0 引言

　　随着城市建设的发展，与人民生活息息相关的地下管路逐渐密集，尤其是重大能源输送管路的安全更是影响到国家发展^[1,2,3]。随着城市地下轨道交通的持续建设，地铁盾构施工下穿城市既有建筑物的工程较多，已经积累了大量的成功经验，但是穿越重大能源输送管线的工程鲜有报道^{[4,5,6,7,8,9]}。由于盾构开挖过程中，不可避免地会对周边地层产生扰动，造成应力释放，一旦造成地下能源管线的破坏，将造成难以弥补的严重后果^[10,11]。

　　本文以新建苏州城市轨道交通S1线唯亭站—阳澄湖南站区间下穿西气东输能源管路工程为背景，研究地铁盾构施工中下穿大型天然气管路的施工技术，以期为类似工程提供技术参考。

　　1 工程概况

　　苏州轨道交通S1号线唯亭站—阳澄湖南站盾构区间采用土压平衡式盾构机进行掘进，隧道断面为常规圆形断面，外径6.6m。盾构区间从阳澄湖南站西端头始发，唯亭站接收。盾构区间衬砌为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C50，抗渗等级P10，衬砌环外径6.6m，内径5.9m，宽1.2m，厚0.35m。

　　本区间在里程ZDK0+784(左线996环)，YDK0+800(右线980环)附近下穿直径1 016mm西气东输管路。隧道下穿段宽度约为25m，地面高程为2.272～2.587m。西气东输高压燃气管与右线隧道顶竖向净距为13.09m，与左线隧道顶竖向净距为13.07m。管底标高为0.127～0.255m，管线与区间隧道夹角约99°(见图1)。下穿西气东输管路风险等级为Ⅱ级，处理后的风险等级为Ⅲ级。

　　

　　图1 盾构下穿西气东输管线示意 

　　 

　　2 地质水文条件

　　2.1 地层分布

　　盾构区间下穿输气管路段，地层自下至上依次为(6)₂粉质黏土层、(6)₁黏土、(5)₁粉质黏土、(4)₂粉砂夹粉土、(3)₃粉土、(3)₂粉质黏土、(3)₁黏土、(1)₃素填土。西气东输管路主要位于(1)₃素填土层，盾构穿越地层主要为(4)₂粉砂夹粉土、(5)₁粉质黏土、(6)₁黏土层，如图2所示。

　　

　　图2 地层剖面  

　　 

　　2.2 地下水分布

　　本场区地下水分潜水、微承压水及承压水3类。

　　2.2.1 潜水

　　潜水主要赋存于浅部填土层中，实测潜水稳定水位为0.510～0.900m。

　　2.2.2 微承压水

　　微承压含水层由晚更新世沉积成因的(3)₃粉土层、(4)₂粉砂夹粉土层组成，其透水性及赋水性中等。隔水底板为(5)₁粉质黏土层，隔水顶板为(3)₁黏土、(3)₂粉质黏土层，具有微承压性。实测微承压水稳定水位为0.600～0.700m。

　　2.2.3 承压水

　　隔水顶板为(6)₁黏土、(6)₂粉质黏土和(7)₁粉质黏土层，隔水底板为(7)₃粉质黏土层，具有承压性。承压含水层水头标高约-2.500m，年变幅约1m。

　　3 下穿管路盾构施工风险分析

　　3.1 风险分析

　　西气东输管路是我国距离最长、口径最大的带压输气道管。本工程涉及的西气东输燃气管路管径1 016mm，壁厚26.2mm，设计压力10.0MPa，材质为X70钢，管路外防腐层采用双层环氧粉末喷涂;定向钻及石方段管路外防腐层采用加强级三层聚乙烯。盾构施工过程中若出现管路沉降或破裂等问题，将造成难以估计的损失和影响^[12]，施工风险极大。

　　3.1.1 隧道上部土层的影响

　　隧道上部土体较为软弱，盾构机在掘进过程中易对周围土体产生扰动，若控制不当，可能造成上部土体变形，影响燃气管路的安全。

　　3.1.2 管路损坏风险

　　该条燃气管道为带压管道，埋深大，不易修复。盾构机在掘进过程中，注浆及掘进参数设置不合理都极易造成管线变形、破损。

　　3.1.3 掘进过程中遇突发状况

　　如遇突发状况而未得到正确处理，难免会引发二次事故，产生更大的经济损失。因此，针对掘进过程中可能出现的险情要做好应急预案。

　　3.2 安全保护标准

　　西气东输高压燃气管设计的变形控制标准如表1所示。

　　  

　　表1 西气东输高压燃气管设计变形标准 

　　 

　　 

　　

　　表1 西气东输高压燃气管设计变形标准

　　应通过严格控制地层损失率、控制沉降。根据peck沉降理论计算结果，当地层损失率≤0.5%时，盾构穿越区段地面最大沉降约为7.5mm，满足要求。

　　4 下穿管路盾构施工技术

　　4.1 盾构机选型及刀具配置

　　对国内外盾构机选型进行比较，参考已有工程盾构施工经验，采用复合式土压平衡盾构机可较好地满足施工要求。

　　该盾构机开挖直径为6 760mm，采用面板箱形辐条式刀盘，管片长度为1 200mm，内径为5 900mm，外径为6 600mm。盾体及后配套车架总长89.6m，盾构机最小曲率半径250m，最大额定扭矩5 164k N·m，脱困扭矩6 300k N·m，额定推力50 668k N，具备超前注浆功能，可应对软土地层当中的姿态突变。

　　刀盘中心配置1把鱼尾中心刀，正面配置27把贝壳刀，其配置形式以刀尖轨迹为依据，保证刀尖轨迹间距为100～200mm，同时保证对称配置。另外安装切刀72把，注水口保护刀5把，仿形刀2把。刀圈厚度为28～32mm，硬度HRC57～HRC60，直径从常用的432mm增加至438mm，可延长刀具的使用周期，降低换刀频率。

　　4.2 盾构施工掘进控制

　　为确保西气东输管路安全，盾构下穿西气东输管路时采取优化盾构掘进参数，及时同步注浆，并根据监测情况加强二次注浆措施，减小管道底部地层沉降量，确保管道变形控制在技术要求的范围内。针对本区间的实际情况，采取如下措施。

　　4.2.1 稳定开挖面

　　下穿西气东输管路施工时，为减少对周边地层扰动，保持掌子面稳定性，选用土压平衡掘进模式。通过优化掘进参数，主要包括盾构机推力、掘进速度、排土量、盾尾密封性等来控制。施工参数根据现场施工掘进试验总结最优的数据和控制方法，以保持开挖面的稳定，通常以地面隆起1～2mm调节控制;加强渣土改良，控制掘进速度≤30mm/min;控制出土量，防止超挖，确保盾尾刷密封性能良好。

　　4.2.2 同步注浆控制

　　针对穿越点，采用可硬性浆液，初凝时间≤10h。注浆量根据地面沉降监测情况适时调整，减小地面沉降或隆起。

　　注浆材料应满足强度、流动性、可充填性、凝结时间、收缩率、环保等要求。注浆压力为0.5～1MPa，注浆量≥4.0m³/环(普通段≥3.0m³/环)。浆液稠度为10～13cm，凝结时间为7～8h,7d强度≥0.4MPa,14d强度≥1.0MPa。

　　4.2.3 二次注浆控制

　　施工过程中根据监测结果，距离管路两侧20m范围内，管片脱出盾尾5环开始实施二次注浆，并于管片脱出盾尾7环内完成二次注浆。一般选用单液浆，必要时选用双液浆，浆液配比为水泥浆与水玻璃体积比1∶1，其中水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃用水稀释3倍。注浆压力保持不变，注浆量≥1.2m³/环(普通段≥0.5m³/环)。

　　5 下穿区段沉降控制

　　注浆施工过程及盾构推进经过加固区域时进行跟踪监测，及时对盾构掘进施工参数进行调整，以准确把握注浆时机、区域和注浆结束时机，使盾构施工工艺最优化，确保盾构机下穿过程管道的变形量控制在允许范围内，避免引起地面变化导致事故发生。

　　5.1 监测控制标准

　　1)盾构机在穿越燃气管路过程中，控制地表沉降≤10mm，隆起≤4mm，管线沉降≤10mm，差异沉降≤5mm。

　　2)对实时测量结果及时分析和反馈，当达到报警值(控制值的80%)时，应立即暂停施工，并根据具体情况制定相应的加强措施，避免事故发生。

　　3)盾构顺利穿越天然气管路后，监测频率减小为1次/月，连续监测≥6个月。管线变形最终稳定后，由监测单位出具监测报告，向产权单位报备后方可停测。

　　5.2 监测点布设

　　5.2.1 地表沉降监测点

　　地表沉降监测点沿隧道中线间隔5m布设一点。盾构始发段100m范围内，每20m设一断面，管线上方加密布置，其余地段每30m设一断面，每个监测断面布置11个点，测点布设如图3所示。

　　

　　图3 地面监测点布置 

　　 

　　5.2.2 隧道收敛监测点

　　隧道成型后，对隧道内的横竖径收敛、拱底隆起和拱顶下沉进行监测;收敛监测点每隔5m布设一组，拱底和拱顶监测点按照10m一个断面布置，如图4所示。

　　

　　图4 隧道内监测点布置 

　　 

　　5.3 监测预警

　　根据安全风险管理要求，针对不同风险源及风险等级，建立盾构下穿西气东输管路风险评估体系。监测预警、巡视预警分级如表2,3所示。通过综合分析，核查各方监测、巡视信息，结合专家论证等手段，对各级风险工程的安全状态进行综合判断和预警分级，按严重程度将综合预警由小到大分为3级:黄色综合预警(Ⅲ级综合预警)、橙色综合预警(Ⅱ级综合预警)、红色综合预警(Ⅰ级综合预警)。对极可能发生的重大突发风险事件，根据突发风险事件可能造成的社会影响、危害程度、紧急程度、发展事态和可控性等，划分为4级:Ⅳ级(一般)、Ⅲ级(较严重)、Ⅱ级(严重)、Ⅰ级(特别严重)。

　　  

　　表2 监测预警 

　　 

　　 

　　

　　表2 监测预警

　　  

　　表3 巡视预警 

　　 

　　 

　　

　　表3 巡视预警

　　在施工过程中如遇突发状况，启动紧急情况下监测工作制度，并按照预警级别及时向上级部门如实报告。

　　6 结语

　　1)地铁盾构下穿西气东输管线变形主要由盾构上部软弱土沉陷、下穿时应力释放扰动及不良地质突变引起。

　　2)为减少对周边地层的扰动，保持掌子面的稳定性，通过渣土改良，选用土压平衡掘进模式，稳定开挖面，及时同步注浆并根据监测情况加强二次注浆控制等措施，确保了管道变形在技术要求范围内。

　　3)根据地铁盾构下穿西气东输能源管线施工的特点，提出具体监测方案，以保证施工安全顺利进行。