北京地铁某盾构区间下穿大型污水管风险控制技术研究

【摘要】 随着我国现代化经济的大力发展，城市地铁在各地兴建，盾构下穿既有市政管线亦难以避免，风险的预测与控制问题也随之而生。结合北京地铁14号线某区间污水管风险源，利用三维模拟软件ABAQUS对风险工况进行仿真，并对加固措施效果预估，结合实际施工程经验总结提出盾构下穿污水管风险源的风险控制技术。

【关键词】 盾构；风险源；污水管；风险控制

中图分类号：U455 文献标识码： A

1 工程概况

北京地铁14号线某盾构区间全长704.700m，覆土16m左右，盾构穿越的主要为卵石层。盾构区间在左、右线分别呈12.7°、18.1°下穿Φ3000mm污水管线，区间结构顶至污水管底的垂直净距约7m。Φ3000污水管施工于2003年，采用小盾构施工，管片壁厚200mm，埋深约5.6m。

2 风险工程变形预测对比

2.1无措施下穿风险工程变形预测

（1）采用ABAQUS进行三维数值分析，模型范围取宽度60m，长度140m，土层厚度36m。在盾构隧道下穿既有管线地段，区间左右线净距9.0m，隧道顶距地表16.18m，距离既有Φ3000污水管线底6. 96m，距离既有Φ1050污水管线底11.63m。模型前后两面边界条件施加X方向的水平约束，模型左右两面施加Y方向的水平约束，模型的底面施加水平和竖向约束【1】。

（2）土体模型为Mohr-Coulomb弹塑性模型，使用三维实体单元C3D8建模，管线模型长120m，采用壳单元进行模拟，网格划分后三维模型示意如图1所示。

图1 风险工程三维建模图示

在不考虑追加措施，即采用常规技术达到社会平均先进水平的工艺条件下，对盾构隧道施工开挖过程进行模拟得出，隧道施工完成后Φ3000、Φ1050污水管线竖向沉降值分别为12.2mm、9.7mm，水平位移值分别为6.4mm、4.3mm，超出变形控制指标，因此需要采取一定技术措施进行预加固。

2.2 注浆加固及控制效果

为保证盾构施工顺利通过污水管线，对下穿管线的盾构区间范围内进行全断面径向深孔注浆加固，对应左线加固长度为90m，右线加固长度60m，沿隧道半径方向注浆长度为4.0m。对注浆加固后的盾构隧道开挖过程进行模拟得出，在严格控制开挖进度和加强初支、二衬背后注浆等前提下，施工完成后Φ3000、Φ1050污水管线竖向沉降值分别为7.9mm，6.3mm，水平位移值分别为3.8mm、3.0mm，满足变形控制指标，因此采取径向注浆措施的加固效果是显著有效的。

3 环境安全风险控制的工程技术措施

3.1 洞内专项加固防护措施

为了保证盾构区间顺利安全的通过污水管线，左线90m范围、右线60m范围内管片进行注浆加固，利用每环管片上预留的8个注浆孔进行隧道径向深孔注浆，注浆时机为同步注浆、二次注浆完成后开始二次深孔注浆。注浆长度4m，注浆半径0.5m，浆液采用水灰比为1：1的水泥浆，注浆压力为0.4～1.2MPa【2】。

3.2 施工工艺措施

在施工时采取必要的技术措施，保证盾构机连续匀速掘进。包括做好盾构机的维修保养工作，避免在穿越管线过程中停机检修或更换刀具。盾构通过时，建立土压平衡平稳推进，严格控制推进速度（1～1.5cm/min）和出土量（每环出土量约42～46m3，即3.4节矿车），调整土仓压力，同时根据地层变化及时调整推进参数，确保地层应力损失降至最小，从而有效控制地层的弹塑性变形【3】。对每环渣样进行地质水文分析，发现与开挖断面地质情况不符时，则马上采取措施。

3.3 同步注浆措施

利用盾构机自身设备，对掘进中在管片外形成的空隙进行注浆。通过加强盾尾同步注浆，确保管壁后空隙充满，减少隧道围岩径缩、地层沉降。 同步注浆材料应选择和易性好、泌水性小，且具有一定强度的浆液，并应及时、均匀、足量地压注，确保盾尾空隙得到及时和足量的充填。浆液配比设置为：水泥∶粉煤灰∶砂∶膨润土∶水=180∶371∶780∶35∶400（kg），浆液稠度控制在110～115mm，凝胶时间控制在5h以内。浆液配比根据现场试验情况、地质情况作相应调整。

（1）注浆压力

注浆压力的选择一方面要求注浆材料能充分填充盾构施工产生的地层空隙，避免由此引起的地表沉陷；另一方面要避免过大的注浆压力引起地表的有害隆起或破坏管片衬砌，影响地表建筑物的安全。理论上注浆压力应略大于地层土压和水压。以达到对环向空隙的有效充填而不是劈裂注浆，其最佳值应在综合考虑地层条件、管片强度、设备性能、浆液特性和土仓压力的基础上来确定，根据施工实际，一般注浆压力控制在0.3-0.4MPa。

（2）注浆量

注浆量以盾尾建筑空隙量为基础，考虑到：

1）浆液渗透到周围地层中；

2）盾构纠偏产生多余的建筑空隙；

3）注浆材料自身体积的变化；

4）盾构外壳粘结泥皮 。

砂、砾石层区段进行的注浆，由于浆液的渗人深度较大，在 lOcm左右，实际注浆量采用理论值的200%进行注浆，即为3～4.75m?/环。

（3）注浆速度

注浆速度由注浆泵的性能和单环注浆量确定，但应与掘进速度相适应。

（4）注浆结束的标准

同步注浆结束标准为注浆压力达到设计压力，稳压15min或注浆量达到设计注浆量的100%以上。对注浆不足或注浆效果不好的地方进行补强注浆，以增加注浆层的密实性，提高防水效果。

3.4 管片后二次补浆措施

管片拼装后，利用管片上的抓举孔对管片背后进行二次补浆，注微膨胀水泥浆，注浆压力为0.1MPa，注浆量控制在同步注浆量的 1/4，确保管片背后无空隙，管片均匀受力。

3.5 注浆质量保证措施

（1）注浆前进行详细的浆液配比试验，选定合适的注浆材料及浆液配比，保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标符合设计施工要求。

（2）制订详细的注浆施工设计和工艺流程及注浆质量控制程序，严格按要求实施注浆并进行检查、记录和分析，及时做出P（注浆压力）一Q（注浆量）一t（时间）曲线，分析注浆效果，反馈指导下次注浆。

（3）根据洞内管片衬砌变形和地面及污水管线监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数及设计和施工方法，发现情况及时解决。

（4）做好注浆孔的的密封，保证其不渗漏水。

（5）做好注浆设备的维修保养及注浆材料供应，保证注浆作业顺利连续不间断地进行。

【参考文献】

【1】杨广武，关龙，刘军，郑知斌. 盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析[J]. 中国铁道科学，2009，30（6）：009～012

【2】朱康宁.浅埋暗挖隧道下穿次高压燃气管保护方案[J]. 现代隧道技术，2012，49（2）：027～030【3】张天明. 浅谈盾构下穿建筑物掘进参数控制[J]. 现代隧道技术，2012，49（2）：018～020