地鐵盾構(gòu)隧道施工對城市地下管線的影響研究

吳浩

摘 要：現(xiàn)階段地鐵建設(shè)主要采用盾構(gòu)隧道施工，但這種施工方式會造成現(xiàn)場周圍土體變形，擠壓附近地下管線，造成地下管線破損。本文將研究盾構(gòu)施工對于城市地下管線的影響，并提出在盾構(gòu)施工中保護(hù)地下管線的措施。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道施工；地下管線；影響；研究；措施

為緩解交通擁擠，節(jié)約寶貴的城市土地資源，北京、上海、廣州、武漢、深圳等二十多個大中城市都展開了大規(guī)模的地鐵建設(shè)。但各大城市經(jīng)過多年的建設(shè)發(fā)展，在地下敷設(shè)著大量、密集的供電、供水、污水、供暖、通信、天燃?xì)夤芫€，它們間距窄小，交錯縱橫，有些還超期服役，在盾構(gòu)施工中稍有不慎，就會釀成事故?！?010年9月長沙地鐵施工破壞天然氣管道，噴出3米高的氣柱長達(dá)一個多小時；2011年7月南京地鐵施工破壞燃?xì)夤艿?，?dǎo)致燃?xì)庑孤?，沿線居民停止供氣；2011年9月北京地鐵15噸施工破壞地下水管，導(dǎo)致候車大廳被水淹；2018年7月深圳地鐵施工在3天內(nèi)破壞7條電纜，挖爆供水主管道，致使沿線用戶停水停電。[1]——這就要求我們認(rèn)真研究如何降低盾構(gòu)施工對地下管線造成的不利影響。

一、盾構(gòu)施工對地下管線的影響

為減少地鐵建設(shè)對城市地面交通與居民生活的影響，現(xiàn)在一般采用盾構(gòu)法進(jìn)行全機(jī)械化施工：不開挖地面，而是將巨大的盾構(gòu)機(jī)向地中推進(jìn)，通過支撐性管片支撐住隧道，并開挖正前方土體，再運(yùn)出土體，依靠千斤頂在后方加壓推動盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，同時拼裝新的支撐性管片，形成地鐵隧道結(jié)構(gòu)。這種施工方法速度快，勞動強(qiáng)度低，施工人員少，不受氣候、降雨的影響，適用于軟土作業(yè)。

但盾構(gòu)施工，會破壞土體原平衡態(tài)，改變土體四周的應(yīng)力狀態(tài)，造成土體塑性變形與彈性變形，甚至引起地表沉降，繼而造成地下管線受到更大的附加應(yīng)力，發(fā)生位移、破損?！倬唧w分析，可以發(fā)現(xiàn)：

當(dāng)?shù)叵鹿芫€與地鐵隧道正交時，盾構(gòu)施工會造成管線豎向位移與水平位移，但管線的水平位移會不斷減少，而豎向位移卻不斷增大[2]；

當(dāng)?shù)叵鹿芫€與地鐵隧道平行時，盾構(gòu)施工同樣會造成管線豎向位移與水平位移，但管線的豎向位移與水平位移都會先增加再減少；

當(dāng)?shù)叵鹿芫€與地鐵隧道斜交時，盾構(gòu)施工對管線造成的水平位移變化不大，但隨著管線與隧道夾角變大，管線沉降槽寬度也會不斷變大。

此外，軟土土體含水量越大，盾構(gòu)施工對管線造成的附加應(yīng)力越大；而土體彈性模量越大，位移越小；地下管線直徑越大，長度越長，受盾構(gòu)施工影響越大；埋深超過4～6米的地下管線受盾構(gòu)施工的影響較?。划?dāng)?shù)叵鹿芫€與地鐵隧道垂直距離達(dá)20～30米時，受盾構(gòu)施工的影響會增大[3]；地下管線材料的剛度越大，受盾構(gòu)施工的影響越小，兩者成反比。

二、地鐵盾構(gòu)施工中保護(hù)地下管線的措施

（一）前期準(zhǔn)備

在施工前，必須邀請施工沿線地下管線的各家產(chǎn)權(quán)單位都拿出管線分布圖，并組織人員詳細(xì)調(diào)查核實，摸清所有地下管線的位置；然后，向全體施工人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底，讓每一個人員都心中有數(shù)，有備無患。

（二）掘進(jìn)試驗

正式施工前，必須先進(jìn)行試驗性掘進(jìn)，以掌握土體的實際情況，測定土壓力，摸清地面沉降與土體變形的規(guī)律。

（三）合理布置施工順序

如果地鐵隧道分為下行線和上行線，則不必開挖雙線兩端，而開挖雙線一端；先挖下行線，再挖上行線。這樣可以減少盾構(gòu)施工造成的土層變形。

（四）提高土體承載力

據(jù)測算，土體彈性模量為10兆帕?xí)r，管線豎向位移可達(dá)8毫米，水平位移可達(dá)17毫米；而當(dāng)本彈性模量為70兆帕?xí)r，管線的豎向位移會降到4毫米，水平位移可降到3毫米。[4]所以，對施工所到之處較松軟的土層，可先進(jìn)行注漿加固，提高土體彈性模量?！嗫稍诙軜?gòu)施工過程中，根據(jù)地面沉降監(jiān)測進(jìn)行同步注漿。注漿壓力控制在0.3兆帕左右，每環(huán)大約注漿3.3立方米～3.6立方米。在施工中若穿越砂性粉土層，還要進(jìn)行二次注漿。還要科學(xué)測算雙液漿配合比，保證漿液有較快的凝固速度。

（五）控制盾構(gòu)推進(jìn)速度

盾構(gòu)推進(jìn)越慢，對土體的擾動越小，但太慢的推進(jìn)速度又會延誤工期。所以，在穿越、接近地下管線時，盾構(gòu)推進(jìn)速度應(yīng)控制在每分鐘1厘米～每分鐘1.5厘米左右，每推進(jìn)25厘米（大約25分鐘），要停頓30分鐘，讓應(yīng)力充分釋放出來，再推進(jìn)25厘米，再停頓30分鐘，依此循環(huán)作業(yè)，直至穿過地下管線。

（六）控制出土量

出土量太大、出土速度太快，會造成地面沉降。這就需要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)開挖面與管片長度，計算每環(huán)的出土量（一般每環(huán)出土量為37.86立方米），這樣可以降低地面沉降。

（七）拼裝管片

盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后要等待幾分鐘，直到土體與盾構(gòu)機(jī)固結(jié)，再盡可能少的回縮千斤頂，然后從下到上拼裝管片。拼裝時前方土壓力一旦下降，應(yīng)反轉(zhuǎn)螺施機(jī)回填土體。拼裝速度要快，拼裝結(jié)束后應(yīng)盡快恢復(fù)向前推進(jìn)。

三、結(jié)語

隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，盾構(gòu)施工與地下管線必將發(fā)生更多、更頻繁的“親密接觸”。我們應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究，提高盾構(gòu)施工質(zhì)量，保護(hù)地下管線安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱葉艇，張桓，張子新，黃昕，劉寬.盾構(gòu)隧道推進(jìn)對鄰近地下管線影響的物理模型試驗研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（S2）：151-160.

[2]沈曉偉，王濤.盾構(gòu)隧道施工對地下管線影響的有限元分析[J].隧道建設(shè)，2010，30（06）：649-651.

[3]孫宇坤，吳為義，張土喬.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越地下管線引起的管線沉降分析[J].中國鐵道科學(xué)，2009，30（01）：80-85.

[4]吳為義，孫宇坤，張土喬.盾構(gòu)隧道施工對鄰近地下管線影響分析[J].中國鐵道科學(xué)，2008（03）：58-62.