压平衡盾构机进行施工，刀盘直径6280mm，管片外径为6000mm。
经调查目前项目区间沿线的主要地下管线有：JS PEΦ500、JS PEΦ600、JS砼Φ200、JS PEΦ200、PS 砼Φ800、PS 砼Φ100、PS 砼Φ600、TR PEΦ110 中压 （顶管）、TR PEΦ90 中压 （顶管）、110kV高压、电力、路灯等多种管线。本文仅对燃气管线沉降进行讨论。
表1.1-1 新～桥区间隧道与燃气管线相互位置关系表
1.2地质条件
隧道顶覆土厚度为5.55～10.22m，隧道上部土层主要为1-2素填土、10-1粉质黏土。穿越土层为10-1粉质黏土、10-1a黏土。隧道竖曲线半径为5000m，最小坡度为-2‰，最大纵坡为-27.0‰。隧道上部1-2素填土具有中密状态，局部密实，10-1粉质黏土具有切面光滑，干强度高，韧性高，10-1a黏土具有中等偏高压缩性的特点。
表1.2-1 土层参数统计表
2盾构穿越地下管线施工监理控制要点
2.1穿越前试掘进阶段
在盾构穿越城市地下管线之前的施工过程中， 精确掌握盾构穿越土层的地质条件与地层状态， 进而确定盾构推进施工的方法，并且对盾构姿态控制、土仓压力、掘进速度、注浆方量及注浆压力等相关参数进行不断优化 ， 以求达到最合理的施工参数穿越地下管线。
2.2人员检查
在穿越地下管线前配备足够的盾构机司机、拼装机操作手、双轨梁操作手及螺栓紧固手等施工人员，并配备现场监测人员及值班技术员，隧道内人员与现场人员保证动态信息传递，每一次测量成果都应及时汇总，并及时报送至监理工程师，监理工程师根据现场的监测情况，进行对比分析，切实做好对现场的质量管控工作。
2.3机械设备检查
盾构过建筑物前，监理应督促施工单位对盾构机、台车、电瓶车及注浆系统等进行全面检修和维护，对于存在故障隐患的机械设备统一进行排查和维修，对注浆管路进行彻底清洗，储备充足的管片、防水密封材料、注浆材料等物资，准备好常用易损部件，清空渣土坑并对盾构隧道进行全面清理，为一次性连续通过做好准备，保证穿越地下管线过程中不出现机械故障，注浆管路堵塞及管片数量不足等情况所造成的盾构机停机。
2.4穿越地下管线时盾构施工参数设定
2.4.1土仓压力设定
盾构机一般在土仓处布置4个土压力计（上、下、左、右均匀布置）、螺旋输送机处布置2个土压力计（前、后各一个），共计6个土压力计。施工过程中土压力参数的设定通常以土仓压力设定为准，且由于出土口位于盾构机底部，土压力不稳定，因此设定参数以上部土压力计进行设定。
根据穿越前试掘进阶段的土压力设定估算穿越段内土体静止侧压力系数K ， 并参照地面沉降监测报表， 利用公式 P=KγZ并结合当时盾构机埋深及土体情况推算穿越燃气管线时的设定土压力初值，经计算确定土压力控制在0.8～1.0Bar之间，不可低于0.8Bar。
2.4.2掘进推力设定
本工程采用被动铰接式盾构机，盾构向前行进主要是依靠安装在中盾与后盾之间的千斤顶推力，各千斤顶推力之和即为盾构机的总推力，在计算推力时，需充分考虑地层情况与盾构机运转情况，将盾构施工全过程中可能遇到的阻力都计算在内。所以盾构的总推进力必须大于各种推进阻力的总和，否则盾构将无法向前推进。盾构机的掘进推力主要由下述因素决定：盾构外周（盾壳外层板）和土体之间的摩擦阻力或粘附阻力、推进中刀盘插入土壤的贯入阻力、掌子面正面阻力，作用在切削刀盘上的推进阻力、管片与盾尾之间的摩擦力、变向阻力（曲线施工/纠偏等因素的阻力）、后方台车的牵引阻力。利用公式 ∑F=F1+ F2+ F3+ F4+ F5+ F6推算盾构机穿越燃气管线时的掘进推力设定值，经计算确定掘进推力设定为8000KN～12000KN，并控制推进力不大于12000KN。
2.4.3推进速度和刀盘转速设定
盾构千斤顶的推进速度及刀盘转速不仅与盾构机的机械性能关系密切，同时在一定条件下也受工程地质及水文地质条件的影响。本区间处于软弱地层且且土体埋深较浅，施工时需额外注意，在穿越燃气管线时推进速度应均匀、缓慢，速度控制在30mm/min。
盾构的切削刀盘扭矩产生主要由于土体的剪切阻力，根据盾构机穿越的地层确定剪切阻力系数，利用公式F1=αD3推算刀盘扭矩及刀盘转速设定值。经计算刀盘扭矩控制在2300KN•m，刀盘转速控制在1rpm/min以下，盾构机掘进时应以此值为目标值严格控制刀盘切削。
2.4.4掘进模式及盾构姿态控制
盾构机开挖土仓由刀盘、切口环、隔板、土压传感器、膨润土添加系统及泡沫注入系统组成。本区间穿越地层为10-1粉质黏土与10-1a黏土，选择土压平衡模式进行掘进施工。土压平衡掘进模式中土仓压力的保持首先需选定土仓压力，掘进过程中通过调整推进力进而实现推进速度的控制、通过调整螺旋输送机转速实现出渣量的控制。
盾构姿态监控可通过自动导向系统和人工测量复核进行盾构姿态监测。该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够及时在盾构机主控室显示器上显示盾构机当前位置与隧洞设计轴线的偏差、仰俯角、滚动角等趋势。
导向系统后视基准点需随着盾构推进要前移，前移时必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，每50m进行一次人工测量（曲线根据情况相应缩短），以校核自动导向系统的全站仪和后视棱镜的坐标，并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构沿着设计方向掘进施工。
推进过程中，盾构机应保持稳定的姿态，每环姿态的变化应能控制在±5mm以内，避免蛇形掘进。
2.4.5同步注浆及二次注浆压力值和注浆量设定
盾尾同步注浆压力主要是受地层的水土压力的影响，同步注浆压力的设定以能填满管片与开挖土层之间的间隙为原则，浆液及其注入的效果直接关系到地层沉降及管线的变形及沉降，因此对注浆材料及注浆压力都有较高的要求。依据本区间埋深较浅及软弱地层的情况，应严格控制同步注浆，增加超前注浆系统施工时在管片脱出盾尾时及时采用同步注浆来填充盾尾空隙；调整浆液配比、初凝时间及浆液稠度。盾尾注浆压力设定为1.5～2.0bar。盾尾同步注浆理论量为每环4.06m3，根据施工经验注浆时每环应按6.1m3～7.3m3控制(150％～180％)，不得低于6m3。同时要求同步注浆速度必须与盾构推进速度一致。
表2.2-1同步注浆浆液配合比表
同步注浆施工后，由于脱水现象会造成浆液体积收缩，造成地层沉降，二次注浆可以有效填充管片与土层之间的空隙。结合掘进速度及衬砌、地表沉降监测结果进行综合分析判断，必要时采用无损探测法进行效果检查。当检查表明注浆不足时，及时进行补充注浆。
2.4.6出土量设定
盾构机在掘进施工过程中会出现超挖的情况，而每环出土量直接反应了盾构机每环的掘进施工情况。当超挖较多时，会使出土量骤增，使管片与开挖土层之间的间隙增大，导致同步注浆浆量不足，引起地层沉降，因此在掘进过程中，必须严格控制每环的出土量。利用公式V=kπL (d/2)2推算每环出土量，为保证土仓压力，出土时控制出土量为理论的96%左右，经计算每环出土量为49-54m3。
3.保障措施
3.1地下管线施工专项监理细则
为保证地下管线沉降变形控制在允许范围内，编制地下管线（构筑物）施工专项监理细则。
施工前应针对不同管线情况布置监控量测点，施工前100m开始监测，盾构通过后15天内连续监测，并针对不同管线情况制定针对性措施，同时监理工程师应针对施工监测数据和第三方监测数据进行对比分析，发现问题后立即督促施工单位对施工参数进行进一步优化。
地下管线竖向位移监测所采用的监测方法主要为几何水准的方式，从水准基点或工作基点起测，将各个监测点贯穿于整个水准线路中，最后回到工作基点或水准基点，形成附合或闭合水准线路。外业成果合格后，再按水准线路平差方式，计算出各监测点的高程，再根据监测点的高程与初始高程、上次测量高程进行比较，求得各监测点的累计垂直位移变化量和期内变化量。
除对地下管线采用仪器定量监测外，在施工影响期间，尚需对地下管线进行日常巡查，以便于对地下管线安全状态有综合性的了解并根据。
3.2组织保障
为保证顺利穿越地下管线，规避穿越地下管线时可能发生的风险，监理部和项目部应成立领导小组和工作小组，以加强对实际施工的把控。对穿越地下管线期间的施工进行全面指挥与协调。在盾构机进入地下管线控制区域时，进行24h连续施工作业，避免由于盾构机停机所造成的后期沉降现象，监理人员应切实做好交接班制度，以便对现场进行跟踪控制。
3.3物资保障
施工现场应准备充足的工程物资，如注浆及盾构设备所需材料，所需配件，保证通过电瓶车可以及时进行运输，并应备有充足的水源，保证可以及时投入使用。
4.结语
本工程施工前准备充足，技术方案合理，保障措施有力，盾构机左线、右线均安全，顺利的穿越了地下管线，确保地下管线完好无损，为浅埋盾构下穿城市地下管线积累了宝贵经验。
参考文献：
[1]孙宇坤，吴为义，张土乔 软土地区盾构隧道穿越地下管线引起的管线沉降分析[J] 中国铁道科学 2009.01
[2]刘云龙 盾构在浅层软土中穿越城市快速路及地下管线的地表沉降控制[J]隧道地下工程 2010
[3]李刚 盾构隧道穿越地下管线施工技术[J]科技情报开发与经济 2008.04
论文作者:刘华钢
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/31
标签：盾构论文; 管线论文; 地下论文; 注浆论文; 地层论文; 压力论文; 管片论文; 《防护工程》2018年第18期论文;