淺埋暗挖法隧道下穿管線施工控制標準及控制措施研究*

周 偉 牛 斌 曾德光 郭 婷

(1.石家莊市軌道交通集團有限責任公司，050011，石家莊；2.北京城建設計發展集團股份有限公司，100037，北京 ∥ 第一作者，高級工程師)

隨著城市軌道交通的快速發展，城市軌道交通建設過程中的事故數量也呈上升趨勢。據統計, 地鐵施工中的地下管線斷裂和地面塌陷事故, 大部分都發生在大直徑地下管線有滲漏并采用礦山法施工的過程中[1]。淺埋暗挖法隧道下穿管線施工是一項綜合技術，對其控制標準及處理措施的研究尤為重要。本文以石家莊地鐵工程為例研究淺埋暗挖法隧道下穿管線施工控制標準及控制措施。

1 管線及空洞調查

1.1 管線調查內容

管線調查是施工工法選擇和措施應用的前提，管線調查資料應詳盡，需重點調查地下管線的類型、功能、材質、規格、坐標位置、走向、埋設方式、埋深、施工方法、建成年代、產權單位等內容[7]。各類管道的調查內容還應包括管節長度、接口形式、拐折點坐標、管徑變化位置、閥門或檢查井位置、載體特征(壓力、流量流向)、使用情況(正常、廢棄、滲漏)等。采用地下綜合管道共同溝的，調查內容還包括共同溝的結構形式、斷面尺寸、頂(底)板埋深、圍護結構形式、變形縫設置情況等。

1.2 調查范圍及精度要求

根據住房和城鄉建設部下發的《城市軌道交通工程周邊環境調查指南》，暗挖施工時，管線的調查范圍應不小于隧道結構外邊線兩側各30 m，同時不小于3倍設計底板埋深和3倍隧道開挖寬度，應取三者中的最大值。管線調查以中誤差作為衡量管線精度的標準，以2倍中誤差作為極限誤差[8]。

對于設計有特殊要求的，應根據設計計算的沉降槽寬度來進行管線范圍調查。同時，管線的調查精度應滿足設計要求，根據不同的位置和施工措施進行管線詳細核查。

1.3 管線周邊空洞排查

由于地下管線施工、滲漏等原因，地層中可能存在空洞或水囊。其存在對于暗挖施工風險很大，應進行排查。地下管線主要集中在不超過3 m深的范圍內，因此探地雷達可以滿足排查要求[9]。探地雷達探測技術是一種無損檢測手段，相比于面波、電法等物探方法，其具有探測速度快、探測過程連續、操作方便、分辨率高和對周邊環境影響小等特點，廣泛應用于鐵路、公路等大型土木工程的地質工程條件探測和質量評價等領域。

2 管線控制標準

在管線調查的基礎上，確定管線的安全現狀和控制標準，一般采用規范法、試驗法和數值分析法。

2.1 規范要求

1) GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》[7]規定：供水管線及直徑100～400 mm以下的燃氣管線沉降控制值為10～30 mm，雨污水管道的沉降控制值為10～20 mm，沉降控制速率為2 mm/d；直徑100～400 mm的燃氣管線差異沉降控制值為0.25%Lg/mm(Lg為管節長度)，雨污水管道及供水管線的差異沉降控制值為0.2%Lg/mm。

2) GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》規定：有壓剛性管道沉降控制值為10～20 mm，無壓剛性管道沉降控制值為10～30 mm，沉降速率控制值為2 mm/d；柔性管線沉降控制值為10～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d。

3) JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》規定：有壓剛性管道沉降控制值為10～30 mm，沉降速率控制值為1～3 mm/d；無壓剛性管道沉降控制值為10～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d；柔性管線沉降控制值為10～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d。

4) 上海市DGTJ 08-2001—2016《基坑工程施工監測規程》規定：供水、燃氣剛性管道沉降控制值為10～30 mm，變化速率為2～3 mm/d；電纜、通信等柔性管線沉降控制值為10～40 mm，變化速率為3～5 mm/d。

5) 廣東省DBJT 15-162—2019《建筑基坑施工監測技術標準》規定：有壓剛性管道沉降控制值為10～30 mm，沉降速率控制值為1～3 mm/d；無壓剛性管道和柔性管線的沉降控制值為20～40 mm，沉降速率控制值為3～5 mm/d。

從以上規范可以看出，目前管線沉降控制主要是從沉降值和沉降速率兩方面來進行控制，但是根據石家莊地鐵的施工監測結果，僅按照沉降值和沉降速率作為控制標準無法合理評價管線的安全狀態[6]，且無法滿足淺埋暗挖法的施工要求。《城市軌道交通工程監測技術規范》考慮了管線差異沉降的控制指標，但是其規定仍比較籠統。

2.2 試驗研究

在實驗室進行加載試驗，對管線的變形和受力狀態進行研究，分析其變形、應力、接頭轉角等允許值[10]。單獨的試驗管線可以取自現場改移的管線，也可以選用與原管線相同材質和接頭的管線。但是單獨的管線試驗無法考慮管線與土體的相互作用。

為分析管線與土體的相互作用、接頭剛度對管線沉降的影響，以及隧道開挖下管土脫開的現象，需要對暗挖施工與管線沉降進行整體試驗研究[11]。暗挖施工使管線產生縱向應力和變形，同時引起管線周圍土體模量下降，因此對暗挖施工與管線沉降進行整體試驗研究更符合工程實際。但是管線與土體的試驗參數對試驗結果會產生較大的影響。

2.3 計算分析

暗挖施工時的管線及地表沉降監測研究表明：當地下管線剛度較大時，管體與地層之間存在較大的差異沉降；地下管線整體變形與地層移動規律基本相同；隧道垂直下穿時，管體沉降曲線基本符合正態分布。通過Peck公式對隧道工程地表沉降預測數值進行修正，進而建立地下管線變形預測公式，再結合已有地層損失率研究成果,計算得出管線沉降槽寬度參數的參考取值[12]，或者建立“隧道-管道-土體”的三維有限元計算模型，并從沉降、變形和管-土相互作用等方面系統研究施工對鄰近接頭管道的影響[13]。因此，要準確分析隧道開挖產生的土體位移對管線的影響，應考慮地層位移沉降曲線、管段剛度及接頭剛度等影響因素，建立有接頭管線的工程評價方法，以分析隧道開挖對有接頭地埋管線的影響[14]。

2.4 管線控制標準建議

綜上，由于管線直徑、種類、接頭方式、使用條件、工程地質等的不同，無法采用某一種方法得到一個普適的標準。以石家莊地鐵工程為例，石家莊地下水位普遍在地下35～45 m之間，地鐵施工范圍無地下水，管線所處地層主要為黃土狀粉質黏土，地鐵車站和區間主要穿越黃土狀粉質黏土、粉細砂、中粗砂、粉質黏土等地層。結合石家莊地鐵工程施工的管線監測數據及分析計算，提出如表1所示的石家莊地層條件下不同管線的控制情況。其中，差異沉降控制值建議為2%～4%，接頭轉角控制值建議為1.0°～2.5°，沉降速率控制值建議為2～3 mm/d，有壓剛性管線控制值應比無壓剛性管線控制值更為嚴格[6]。對于實際工程中暗挖施工時管線普遍沉降超標的情況，建議超出沉降控制值后，將差異沉降和接頭轉角作為主要控制標準。

表1 石家莊地層條件下地鐵工程施工中不同管線控制情況

3 淺埋暗挖下穿管線施工風險分級

淺埋暗挖下穿管線施工風險分級是制定處理措施的前提。風險分級與管線現狀、暗挖工法、鄰近關系等多種因素有關。根據《軌道交通地下工程建設風險管理規范》[15]，管線按重要性分為2類：①重要管線——雨污水干管、中壓以上的煤氣管、直徑較大的自來水管、中水管、軍用光纜等，以及其他使用時間較長的鑄鐵管、承插式接口混凝土管等。②一般管線——小直徑雨污水管、低壓煤氣管、電信、通信、電力管(溝)等。淺埋暗挖下穿管線施工風險分級如表2所示，其中B為礦山法隧道毛洞寬度。

表2 淺埋暗挖下穿管線施工風險分級

表2中的風險分級，整體而言是合理的。但應注意施工方法及穿越、鄰近形式的不同，應結合管線保護要求和特點進行具體分析，同時可根據地質和地下水等情況進行風險等級的調整。

由于涉及工程措施費和風險管理費，以及對暗挖下穿管線的重視程度不夠，目前對于淺埋暗挖下穿管線施工，尤其是對于地鐵車站暗挖出入口下穿管線施工，普遍存在人為降低風險等級的情況。這對于風險控制是極其不利的。

4 管線處理及保護措施

4.1 管線遷改

部分工程人員存在一個誤區，認為采用暗挖法施工不需要或者不應當對管線進行改遷。這一思路應當轉變。對于暗挖施工影響較大、范圍較廣、質量差的管線，或者當管線改遷的費用小于暗挖處理措施的費用時，可以對管線進行改遷。如位于暗挖車站上方、沿車站縱向布置的某預制混凝土圓管，接頭為承插連接，且下部存在空洞和水囊，施工時可以將其改遷至暗挖車站一側。

4.2 廢棄管線回填

對于暗挖穿越范圍的廢棄管線，或者永久改遷后的廢棄管線，當管線位于拱頂范圍時，對于此部分管線，應回填泡沫混凝土將其填充密實后再施工；兩側采用拉筋磚回填，拉筋錨入兩側墻體內，中間采用鉆孔注漿方式進行分層回填[16]。當管線位于拱頂以下時，可僅在邊樁施工范圍內回填混凝土即可，其余部分可不處理；但是應排出管線內的積水，同時對檢查井進行封堵，避免對暗挖施工造成影響。

4.3 管線自身處理與加強措施

1) 內部支頂：對于較大直徑的管線，如電力管溝、人防管溝、雨污合流溝，可以采用內部臨時支頂加固方法進行處理。臨時支頂應根據管線使用情況進行布置。

2) 內襯修復與加固：對于大直徑的雨水管或方溝，可采用內襯法進行處理。在其內部鋪設柔性防水卷材,將接頭留在管線上方,采用與隧道防水相似的施工工藝處理縱向接頭,將防水卷材釘于管壁上，以減少管線滲透。對于直徑較小的雨水管、污水管，可以采用CIPP(現場固化法，又稱翻轉內襯法)翻轉內襯修復技術[17]、內襯增強技術或者不銹鋼內襯修復工藝等方法進行處理。

3) 管線原位更換：對于覆土較淺、管線質量較差或者接頭較弱的管線，當不具備遷改條件時，可以采用原位更換方式進行處理。如將混凝土管更換為鋼管，將波紋管調整為現澆混凝土管。對管道和接頭同時進行原位加強處理，以增加管線的抗滲及抗變形能力。

4) 管線接頭加強：對于部分結構質量較好，但是接頭較薄弱、承受不均勻沉降較差的管線，可以僅對暗挖施工影響范圍內的管線接頭進行加強處理。可以采用不銹鋼脹圈修復工藝，利用專用液壓設備，對不銹鋼脹圈施壓，將密封止水帶安裝固定在接口兩側，從而在接縫處建立長久性、密封性的軟連接，保證管線的正常運行。也可以采用不銹鋼發泡筒修復工藝，在一個定型的不銹鋼內芯結構上粘附海棉，通過預浸在海棉內的原料發生的化學反應將不銹鋼筒固定在待修部位，從而在管道接縫處形成具有長久性、密封性良好的剛性連接，使管道的接口錯位處、裂縫處不再發生滲漏。舊管道+不銹鋼芯筒的復合結構增強了舊管的結構強度。

4.4 管線外部保護控制措施

4.4.1 方案及工法的選擇

1) 應盡量避開線路平面上的管線，縱向穿越管線時應盡量避開從隧道正上方穿越，斷面方向穿越管線時宜正交穿越，應盡量加大隧道與管線豎向凈距。

2) 對于暗挖穿越的地層，尤其是拱頂部位的地層，應盡量選擇穩定性較好的地層，避免軟弱地層和地層交界面位置。

3) 開挖斷面的大小對管線沉降的影響較大，下穿重要管線時應盡量采用小斷面穿越。如兩線之間存在交叉渡線區域時，渡線區域暗挖大斷面應避開重要管線。

4) 應盡量選擇沉降控制較好的工法[18]，并采取輔助控制措施。

4.4.2 控制措施

淺埋暗挖施工前應進行超前探測，探測長度不小于10 m，發現空洞或者水囊應進行填充注漿。穿越管線時，可以采用管棚、管幕[19]、水平旋噴、深孔注漿、超前小導管等措施。對于重要管線和接頭較差的管線，也可以采用地面注漿或者洞內注漿對管線周邊土體進行加固，增強管線的接頭抗變形能力。初襯及二襯施工完成后，應及時進行背后回填注漿，初襯背后注漿深度不小于0.5 m。同時，加強工后沉降監測，對于重要的管線必要時應進行地質雷達掃描，檢查管線下方是否存在空洞并及時予以處理。

4.5 管線暫停使用

對于非工業供熱管線，應盡量避開供暖季施工。下穿雨水管施工時，應盡量避開雨季施工。對于雨水、污水等管線，也需采取臨時導流等措施。

5 管線施工應急處理措施

1) 建立分級應急指揮系統。政府、地鐵公司、施工單位應建立多級應急指揮系統，統一管理管線應急情況。

2) 建立協調工作機制。施工前管線排查及交底應邀請產權單位出席，詳細了解管線現狀及使用情況。熟悉施工區域管線閥門位置等情況，便于事故時的緊急處置。加強各管線產權單位的橫向協調，同時加強與消防、公安的聯系，并與醫院建立救援聯絡[20]。

3) 細化應急預案。根據暗挖施工、地層和管線情況，分類制定詳細且實用性強的應急預案。

4) 加強應急演練和救援培訓。通過演練檢驗和評估應急預案的可行性，為改進應急預案、提高其可操作性打下基礎。同時，要檢驗應急救援機制運行情況，鍛煉應急救援隊伍，提高危機意識和應對能力。

6 結論

1) 淺埋暗挖法下穿管線是一項綜合技術，涉及管線調查及空洞排查、控制標準、風險分級、處理措施、應急處理等內容。

2) 管線調查資料是前提，調查應詳盡、調查范圍和精度應滿足設計和施工要求，重點部位應進行空洞排查。

3) 對于剛性管線，建議以差異沉降為主要控制標準；對于柔性管線，建議以接頭轉角為主要控制標準。

4) 風險分級和處理措施應根據暗挖工法、管線現狀等選擇合理方案。處理措施包含管線自身處理措施和暗挖施工保護措施。

5) 風險管理和應急處理也是暗挖鄰近管線施工的一個重要方面，應建立分級應急指揮系統和各單位的協調工作機制，同時細化應急預案并加強應急演練和救援培訓。

下一步還應建設地下管線綜合信息管理系統，加強地下管線信息采集和資源共享，實行動態維護和管理，并加強暗挖施工前后的管線評估工作。