隧道下穿高压供水主干管群施工技术研究

隧道下穿高压供水主干管群施工技术研究

李辉

哈尔滨局集团公司道口平改立工程建设指挥部15000

摘要：本文借助某市综合管廊隧道下穿高压供水主干管群的工程实例，通过地层-结构模型对施工工法和预注浆加固方案进行比选，预测了隧道下穿高压供水主干管群的可行性。该工程已顺利竣工，施工期间无安全隐患发生，取得良好的业绩。通过现场监测数据表明，既有施工方案是可行的，研究和分析手段是科学合理的，较好地反应了工程实际，为未来类似工程的施工提供了重要的理论依据和指导作用。

关键词：浅埋暗挖法；下穿高压供水主干管群；数值模拟；监测

1.工程背景

1.1工程概况

某市综合管沟工程长约1705m；其中暗挖段长200米，暗挖由南向北穿越范围内与3根D2200输水管道斜向相交，平面交角约24°。此3根输水管道供应该市三分之一人口饮用水。暗挖管沟距离输水管竖向净距为3.9m、4.0m和4.6m，属于Ⅰ级风险源。隧道覆土厚度10.32m。隧道尺寸见表1，隧道与输水管相对位置关系图见图1。

表1隧道尺寸

图1隧道与输水管相对位置关系

1.2工程地质及水文地质

1.2.1工程地质概况

本工程沿线勘探范围内的土层划分为人工堆积层、新近沉积层、和一般第四纪沉积层。

根据勘探成果分析显示，暗挖管沟穿越的地层主要为④砂质粉土、⑤粘土和⑥粉质粘土，局部为④1中砂和④3角砾，根据有关标准，围岩分类为Ⅰ类，土、石可挖性分级为Ⅱ类。施工过程中极易出开挖后坍塌变形及初期支护结构局部失稳等。

1.2.1水文地质概况

本次岩土工程勘察期间竖井及暗挖沿线于钻孔中实测到3层地下水，水位埋深情况详见下表：

表2水位埋深情况

第一层水水量不大，主要受大气降水和西侧排水沟中的水位影响，第二层水水量也不大，第三层水水量大。

1.1.3监控量测控制标准

根据设计资料要求监控量测控制标准为：

（1）地表沉降位移控制值：30mm，最大沉降速率：4mm/d，平均位移速率控制值：2mm/d；

（2）输水管线位移控制值：10mm，最大沉降速率：2mm/d，平均位移速率控制值：1mm/d；

（3）拱顶沉降位移控制值：7mm，最大沉降速率：2mm/d，位移平均速率控制值：1mm/d；；

（4）隧道净空收敛控制值：7mm，最大沉降速率：2mm/d，位移平均速率控制值：1mm/d；

2.下穿工程分析

由于大部分地下管线埋置深度不大，通常可以假设在管线直径不大时，地下管线对周围土体移动没有抵抗能力，它将沿土体的移动轨迹变形。当地下管线直径增大到一定程度后就会对周围土体移动产生抵制作用，这同时也增大了管线破坏的风险。国内学者蒋洪胜等曾对上海某段盾构法施工对上部管径2.6m的合流污水管产生的影响及处理的措施进行过研究。深圳已有的实测结果也表明位于大直径（2m）的管线上的地表沉降值小于没有管线时的地表沉降值。尽管大管径管线抵抗土体移动时会增加管线自身的应力，但由于管线自身强度较大（主要针对灰铁管线）而不会导致管段产生大的附加应力。总的来说，对于管径较大的管线，在隧道施工中要引起重视，特别是对地层运动比较剧烈，管材、接头比较脆弱且运营年限久的大管径管线要进行专门的风险评估。

3.方案比选

在进行数值模拟时，为简化模型仅对三条供水管线中间的那条进行分析，现初步拟定了三个注浆及隧道开挖方案分别简述如下：

方案一：采用洞内注浆+CD法施工A1、A2隧道+台阶法施工B隧道。方案一沉降云图如图2所示。

图2方案一沉降云图

方案二：采用洞内注浆+地面注浆+全断面开挖A1、A2隧道。方案二沉降云图如图3所示。

图3方案二沉降云图

方案三：采用洞内注浆+地面注浆+CD工法开挖A1、A2隧道。方案三沉降云图如图4所示。

图4方案三沉降云图

三种方案的管线沉降对比图如下图8所示。

图5三种方案的管线沉降对比图

计算结果统计如表3所示。

表3计算结果统计表

按照沉降控制要求，管线最大沉降值应控制在10mm以内，倾斜率应控制在2‰以内。方案一与方案二的管线最大沉降值都超出了控制值，方案三在控制范围之内；方案三中管线最大沉降值比方案一、方案二小59.8%、49.7%；倾斜率比方案一、方案二小54.1%、46.9%。

考虑到群洞开挖对土体扰动较大、上水管线对沉降要求较高，根据对以上计算结果的分析，综合考虑，推荐采用方案三，即采用洞内双排小导管注浆+地面注浆及采用CD工法开挖A1、A2隧道，对控制管线沉降效果最好。

4.下穿高压供水主干管群浅埋暗挖隧道加强措施

4.1洞内采取措施

洞内采用前进式超前深孔注浆预加固地层封堵地下水，加固范围从起拱线开始拱圈周边1.5m范围。采用普通水泥+水玻璃双液混合浆液注浆，从掌子面放射注浆，一次注浆加固12m，开挖10m，留2m止浆盘。注浆压力控制在0.3-1MPa。考虑到注浆范围内大部分为砂质粉土，后退式深孔注浆难以成孔和止浆塞起不到止浆效果，故与设计协商改为前进式深孔注浆。

考虑到可能洞内深孔注浆存在注浆盲区，或末端注浆加固效果不理想等情况，在通过管线前后5m范围内，同时在洞内采取双层小导管注浆，注浆小导管与隧道轴线夹角分别为60°和15°，灌注浆液采用普通水泥+水玻璃双液混合浆液注浆。

4.2管线保护采取措施

在管线下方存在2m厚的富水粉细砂层，考虑到加固的时间效应和耐久性，双管分别采用超细单液水泥浆和水玻璃浆液，单管注射单种浆液，在地层中混合凝结，加固土体和堵水。地表注浆方案采用大角度斜向注浆管和小角度斜向注浆管分段、分层对输水管进行注浆加固。斜向注浆管主要加固供水管线下方的土体，小角度斜向注浆管主要加固供水管线周围的土体。小角度斜向注浆管与地面夹角为75º，大角度斜向注浆管与地面夹角为60º。地面注浆60º注浆管与75º注浆管交叉布置，并且在输水管两边各有一排注浆管，注浆管间距1m。注浆浆液采用超细水泥浆液，注浆压力控制在0.2-0.5MPa。注浆参数详见表4。

表4地表双管注浆参数表

4.3开挖顺序的选择

对于比较复杂的地质环境，同样的施工工法，不同的施工工序可能对环境的影响也会不尽相同。参考国内PBA工法小导洞开挖顺序，采用从两侧开始施工，先施工A1与B断面，随后施工A2断面。该开挖方式不仅提高了开挖速度。两侧隧道起到起到隔离桩的效果，并且可以减少对周围土体的扰动，以及中间岩土的存在可以有效的控制浅埋暗挖软弱地段隧道开挖中管线的下沉及变形。

5.监测数据分析

本工程中监测项目中，选取了地表沉降、拱顶下沉、净空收敛、管线沉降、及管线变形为分析对象。

1）拱顶下沉

图9GD2-1A1（北）沉降历时曲线图

2）净空收敛

图10SL-2-2收敛历时曲线

3）地表沉降

图11DB-4-8沉降历时曲线

4）管线沉降

图12GX-01-05沉降历时曲线图

均在设计控制值范围内，且与有限元计算相吻合。

6.结论

通过本次研究，对多隧道下穿大直径管线工程中控制管线的变形控制得出以下几点结论：

（1）以控制管线变形为目标，采用地表与地下联动组合施工技术，即首先在地表采用超前双管注浆加固管线侧方和下方土体，地下施工到管线距离5m位置采用超前深孔注浆和双排小导管注浆加固层间土层，提高地层力学参数和阻水能力。同时优化洞群施工步序和参数，施工中根据监测数据反馈指导施工，成功在富水扰动地层非降水条件下完成了小净距洞群施工。

（2）在地表对施工区域进行注浆加固，提高地层的密实性。在隧道开挖前，进行超前深孔注浆，在关键部位进行深孔注浆与小导管注浆相结合，对管线下方和隧道掌子面前方土体及时加固，提高地层的抗变形能力。

（3）结合工程实际，利用Midas数值模拟技术，模拟下穿管线隧道群的施工工法，结合工期的需要来合理的选择施工顺序，有效的控制浅埋暗挖软弱地段隧道开挖中管线的下沉及变形。

（4）及时实施地层主动动态式多次补偿注浆措施。在初支施工时，在拱顶预留注浆管，根据监控量测数据以及确定的沉降控制值进行动态主动补偿跟踪注浆，实现实时沉降控制。

（6）加强监控量测工作，切实做到信息化施工。严格按照设计要求布置测点和监测频率。通过加强施工过程的监控量测，把对地面沉降的控制落实到每一个关键工序。对所有观测数据，均实行信息化管理，并由富有经验的专职人员根据不同的观测要求，绘制不同的数据曲线，并记录相应表格，预测变形发展趋向，及时反馈并进行施工调整，确保安全施工。

参考文献：

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