小曲率半徑油氣管道盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)技術(shù)探討

張 磊，楊春玲，劉思萌，丁大鵬，苑紅濤，胡謀鵬

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

2中國(guó)石油化工股份有限公司天然氣分公司，北京

1.引言

盾構(gòu)隧道具有地層適應(yīng)性強(qiáng)、地層擾動(dòng)小、穿越距離長(zhǎng)等特點(diǎn)，已成為油氣管道非開挖穿越的一種重要方式。油氣管道盾構(gòu)穿越平面線形通常為直線，且縱斷面轉(zhuǎn)角曲率半徑均不小于1000 m [1]。某油氣盾構(gòu)隧道穿越市區(qū)，由于城市用地日益緊張，穿越平面路由在平面上進(jìn)行了多次轉(zhuǎn)角，且最小曲率半徑為300 m [2]。為確保工程的順利實(shí)施，特針對(duì)該小曲線半徑盾構(gòu)隧道進(jìn)行分析。

2.工程概述

某油氣管道盾構(gòu)隧道位于市區(qū)，盾構(gòu)隧道的平面路由政府指定，穿越軸線建構(gòu)筑物密集，超高層建筑比比皆是。盾構(gòu)隧道長(zhǎng)2745 m，內(nèi)徑3.08 m，平面上共有4 次水平轉(zhuǎn)角，依次為：35.75?、32.8?、23.57?、42.28?，各處轉(zhuǎn)角的曲率半徑分別為400 m、350 m、500 m、300 m，如圖1。

隧道穿越地層主要為細(xì)砂層和強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。通過(guò)穿越場(chǎng)區(qū)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，細(xì)砂層地質(zhì)描述為：黃褐色，飽和，中密，礦物成分以石英、長(zhǎng)石、云母等組成，顆粒均勻，級(jí)配良好，含黏性土約占5%～10%左右，有輕微縮孔現(xiàn)象，其中含零星礫石，粒徑10 mm，含量約10%，該層為強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)取30 m/d。粉砂質(zhì)泥巖地質(zhì)描述為：強(qiáng)風(fēng)化，棕、棕紅色，礦物成分主要為粘土礦物，次為長(zhǎng)石、石英、云母等。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀，局部層理較發(fā)育，巖質(zhì)軟，手扳易斷，失水干裂，吸水易軟化，巖芯多呈短柱狀(<10 cm)、塊狀及餅狀，RQD=0%～30%，巖石質(zhì)量為極差的～差的，巖體破碎，該層為中等透水層，滲透系數(shù)取0.2 m/d。

Figure 1.Plan of shield tunnel圖1.盾構(gòu)隧道平面圖

3.問(wèn)題的提出

由于已建油氣管道盾構(gòu)隧道平面線形均為直線，且縱斷面轉(zhuǎn)角曲率半徑不小于1000 m。而本盾構(gòu)隧道平面線形為曲線，且最小曲率半徑為300 m，在設(shè)計(jì)上會(huì)帶來(lái)三個(gè)方面的新問(wèn)題。

問(wèn)題一：直線盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)環(huán)片橫斷面上會(huì)受到盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部(圖2)千斤頂?shù)木鶆蝽斄?，如圖3。而在曲線盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程中，為滿足盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎的要求，背離盾構(gòu)前進(jìn)側(cè)的環(huán)片受到的千斤頂頂力大于轉(zhuǎn)彎側(cè)環(huán)片所受的頂力，且頂力的方向不垂直于環(huán)片橫斷面，頂力在橫斷面方向有一側(cè)向分力，如圖4。故環(huán)片將向產(chǎn)生一錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)量是否滿足規(guī)范的要求，從而決定了我們對(duì)千斤頂頂力的控制[3]。

Figure 2.Inside of shield machine圖2.盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部

Figure 3.Stress condition of segment of linear shield圖3.直線盾構(gòu)環(huán)片受力情況

Figure 4.Stress condition of segment of curved shield圖4.曲線盾構(gòu)環(huán)片受力情況

問(wèn)題二：直線盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程中，一般情況下盾構(gòu)開挖斷面為圓形，如圖5。而在曲線盾構(gòu)前進(jìn)過(guò)程匯總，為滿足盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的要求，通常在左右兩側(cè)會(huì)使用超挖刀，最終盾構(gòu)開挖斷面為橢圓型，如圖6。曲線盾構(gòu)的超挖將導(dǎo)致地層損失的加劇。在本工程中，隧道軸線距離一處高層建筑距離僅9 m，如圖7。而曲線盾構(gòu)的超挖將導(dǎo)致地層損失的加劇，故應(yīng)考察施工中地面的沉降對(duì)地面的建筑造成的影響[4]。

Figure 5.Excavation section of linear shield圖5.直線盾構(gòu)開挖斷面

Figure 6.Curved shield excavation section圖6.曲線盾構(gòu)開挖斷面

Figure 7.Curved shield excavation section圖7.曲線盾構(gòu)開挖斷面

問(wèn)題三：根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50423-2013)規(guī)定，盾構(gòu)隧道防水等級(jí)為二級(jí)。直線盾構(gòu)環(huán)片與環(huán)片之間縫隙較小且均勻，如圖8，通常環(huán)片間采用常規(guī)的防水方案(彈性橡膠密封墊單道防水方案)即可滿足二級(jí)防水的要求，如圖9。而曲線盾構(gòu)環(huán)片與環(huán)片之間縫隙并不均勻，曲線凸出側(cè)的縫隙將大于凹陷側(cè)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直線盾構(gòu)環(huán)片之間的縫隙，如圖10，故曲線隧道防水方案的選擇也是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵[5]。

Figure 8.Schematic diagram of gap between segment of linear shield圖8.直線盾構(gòu)環(huán)片與環(huán)片之間縫隙示意圖

Figure 9.Single waterproof scheme of elastic rubber gasket圖9.彈性橡膠密封墊單道防水方案

Figure 10.Schematic diagram of gap between segments of curved shield machine圖10.曲線盾構(gòu)環(huán)片與環(huán)片之間縫隙示意圖

4.盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程有限元模擬

4.1.模型的建立[6]

對(duì)曲線盾構(gòu)掘進(jìn)及環(huán)片安裝的施工過(guò)程進(jìn)行有限元實(shí)體建模，開挖長(zhǎng)度取50 環(huán)管片長(zhǎng)度，土體尺寸取隧道外徑外5 倍隧道開挖直徑，曲線曲率半徑為300 m。對(duì)環(huán)片分別施加頂力為250 t/m2、350 t/m2、450 t/m2、550 t/m2，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，找出頂力的合理取值，找出小曲率盾構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)性措施。

4.2.計(jì)算結(jié)果

4.2.1.環(huán)片頂力取值

環(huán)片錯(cuò)臺(tái)量計(jì)算[7]結(jié)果分別見圖11～14。環(huán)片頂力550 t/m2、450 t/m2、350 t/m2、250 t/m2時(shí)，環(huán)片錯(cuò)臺(tái)量分別為：22.7 mm、14.4 mm、6.4 mm、4.7 mm [7][8]。GB 50446-2008 根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50446-2008)規(guī)定，錯(cuò)臺(tái)量限值為8 mm [9]，故頂力取值450 t/m2和550 t/m2不滿足規(guī)范要求。考慮到施工速度，環(huán)片頂力取值為350 t/m2較為合理。

Figure 11.Dislocation of segments (Jacking Force F=550 t/m2)圖11.環(huán)片錯(cuò)臺(tái)量(頂力F=550 t/m2)

Figure 12.Dislocation of segments (Jacking Force F=450 t/m2)圖12.環(huán)片錯(cuò)臺(tái)量(頂力F=450 t/m2)

Figure 13.Dislocation of segments (Jacking Force F=350 t/m2)圖13.環(huán)片錯(cuò)臺(tái)量(頂力F=350 t/m2)

Figure 14.Dislocation of segments (Jacking Force F=250 t/m2)圖14.環(huán)片錯(cuò)臺(tái)量(頂力F=250 t/m2)

4.2.2.地面沉降校核

在350 t/m2頂力作用下，地面沉降量計(jì)算結(jié)果見圖15。在盾構(gòu)隧道頂約20 m 位置地面沉降量最大為16 mm，滿足行業(yè)內(nèi)對(duì)于地面沉降量限值30 mm 的要求[10]，故可以判定，本工程盾構(gòu)施工對(duì)地面建筑物不會(huì)造成影響。

Figure 15.Nephogram of soil settlement (Jacking Force F=350 t/m2)圖15.土體沉降云圖(頂力F=350 t/m2)

4.2.3.環(huán)片防水設(shè)計(jì)

常用的環(huán)片防水形式有單道防水、雙道防水和三道防水[11]，如圖16～18。在350 t/m2頂力作用下，環(huán)片的張開量計(jì)算結(jié)果見圖19，最大張開量為7 mm。通過(guò)三種接縫防水方案試驗(yàn)性能對(duì)比，張開量小于10 mm 時(shí)，雙道防水和三道防水均能滿足盾構(gòu)隧道二級(jí)防水等級(jí)的要求?？紤]到三道防水對(duì)截面受力的削弱太大，故選用雙道防水。

Figure 16.Single waterproof圖16.單道防水

Figure 17.Double waterproof圖17.雙道防水

Figure 18.Three waterproof圖18.三道防水

Figure 19.Segment opening (Jacking Force F=350 t/m2)圖19.環(huán)片張開量(頂力F=350 t/m2)

5.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)曲線盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程有限元模擬，為小曲率盾構(gòu)在環(huán)片頂力合理取值、地面沉降量、以及環(huán)片接縫的防水設(shè)計(jì)上提供了依據(jù)；對(duì)小曲率盾構(gòu)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的解決，使盾構(gòu)隧道曲率半徑突破1000 m 的限制，使平面線形布置更為靈活，為今后盾構(gòu)隧道平面線形設(shè)計(jì)提供了新的思路。