特大盾構(gòu)江中近距離下穿供水管道的風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)

蔣穎 桑中順 胡菊 劉華

摘 ?要：珠海十字門隧道下穿馬騮洲水道入?？?，為國內(nèi)最大盾構(gòu)隧道之一，管片外徑15.2m。海中盾構(gòu)段近距離下穿對(duì)澳供水管，凈距3.79m，環(huán)境敏感，風(fēng)險(xiǎn)高，給對(duì)供水管道帶來一定的影響，工程風(fēng)險(xiǎn)具有一點(diǎn)挑戰(zhàn)性。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了一種基于施工、監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析于一體的設(shè)計(jì)方案，即利用一種基于布里淵光頻域分析技術(shù)的（BOFDA）的光纖感測(cè)技術(shù)對(duì)供水管進(jìn)行全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，對(duì)供水管的變形位移進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)過程中施工控制，嚴(yán)格控制掘進(jìn)面壓力平衡，實(shí)現(xiàn)均衡、勻速的穿越，及時(shí)進(jìn)行同步注漿與二次注漿的施工方案。

關(guān)鍵詞：大盾構(gòu);供水管道;江底;同步注漿;二次注漿

中圖分類號(hào)：TU470 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0082-03

Abstract： Zhuhai Cross Gate Tunnel， one of the largest shield tunnels in China， is one of the largest shield tunnels in China， with an outer diameter of 15.2m. The shield section in the sea runs through the Australian water supply pipe at close range， the net distance is 3.79m， the environment is sensitive， the risk is high， which brings certain influence to the water supply pipeline， and the engineering risk is a little challenging. In view of this situation， a design scheme based on construction， monitoring and risk analysis is proposed， that is， an optical fiber sensing technology based on brillouin optical frequency domain analysis（BOFDA） technology is used to monitor the water supply pipe automatically. The risk analysis of the deformation and displacement of the water supply pipe is carried out， and the construction control in the process of shield tunneling is adjusted in time in combination with the risk analysis， the pressure balance of the excavation surface is strictly controlled， and the balanced and uniform passage is realized. The construction scheme of synchronous grouting and secondary grouting is carried out in time.

Keywords： large shield; water supply pipeline; river bottom; synchronous grouting; secondary grouting

1 工程概況

珠海十字門隧道過馬騮仔水道段南起橫琴新區(qū)榮粵道，北至香洲區(qū)會(huì)展中心，采用外徑15.2m，內(nèi)徑13.9m，環(huán)寬2m的大盾構(gòu)[1]。本工程盾構(gòu)隧道段長940m，最大覆土24m。隧道于江中盾構(gòu)下穿對(duì)澳供水，供水管最大的水壓為0.45MPa。

供水管道為下穿馬騮洲水道對(duì)澳供水管道[2]，該工程過馬騮洲水道段主要包括2座頂管井及一段頂管，頂管采用DN1820鋼管，壁厚為20mm。

目前，對(duì)澳供水管道穿越馬騮洲水道段已施工完成，預(yù)計(jì)通水時(shí)間先于十字門隧道盾構(gòu)段施工，十字門隧道盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)對(duì)澳供水管的管道沉降變形安全產(chǎn)生一定的影響。

與對(duì)澳供水管道相交段土層依次為淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、礫砂、砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖。其中：對(duì)澳供水管道位于粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、十字門隧道位于淤泥質(zhì)土、礫砂、砂質(zhì)粘性土。十字門隧道中心線與對(duì)澳供水管中心線平面夾角為33°，屬于斜交情況，盾構(gòu)隧道拱頂與供水隧道拱底之間凈距為3.79m[3]。具體關(guān)系圖如圖2所示。

2 方案設(shè)計(jì)

泥水平衡式盾構(gòu)具有對(duì)地層擾動(dòng)小、沉降小，有效保證隧道沿線地面建筑、地下構(gòu)筑物安全，且適用于高地下水壓條件下的隧道施工，適用于大直徑隧道，且施工速度快，施工工程中盾構(gòu)體擺動(dòng)小等特點(diǎn)。盾構(gòu)采用復(fù)合式泥水加壓盾構(gòu)機(jī)[4][5]。

盾構(gòu)段線路最小曲率半徑600m，采用曲線半徑約360m對(duì)應(yīng)的84mm的楔形量。襯砌環(huán)采用9+1的分塊方式，即1塊封頂塊F、2塊鄰接塊L1～L2、7塊標(biāo)準(zhǔn)塊B1～B5共計(jì)10塊管片組成。

拼裝實(shí)行錯(cuò)縫拼裝，管片的厚度為0.65m。接縫防水采用雙道防水，內(nèi)側(cè)預(yù)留嵌縫槽，采用斜螺栓連接。隧道縱向沉降控制采用環(huán)間縱向螺栓連接，使隧道環(huán)具有一定的剛度，減少縱向沉降值。

3 施工方案及監(jiān)測(cè)

（1）施工方案

盾構(gòu)穿越期間加強(qiáng)施工管理，控制壓力，確保盾構(gòu)均衡、勻速掘進(jìn)，減少開挖面土體擾動(dòng)，開挖過程中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行同步注漿。對(duì)澳供水管由于處于江底，且盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對(duì)澳供水管處于供水狀況，無法實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)，需預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)其變形、應(yīng)力等需進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，專項(xiàng)監(jiān)測(cè)建議有資質(zhì)和類似經(jīng)驗(yàn)的單位承擔(dān)。

盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)有二次注漿孔，在穿越之后視專項(xiàng)監(jiān)測(cè)情況決定是否打開注漿孔向外二次注漿對(duì)地層進(jìn)行補(bǔ)償。盾構(gòu)穿越前應(yīng)與供水管產(chǎn)權(quán)或管理單位進(jìn)行溝通并征得其同意后方可施工。穿越時(shí)的盾構(gòu)施工應(yīng)急預(yù)案應(yīng)與專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案及供水管產(chǎn)權(quán)單位制定的供水應(yīng)急預(yù)案等統(tǒng)籌考慮，有機(jī)結(jié)合。

（2）監(jiān)測(cè)方案

本次監(jiān)測(cè)擬采用基于布里淵光頻域分析技術(shù)的（BOFDA）的光纖感測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)澳供水管道沉降及變形的光纖監(jiān)測(cè)[6]。

采用高強(qiáng)度環(huán)氧固化膠黏貼在管線表面。與管線膠結(jié)在一起的感測(cè)光纜與管線協(xié)調(diào)變形，可以感知出管線的變形區(qū)域。該光纜為全面黏貼形式，可以實(shí)現(xiàn)小量程精細(xì)化測(cè)量。

安裝時(shí)在管線上下及左右中心線對(duì)稱部位，沿走向布設(shè)4道應(yīng)變感測(cè)光纜，在混凝土表面使用環(huán)氧樹脂膠粘貼固定傳感光纜，使其與管線結(jié)構(gòu)體耦合變形，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)管線結(jié)構(gòu)變形的目的。采用此種傳感光纜施工方便、測(cè)量精度高。對(duì)于大直徑的圓形管線和方形溝槽，黏貼在管線內(nèi)表面。

以供水管道的沉降及變形控制為研究目標(biāo)，以巖土力學(xué)、有限元分析、統(tǒng)計(jì)分析學(xué)等相關(guān)學(xué)科的知識(shí)背景為理論基礎(chǔ)，本次計(jì)算采用有限差分軟件FLAC建模，對(duì)十字門隧道盾構(gòu)對(duì)對(duì)澳供水管的影響進(jìn)行計(jì)算分析，得到供水管道的沉降及變形值，結(jié)合實(shí)際工程，必要時(shí)采取相應(yīng)的加固處理措施。

本項(xiàng)目采用基于智能測(cè)量?jī)x器、無線網(wǎng)絡(luò)和Web技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)管道的變形進(jìn)行自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)傳送，并通過移動(dòng)客戶端給管理人員提供有用的消息，形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)報(bào)一體化的信息網(wǎng)絡(luò)。

（3）自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

對(duì)澳供水管道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)利用傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)等技術(shù)手段，開發(fā)較為完善的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。系統(tǒng)能有效地對(duì)十字門對(duì)供水管道的變形位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（如沉降、變形、位移等）傳送給監(jiān)測(cè)中心，通過智能網(wǎng)絡(luò)對(duì)突發(fā)事進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和判斷，并且監(jiān)測(cè)人員可以通過監(jiān)控系統(tǒng)主動(dòng)查詢監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安全沉降，做出人為決策并發(fā)送控制指令，功能流程圖如圖4所示。

4 數(shù)值分析

本次計(jì)算分析采用FLAC進(jìn)行，模擬盾構(gòu)掘進(jìn)過程中分步開挖及盾構(gòu)管片的安裝，及土層的再平衡的過程對(duì)對(duì)澳供水的變形影響，具體土層參數(shù)詳見表1所示。

施工過程模擬進(jìn)行17次掘進(jìn)并施作17次襯砌結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行模擬。開挖過程中及時(shí)對(duì)開挖周邊進(jìn)行注漿加固，并安裝管片，并次模擬采用一次開挖，應(yīng)力一次釋放，然后施作一次襯砌結(jié)構(gòu)的工序進(jìn)行模擬，具體如圖5、圖6所示。

本次計(jì)算針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)對(duì)澳供水的沉降安全影響進(jìn)行模擬分析，并計(jì)算對(duì)澳供水的變形。模擬盾構(gòu)段掘進(jìn)后，進(jìn)行管片安裝，該過程管片頂土層最大沉降變形為44mm，盾構(gòu)底土層隆起變形為16mm，盾構(gòu)兩側(cè)最大變形為36.5mm。同時(shí)通過分析可知，對(duì)澳供水管的下沉變形為7.1mm，水平方向最大側(cè)向變形為6.2mm，均滿足對(duì)澳供水管30mm變形控制保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

本工程盾構(gòu)隧道下穿馬騮洲水道，并于江中下穿對(duì)澳供水管，二者豎向凈距3.79m。盾構(gòu)隧道采用15.2m的大盾構(gòu)，掘進(jìn)過程對(duì)供水管道產(chǎn)生一定的影響，給工程風(fēng)險(xiǎn)帶來了較大的挑戰(zhàn)。因此，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中如何保證供水管道運(yùn)營期安全是本工程的重點(diǎn)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了一種基于施工、監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)分析于一體的施工方案，具體如下：

（1）盾構(gòu)下穿供水管道需加強(qiáng)施工控制，嚴(yán)格控制好掘進(jìn)面壓力平衡，確保均衡、勻速的穿越，減少對(duì)開挖面土體的擾動(dòng)，及時(shí)進(jìn)行同步注漿。

（2）監(jiān)測(cè)擬采用基于布里淵光頻域分析技術(shù)的（BOFDA）的光纖感測(cè)技術(shù)對(duì)對(duì)澳供水管道沉降及變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用基于智能測(cè)量?jī)x器、無線網(wǎng)絡(luò)和Web技術(shù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳送，變形沉降通過移動(dòng)端發(fā)送至管理者，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的監(jiān)控目的。

（3）通過數(shù)值模擬盾構(gòu)隧道的施工順序，以及施工過程中基坑開挖對(duì)對(duì)澳供水的影響進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果可知，供水管道的變形影響可控，滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

（4）管片設(shè)計(jì)有二次注漿孔，在穿越之后視專項(xiàng)監(jiān)測(cè)情況通過有限元分析，預(yù)測(cè)供水管道的變形沉降是否滿足安全要求，決定是否打開注漿孔向外二次注漿對(duì)地層進(jìn)行補(bǔ)償。

參考文獻(xiàn)：

[1]張旭輝，邢懿，楊平.大盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊敏感性建筑物的影響研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2015，11（06）：1539-1544.

[2]朱慶華，黃劍鋒，何勇，等.基于強(qiáng)度折減法的穿江管道抗浮穩(wěn)定性分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（01）：94-98+113.

[3]陳德國.盾構(gòu)近距離下穿河底大直徑承壓管道施工關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2018（03）：102-106.

[4]王靜.超大直徑泥水盾構(gòu)小半徑曲線轉(zhuǎn)彎研究[J].建筑機(jī)械化，2018，39（12）：65-66.

[5]馬偉東.花崗巖地層泥水盾構(gòu)施工技術(shù)研究[J].建筑機(jī)械化，2019（03）：49-51.

[6]王興，施斌，魏廣慶，等.土木與巖土工程監(jiān)測(cè)新技術(shù)——BOFDA的性能與特點(diǎn)[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2015，35（06）：763-768.