盾构穿越高危管线（燃气管、输油管）施工技术研究与应用

盾构穿越高危管线（燃气管、输油管）施工技术研究与应用

吴良生

 中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】盾构机是一种用于隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械设备，在当今的市政工程建设中被广泛运用。本文根据自己参建项目实践，重点阐述了盾构穿越高危管线（燃气管、输油管）施工方案与技术措施。技术团队通过对项目施工现场施工环境的研究分析，制定了系统的盾构施工技术施工方案且在施工过程中不断优化施工技术措施，确保了项目整体施工质量。

【关键词】工程重难点技术分析、施工关键技术研究、盾构掘进参数控制、设备各系统的维护保养、监控量测、应急预案。

一、工程概况

我们技术团队承接的城市综合管廊施工，采用盾构法施工，内径5.4米，外径6.28米全长4.58公里，两台盾构相向掘进，掘进长度分别为2531米、2049米。其中二期工程下穿城市阳光大道段需下穿燃气管（φ610，9.2MPa，净距8.1m）、中石化输油管（φ300，9.5MPa，净距7.7m）、壹根深燃气管（Φ400，0.3Mpa，与隧道净距9.4m）及一组协孚输油管（3根输油管+1根蒸汽管，与隧道净距9.3m）等多组高危管线。该段左右线线间距约15.2~16.2m，线路坡度为4.54‰~4.57‰，为相向掘进。

区间地质情况从上到下为填块石、粉质粘土、中砂、砂质黏性土、全风化花岗岩。其中，局部段发现填块石侵入隧道洞身情况，填块石粒径约0.2m ～ 1m，最大达1.2m；左、右线侵入长度分别为14.1m、73.5m，侵入深度最大分别为1.3m、2.4m。

                                                 图1项目施工区间线路平面图

二、工程重难点

1、复合地层穿越高危管线施工难度大

下穿高危管线段地层为不均匀地层，存在填块石侵入隧道洞身情况，穿越过程中盾构掘进参数控制难度大，技术要求高。

2、高危管线沉降控制要求高

根据产权单位及相关规范规定，管线的沉降及隆起控制值为10mm，差异沉降控制值为0.002L0，沉降速率控制值为2mm/d；且盾构穿越区域为前海填海地区，隧道顶填石层较厚，盾构掘进过程中易产生扰动，高危管线沉降控制难。

3、应急处置难

高危管线位于月亮湾大道南侧绿化带内，月亮湾大道为城市主干道（双向八车道）、车流量大，且高危管线分别为燃气管、输油管等高危管线 。一旦发生险情，将会对燃气管、输油管使用客户产生影响，甚至将会影响月亮湾大道正常通行以及过往行人安全。

三、施工关键技术

3.1穿越前技术准备

（1）为探明高危管线具体位置，穿越前结合设计图纸对现场进行实测放线，采取明挖探槽方式探明高危管线埋深、管径、类型、走向等情况，根据设计要求进行针对性加固。

（2）盾构穿越前对盾构设备进行检查，确保刀盘刀具、液压推进系统、盾尾尾刷、注浆管系统等完好。

（3）清点现场盾构穿越高危管线前所需相关物资，如盾尾油脂、泡沫剂、同步注浆材料、管片及管片螺栓等，确保物资充足，避免因材料缺失导致盾构非正常停机。

（4）在穿越高危管线前确保管理人员、技术人员、现场施工人员、后配套维修保养人员、地面监控人员、监测人员、地表巡视人员以及突发情况应急人员等落实到位。

（5）穿越高危管线线对所有盾构施工人员进行技术方案培训，并对每班盾构操作人员进行技术交底。

3.2穿越高危管线技术控制

3.2.1填石层范围查明

拟采用微动台阵探测+地质钻孔的方法来探明填块石层分布范围，分析填块石层侵入隧道洞身的情况，同时在距高危管线的3~5m处沿隧道轴线钻孔补勘，探明高危管线下方的地质情况，包括填块石层是否侵入隧道洞身、填块石层的块度大小等，为制定盾构穿越方案、措施提供决策依据。

图2 微动探测平面布置图                 图3 地质补堪平面布置图

3.2.2注浆加固

按照设计方案，通过在高危管线两侧采用钢花管交叉注浆提高管线范围土体抗变形强度以达到控制盾构穿越过程中高危管线沉降不超控的目的。

                                              图4钢花管注浆加固平面布置图

钢花管注浆加固范围为管线两侧周边边以外3m、管底以下5m，钻孔方式为斜孔；采用φ60，t=5mm钢花管，注浆孔间距0.8*0.8m，梅花形布置，长11m，注浆压力0.3MPa。

图5钢花管注浆D1型示意图            图6钢花管注浆预埋钻孔导向管示意图

（1）钻孔

钢花管注浆钻孔方式为斜孔，钻孔角度45°，为防止钻孔过程中触碰高危管线，事先对高危管线进行探槽摸清管线走向、标高及位置等并预埋φ150mmPVC管，通过φPVC管做导向管进行钻孔。

为防止孔内踏孔及对周边孔位干扰过大，用地质钻机XY-100配金刚石钻头+套管跟管钻进成孔，钻孔直径φ100mm，孔内造浆护壁，孔深应符合设计要求。钻孔施工分排分区进行，钻孔分为三序施工，先钻Ⅰ序孔在钻Ⅱ序孔最后Ⅲ序孔。

（2）钢花管制作

钢花管采用φ60，t=5mm钢管，端头制成封闭尖头，钢花管伸出地表500mm，地表下1m范围不钻注浆孔，其余长度钻注浆孔（长度D1型：11m，D2型：10m），孔径8~10mm，间距100~150mm，梅花形布置，钢花管注浆孔用胶带封堵，具体见下图。

                                                     图7钢花管大样图

（3）下钢花管

将制作好的钢花管下入孔中，钢花管下入完毕后将套管拔出，并将顶部距地表1m范围内钢花管与孔壁间隙用水泥砂浆进行封堵。

（4）注浆

在砂浆达到强度后进行注浆施工，注浆采用YZB-50/70双液压浆泵，压入式注浆，浆液水灰比1:1，注浆压力0.3MPa，扩散半径按400mm考虑，每孔注浆量（Ⅰ序孔6.5 m³，Ⅱ序孔5.5 m³，Ⅲ序孔3 m³）。出现压力急剧上升或出现压浆管剧烈抖动应立即停止压浆，并迅速打开回浆阀门，避免漏浆、爆管。

3.2.3盾构掘进参数控制

1、盾构掘进参数选取

1）盾构穿越高危管线采用土压平衡模式掘进，盾构穿越高危管线处掘进的土仓顶部建压计算如下：

P= k0γh+σ=0.5×18×10.5+10=104.5kN/m2=1.045bar

其中，k0=0.5；γ为掘进区域上方土体的平均重度，取18kN/m3；h为区间隧道埋深，查地质剖面图为10.5m；σ取10kN/m2 （压力波动不超过0.2bar）。

管片安装时利用保压系统来维持压力至设定值。

2）盾构在填块石层中掘进时，控制掘进速度10mm/min，刀盘转速：1.0rpm，刀盘扭矩不超过1500KN·m，推力根据地面监测及出渣情况适当调节。

3）出碴量：控制在60m³/环以内（理论出碴量为46.46m³/环，松方系数按1.3）。

4）同步注浆量：6～8m³/环（填充率150～200%）；注浆压力：注浆压力控制在2.5（底部）～3.5bar（底部）。

5）盾构轴线纠偏控制：刀盘到达高危管线影响区域前盾构姿态调整到设计轴线±20mm范围内，穿越高危管线区域期间原则上不进行调向，若需调向，每环纠偏量≤4mm。

6）渣土改良：根据现场的情况加入泡沫剂（泡沫剂每环50～60L）或膨润土浆液（12-14m3/环）。

7）盾尾油脂：约35kg/环；

8）二次注浆：对于盾尾后的管片进行二次补浆，压力控制在0.4Mpa以内。

2、做好同步注浆、二次注浆

1）改良同步注浆

每环理论同步注浆量为4.04m3。穿越高危管线段每环的压浆量提高到150%～200%，即每推进一环同步注浆量为6～8m³（具体实际根据监测数据进行调整），采用的浆液为可硬性浆液，浆液配比中将水泥掺量由200Kg提高至300Kg。浆液配比如表2-1所示。

表1  同步注浆浆液配合比（Kg/m3）：

水泥采用P·O42.5，严格控制细骨料质量，投料顺序按砂、水、膨润土、水泥、粉煤灰依次进行，搅拌时间（投料完毕后）控制在3分钟左右。初凝时间：<6h，稠度：7～9cm。

2）及时实施二次注浆

在Φ300中石化输油管之前15m至Φ610大鹏燃气管之后15m范围的管片，在其脱离盾尾3环后启动二次注浆。二次注浆采用1：1水泥-水玻璃双液浆，二次注浆注浆压力不大于0.4MPa，每环每孔注入量不大于0.5m3。水泥采用P·O42.5袋装水泥，水玻璃采用模数m = 216、浓度35Be′。

3、做好设备、物资保障

盾构穿越高危管线前，要做好以下设备及物资保障工作：

1）盾构各系统维保

对盾构管片安装机、注浆、液压、盾尾密封、铰接密封、电气、螺旋机闸门、皮带等各系统及重要组建进行了系统维保或更换，目前盾构机运行正常，性能完好，同时对库内配件进行了清点，库内易损配件充裕。

2）常规设备维保

定期邀请生产厂家对16T、45T门吊进行了设备检查和保养；对电瓶车各系统进行了系统保养，电瓶电池电量充足；对二次注浆设备进行细致检查，更换了老化配件。

3）确保其他物资、机械设备的供应

定期约谈管片生产运输、主要材料、设备供应、土方运输单位负责人，必须确保物料、设备的供应、渣土外运及时；并提请电力局确保电力供应，防止意外断电造成停机。穿越前联合监理对应急物资进行检查，确保应急物资到位。

4）盾构穿越前对盾构设备进行检查，确保刀盘刀具、液压推进系统、盾尾尾刷、注浆管系统等完好。

3.2.4监控量测

穿越高危管线期间，按照管线沉降控制要求，监测频率每天不少于4次，必要时进行连续监测，发现沉降出现预警时及时调整盾构参数，加大同步注浆量，必要时进行隧道内二次补强注浆。

（1）监测内容

高危管线（燃气管、输油管）的沉降变形。

（2）监测点布设方法与措施

施工前与各家燃气公司、石油公司以及中石化公司联系，对已有高危管线进行核实，并在施工前通过探槽以及管线物探确定管线位置与走向，将管线具体位置落实到具体地形图上，按管线单位要求进行监测点的埋设，尽量利用管线设施布设直接测点。

布设测点前首先放出隧道轴线位置，并在现场确定管线的具体走向，注浆加固施工前，在位于隧道范围的注浆区域内布设一监测点，并且在条件允许的情况下可直接在管线上布设沉降监测点和水平位移监测点，对于管线材质刚度较大的监测点，可在管线底旁500mm位置将监测点布置与土体上，具体措施如下图所示

                                                图8注浆施工管线监测措施

（3）监测报警值

根据产权单位的要求及相关规范规定，管线的沉降及隆起报警值为8mm，差异沉降报警值0.0016LO(LO为每节管道长度)；沉降及隆起控制值为10mm，差异沉降控制值0.002LO，沉降速率控制值2mm/d。在施工期间对管线进行严密的观测和监测，并将相关信息及时传递至施工现场，及时对信息进行分析，并根据分析结果对施工工艺、技术参数、施工顺序、施工速度等进行调整。

盾构穿越高危管线期间监测频率每天不少于4次，必要时进行连续监测。

3.2.5建立联动机制

在穿越高危管线施工前，与产权单位取得联系，建立“荔~铁区间穿越复杂环境工作群”，并将业主、监理以及产权单位相关人员加入群中，穿越过程中及时上传监测信息等。

3.3应急预案

盾构穿越高危管线前，成立以项目经理为组长的应急组织机构，并将产权单位相关人员纳入应急管理体系，明确各人员的分工和职责；针对潜在的风险，建立完善的安全事故应急预案，制定完善的各种意外情况下的各类应急救援预案和详细的汇报流程，落实应急救援需要的人员、设备、材料等资源配置。

同时，将高危管线预警分为黄色预警、橙色预警、红色预警、管线沉降超10mm且沉降变形未收敛，但管线未出现泄漏情况、高危管线出现泄漏情况5级预警，组织业主、监理、产权单位进行应急预案桌面推演以提高应急预案的可操作性、合理性。

四、结束语

通过上述措施，盾构穿越高危管线各项监测数据均未超限，高危管线最大沉降值为-3.3mm（控制值为±10mm），各管线运行安全，地表巡视无异常，施工过程可为后续类似区域穿越高危管线具有借鉴意义。

作者简介

姓名：吴良生、出生年月：1983年10月、性别：男、民族：汉、籍贯：广东省汕头市、学历（位）：大学本科，学士学位、职称：工程师  研究方向：盾构工程