特大盾构江中近距离下穿供水管道的风险设计

蒋颖 桑中顺 胡菊 刘华

摘  要：珠海十字门隧道下穿马骝洲水道入海口，为国内最大盾构隧道之一，管片外径15.2m。海中盾构段近距离下穿对澳供水管，净距3.79m，环境敏感，风险高，给对供水管道带来一定的影响，工程风险具有一点挑战性。针对这一现状，提出了一种基于施工、监测及风险分析于一体的设计方案，即利用一种基于布里渊光频域分析技术的（BOFDA）的光纤感测技术对供水管进行全自动化监测，对供水管的变形位移进行风险分析，并结合风险分析及时调整盾构掘进过程中施工控制，严格控制掘进面压力平衡，实现均衡、匀速的穿越，及时进行同步注浆与二次注浆的施工方案。

关键词：大盾构;供水管道;江底;同步注浆;二次注浆

中图分类号：TU470 文献标志码：A         文章编号：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

珠海十字门隧道过马骝仔水道段南起横琴新区荣粤道，北至香洲区会展中心，采用外径15.2m，内径13.9m，环宽2m的大盾构[1]。本工程盾构隧道段长940m，最大覆土24m。隧道于江中盾构下穿对澳供水，供水管最大的水压为0.45MPa。

供水管道为下穿马骝洲水道对澳供水管道[2]，该工程过马骝洲水道段主要包括2座顶管井及一段顶管，顶管采用DN1820钢管，壁厚为20mm。

目前，对澳供水管道穿越马骝洲水道段已施工完成，预计通水时间先于十字门隧道盾构段施工，十字门隧道盾构施工会对对澳供水管的管道沉降变形安全产生一定的影响。

与对澳供水管道相交段土层依次为淤泥、粉质粘土、淤泥质土、砾砂、砂质粘性土、全风化花岗岩。其中：对澳供水管道位于粉质粘土、淤泥质土、十字门隧道位于淤泥质土、砾砂、砂质粘性土。十字门隧道中心线与对澳供水管中心线平面夹角为33°，属于斜交情况，盾构隧道拱顶与供水隧道拱底之间净距为3.79m[3]。具体关系图如图2所示。

2 方案设计

泥水平衡式盾构具有对地层扰动小、沉降小，有效保证隧道沿线地面建筑、地下构筑物安全，且适用于高地下水压条件下的隧道施工，适用于大直径隧道，且施工速度快，施工工程中盾构体摆动小等特点。盾构采用复合式泥水加压盾构机[4][5]。

盾构段线路最小曲率半径600m，采用曲线半径约360m对应的84mm的楔形量。衬砌环采用9+1的分块方式，即1块封顶块F、2块邻接块L1～L2、7块标准块B1～B5共计10块管片组成。

拼装实行错缝拼装，管片的厚度为0.65m。接缝防水采用双道防水，内侧预留嵌缝槽，采用斜螺栓连接。隧道纵向沉降控制采用环间纵向螺栓连接，使隧道环具有一定的刚度，减少纵向沉降值。

3 施工方案及监测

（1）施工方案

盾构穿越期间加强施工管理，控制压力，确保盾构均衡、匀速掘进，减少开挖面土体扰动，开挖过程中应及时进行同步注浆。对澳供水管由于处于江底，且盾构掘进过程中，对澳供水管处于供水状况，无法实现有效的监测，需预设监测点对其变形、应力等需进行专项监测，专项监测建议有资质和类似经验的单位承担。

盾构管片设计有二次注浆孔，在穿越之后视专项监测情况决定是否打开注浆孔向外二次注浆对地层进行补偿。盾构穿越前应与供水管产权或管理单位进行沟通并征得其同意后方可施工。穿越时的盾构施工应急预案应与专项监测方案及供水管产权单位制定的供水应急预案等统筹考虑，有机结合。

（2）监测方案

本次监测拟采用基于布里渊光频域分析技术的（BOFDA）的光纤感测技术来实现对澳供水管道沉降及变形的光纤监测[6]。

采用高强度环氧固化胶黏贴在管线表面。与管线胶结在一起的感测光缆与管线协调变形，可以感知出管线的变形区域。该光缆为全面黏贴形式，可以实现小量程精细化测量。

安装时在管线上下及左右中心线对称部位，沿走向布设4道应变感测光缆，在混凝土表面使用环氧树脂胶粘贴固定传感光缆，使其与管线结构体耦合变形，从而达到监测管线结构变形的目的。采用此种传感光缆施工方便、测量精度高。对于大直径的圆形管线和方形沟槽，黏贴在管线内表面。

以供水管道的沉降及变形控制为研究目标，以岩土力学、有限元分析、統计分析学等相关学科的知识背景为理论基础，本次计算采用有限差分软件FLAC建模，对十字门隧道盾构对对澳供水管的影响进行计算分析，得到供水管道的沉降及变形值，结合实际工程，必要时采取相应的加固处理措施。

本项目采用基于智能测量仪器、无线网络和Web技术的在线监测信息系统，及时对管道的变形进行自动采集、实时传送，并通过移动客户端给管理人员提供有用的消息，形成监测数据采集、分析、预报一体化的信息网络。

（3）自动化实时监测系统软件系统

对澳供水管道自动化监测利用传感器技术、无线通信技术和计算机等技术手段，开发较为完善的实时监测平台。系统能有效地对十字门对供水管道的变形位移进行实时监测（如沉降、变形、位移等）传送给监测中心，通过智能网络对突发事进行准确的分析和判断，并且监测人员可以通过监控系统主动查询监测点的安全沉降，做出人为决策并发送控制指令，功能流程图如图4所示。

4 数值分析

本次计算分析采用FLAC进行，模拟盾构掘进过程中分步开挖及盾构管片的安装，及土层的再平衡的过程对对澳供水的变形影响，具体土层参数详见表1所示。

施工过程模拟进行17次掘进并施作17次衬砌结构施工进行模拟。开挖过程中及时对开挖周边进行注浆加固，并安装管片，并次模拟采用一次开挖，应力一次释放，然后施作一次衬砌结构的工序进行模拟，具体如图5、图6所示。

本次计算针对盾构掘进施工对对澳供水的沉降安全影响进行模拟分析，并计算对澳供水的变形。模拟盾构段掘进后，进行管片安装，该过程管片顶土层最大沉降变形为44mm，盾构底土层隆起变形为16mm，盾构两侧最大变形为36.5mm。同时通过分析可知，对澳供水管的下沉变形为7.1mm，水平方向最大侧向变形为6.2mm，均满足对澳供水管30mm变形控制保护标准。

5 结束语

本工程盾构隧道下穿马骝洲水道，并于江中下穿对澳供水管，二者竖向净距3.79m。盾构隧道采用15.2m的大盾构，掘进过程对供水管道产生一定的影响，给工程风险带来了较大的挑战。因此，盾构掘进过程中如何保证供水管道运营期安全是本工程的重点。针对这一现状，提出了一种基于施工、监测及风险分析于一体的施工方案，具体如下：

（1）盾构下穿供水管道需加强施工控制，严格控制好掘进面压力平衡，确保均衡、匀速的穿越，减少对开挖面土体的扰动，及时进行同步注浆。

（2）监测拟采用基于布里渊光频域分析技术的（BOFDA）的光纤感测技术对对澳供水管道沉降及变形进行监测。采用基于智能测量仪器、无线网络和Web技术的在线监测系统，对监测数据自动采集、传送，变形沉降通过移动端发送至管理者，实现全自动化的监控目的。

（3）通过数值模拟盾构隧道的施工顺序，以及施工过程中基坑开挖对对澳供水的影响进行分析。计算结果可知，供水管道的变形影响可控，满足变形控制标准。

（4）管片设计有二次注浆孔，在穿越之后视专项监测情况通过有限元分析，预测供水管道的变形沉降是否满足安全要求，决定是否打开注浆孔向外二次注浆对地层进行补偿。

参考文献：

[1]张旭辉，邢懿，杨平.大盾构隧道施工对周边敏感性建筑物的影响研究[J].地下空间与工程学报，2015，11（06）：1539-1544.

[2]朱庆华，黄剑锋，何勇，等.基于强度折减法的穿江管道抗浮稳定性分析[J].现代隧道技术，2019，56（01）：94-98+113.

[3]陈德国.盾构近距离下穿河底大直径承压管道施工关键技术[J].铁道建筑技术，2018（03）：102-106.

[4]王静.超大直径泥水盾构小半径曲线转弯研究[J].建筑机械化，2018，39（12）：65-66.

[5]马伟东.花岗岩地层泥水盾构施工技术研究[J].建筑机械化，2019（03）：49-51.

[6]王兴，施斌，魏广庆，等.土木与岩土工程监测新技术——BOFDA的性能与特点[J].防灾减灾工程学报，2015，35（06）：763-768.