特大盾構江中近距離下穿供水管道的風險設計

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海口，為國內最大盾構隧道之一，管片外徑15.2m。海中盾構段近距離下穿對澳供水管，凈距3.79m，環境敏感，風險高，給對供水管道帶來一定的影響，工程風險具有一點挑戰性。針對這一現狀，提出了一種基于施工、監測及風險分析于一體的設計方案，即利用一種基于布里淵光頻域分析技術的（BOFDA）的光纖感測技術對供水管進行全自動化監測，對供水管的變形位移進行風險分析，并結合風險分析及時調整盾構掘進過程中施工控制，嚴格控制掘進面壓力平衡，實現均衡、勻速的穿越，及時進行同步注漿與二次注漿的施工方案。

關鍵詞：大盾構;供水管道;江底;同步注漿;二次注漿

中圖分類號：TU470 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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榮粵道，北至香洲區會展中心，采用外徑15.2m，內徑13.9m，環寬2m的大盾構[1]。本工程盾構隧道段長940m，最大覆土24m。隧道于江中盾構下穿對澳供水，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，對澳供水管道穿越馬騮洲水道段已施工完成，預計通水時間先于十字門隧道盾構段施工，十字門隧道盾構施工會對對澳供水管的管道沉降變形安全產生一定的影響。

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

2 方案設計

泥水平衡式盾構具有對地層擾動小、沉降小，有效保證隧道沿線地面建筑、地下構筑物安全，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，施工工程中盾構體擺動小等特點。盾構采用復合式泥水加壓盾構機[4][5]。

盾構段線路最小曲率半徑600m，采用曲線半徑約360m對應的84mm的楔形量。襯砌環采用9+1的分塊方式，即1塊封頂塊F、2塊鄰接塊L1～L2、7塊標準塊B1～B5共計10塊管片組成。

拼裝實行錯縫拼裝，管片的厚度為0.65m。接縫防水采用雙道防水，內側預留嵌縫槽，采用斜螺栓連接。隧道縱向沉降控制采用環間縱向螺栓連接，使隧道環具有一定的剛度，減少縱向沉降值。

3 施工方案及監測

（1）施工方案

盾構穿越期間加強施工管理，控制壓力，確保盾構均衡、勻速掘進，減少開挖面土體擾動，開挖過程中應及時進行同步注漿。對澳供水管由于處于江底，且盾構掘進過程中，對澳供水管處于供水狀況，無法實現有效的監測，需預設監測點對其變形、應力等需進行專項監測，專項監測建議有資質和類似經驗的單位承擔。

盾構管片設計有二次注漿孔，在穿越之后視專項監測情況決定是否打開注漿孔向外二次注漿對地層進行補償。盾構穿越前應與供水管產權或管理單位進行溝通并征得其同意后方可施工。穿越時的盾構施工應急預案應與專項監測方案及供水管產權單位制定的供水應急預案等統籌考慮，有機結合。

（2）監測方案

本次監測擬采用基于布里淵光頻域分析技術的（BOFDA）的光纖感測技術來實現對澳供水管道沉降及變形的光纖監測[6]。

采用高強度環氧固化膠黏貼在管線表面。與管線膠結在一起的感測光纜與管線協調變形，可以感知出管線的變形區域。該光纜為全面黏貼形式，可以實現小量程精細化測量。

安裝時在管線上下及左右中心線對稱部位，沿走向布設4道應變感測光纜，在混凝土表面使用環氧樹脂膠粘貼固定傳感光纜，使其與管線結構體耦合變形，從而達到監測管線結構變形的目的。采用此種傳感光纜施工方便、測量精度高。對于大直徑的圓形管線和方形溝槽，黏貼在管線內表面。

以供水管道的沉降及變形控制為研究目標，以巖土力學、有限元分析、統計分析學等相關學科的知識背景為理論基礎，本次計算采用有限差分軟件FLAC建模，對十字門隧道盾構對對澳供水管的影響進行計算分析，得到供水管道的沉降及變形值，結合實際工程，必要時采取相應的加固處理措施。

本項目采用基于智能測量儀器、無線網絡和Web技術的在線監測信息系統，及時對管道的變形進行自動采集、實時傳送，并通過移動客戶端給管理人員提供有用的消息，形成監測數據采集、分析、預報一體化的信息網絡。

（3）自動化實時監測系統軟件系統

對澳供水管道自動化監測利用傳感器技術、無線通信技術和計算機等技術手段，開發較為完善的實時監測平臺。系統能有效地對十字門對供水管道的變形位移進行實時監測（如沉降、變形、位移等）傳送給監測中心，通過智能網絡對突發事進行準確的分析和判斷，并且監測人員可以通過監控系統主動查詢監測點的安全沉降，做出人為決策并發送控制指令，功能流程圖如圖4所示。

4 數值分析

本次計算分析采用FLAC進行，模擬盾構掘進過程中分步開挖及盾構管片的安裝，及土層的再平衡的過程對對澳供水的變形影響，具體土層參數詳見表1所示。

施工過程模擬進行17次掘進并施作17次襯砌結構施工進行模擬。開挖過程中及時對開挖周邊進行注漿加固，并安裝管片，并次模擬采用一次開挖，應力一次釋放，然后施作一次襯砌結構的工序進行模擬，具體如圖5、圖6所示。

本次計算針對盾構掘進施工對對澳供水的沉降安全影響進行模擬分析，并計算對澳供水的變形。模擬盾構段掘進后，進行管片安裝，該過程管片頂土層最大沉降變形為44mm，盾構底土層隆起變形為16mm，盾構兩側最大變形為36.5mm。同時通過分析可知，對澳供水管的下沉變形為7.1mm，水平方向最大側向變形為6.2mm，均滿足對澳供水管30mm變形控制保護標準。

5 結束語

本工程盾構隧道下穿馬騮洲水道，并于江中下穿對澳供水管，二者豎向凈距3.79m。盾構隧道采用15.2m的大盾構，掘進過程對供水管道產生一定的影響，給工程風險帶來了較大的挑戰。因此，盾構掘進過程中如何保證供水管道運營期安全是本工程的重點。針對這一現狀，提出了一種基于施工、監測及風險分析于一體的施工方案，具體如下：

（1）盾構下穿供水管道需加強施工控制，嚴格控制好掘進面壓力平衡，確保均衡、勻速的穿越，減少對開挖面土體的擾動，及時進行同步注漿。

（2）監測擬采用基于布里淵光頻域分析技術的（BOFDA）的光纖感測技術對對澳供水管道沉降及變形進行監測。采用基于智能測量儀器、無線網絡和Web技術的在線監測系統，對監測數據自動采集、傳送，變形沉降通過移動端發送至管理者，實現全自動化的監控目的。

（3）通過數值模擬盾構隧道的施工順序，以及施工過程中基坑開挖對對澳供水的影響進行分析。計算結果可知，供水管道的變形影響可控，滿足變形控制標準。

（4）管片設計有二次注漿孔，在穿越之后視專項監測情況通過有限元分析，預測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地層進行補償。

參考文獻：

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

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

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

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

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

[6]王興，施斌，魏廣慶，等.土木與巖土工程監測新技術——BOFDA的性能與特點[J].防災減災工程學報，2015，35（06）：763-768.