滨海软土地层盾构始发区下穿高危地下管线设计研究

随着我国基础设施建设的不断发展，盾构法作为一种安全、高效的施工方法，被广泛应用于地下工程建设。在工程建设过程中，盾构隧道不可避免地会下穿一些石油、燃气类高危管线，如广州地铁5号线东延段庙头路站至夏园站区间隧道穿越隔墙北路石油管道桥，长春地铁5号线某盾构区间隧道下穿DN800高压然气管线，杭州地铁8号线桥头堡站相邻区间隧道下穿DN813燃气管线，北京东六环大直径盾构隧道下穿DN500次高压燃气管线，大连地铁5号线程前盐至后盐区间的隧道近距离下穿DN508和DN711输油管线。上述案例均是下穿各类高危管线的隧道施工工程，而在连续隧道施工过程中，依靠开挖面建立压力平衡系统有利于保障工程的安全性，可有效控制高危管线的沉降变形。但在自身风险较大的情况下实施盾构隧道下穿高危管线施工，则会增加自身风险和高危管线的环境风险，对工程安全具有双重考验。以青岛地铁8号线过海区间盾构始发区下穿石油、燃气高危管线的为例，对自身风险和高危管线环境风险叠加情况的方案设计和实际施工情况进行研究。

1 工程概况及设计难点

1.1 青岛地铁8号线及始发井区域概况

青岛地铁8号线大洋站至青岛北站过海区间穿越黄海胶州湾北侧海域，如图1所示。区间全长 7.9km，其中穿越海域长度5.4km，采用“矿山及盾构”组合工法施工，该隧道为单洞单线隧道，盾构段管片内径6.0m，外径6.7m。3号风井兼做区间陆域段盾构始发井。

图1 青岛地铁8号线过海区间地质纵截面示意

盾构始发井位于胶州湾填海造陆区与青岛北站之间，且邻近填海造陆区原始海岸线。始发井西侧为地下管线群，始发井东侧紧邻青岛地铁3号线出入口。 始发井宽9m、长16m、深24m，受始发井长度限制，采用区间分区始发。

1.2 高危地下管线概况

本工程地下有石油管线和燃气管线两种高危管线。高危管线与始发井平面最小净距为5m，如图2所示；高危管线材质为钢管，高危管线与盾构隧道竖向关系如图3所示。

图2 高危管线与始发井平面关系示意

图3 高危管线与盾构隧道竖向关系示意

1.3 设计难点

（1）高危管线对地铁施工的不利影响如下：石油和燃气均具易燃性，且工程施工具有明火作业多的属 性，一旦发生泄漏易发生火灾或闪爆等工程事故。

（2）地铁施工对高危管线的不利影响为：地铁为大型地下工程，施工对周边土体扰动大，如施工中操作不当，易引起管线变形且形变超标，影响管线正常使用。

（3）石油管线：下穿石油管线采用哪种标准控制变形是施工中的难点。同时石油管线内油液对保温、防腐要求较高，油液的安全性也是工程建设的另一个难点。

2 工程环境条件

2.1 地质和水文特征

盾构始发段隧道拱顶位于淤泥质粉质粘土和中粗砂层分界面，拱顶以上6m是淤泥质粉质粘土层、拱顶以下2m是中粗砂层，砂层以下为2m粉质粘土 层，隧道拱底基本位于强风化泥质粉砂岩。地下水位于地表以下3m。

2.2 地层渗透性

由于盾构始发存在盾尾间隙，盾尾间隙易形成渗水通道，导致始发井内积水，因此地层渗透性是影响盾构始发安全的一项重要地质数据，见表1。

表1 盾构始发地层渗透性及透水性

3 高危地下管线保护方案

3.1 管线保护思路

工程的两条石油管线为青岛环胶州湾供油主干管，承担着青岛重大供油需求。同时，石油管线及其相邻的燃气管线既是带压管线，也是高危管线，易发生安全事故。因此，为确保高危管线和地铁施工安 全，应规划和设计管线保护方案，将施工对管线影响降到最小。

3.2 方案设计

在地铁隧道两侧设置门式桥架支撑系统，对石油、燃气高危管线进行原位悬吊保护，如图4所 示。门式桥架支撑系统是指采用端承式钻孔，灌注桩及贝雷架的组合方式，在贝雷架下方悬吊保护管线，通过钻孔灌注桩将高危管线重量传递至深层土体，避免隧道上方地层作为受力层。因此，需降低地铁施工对地层沉降影响，改善高危管线的受力条件，将施工产生的影响降至最低，保障管线的正常使用。

图4 管线保护方案示意

（a）平面；（b）立面

门式桥架主要设计参数如下。

（1）钻孔灌注桩距地铁隧道1倍洞径的距离，桩径1.0m，桩底进入岩层并位于隧道底部以下。

（2）钻孔桩上设置高0.8m、宽2.1m钢筋混凝土承台。

（3）承台上设置贝雷架，贝雷架采用单片高1.5m、宽3.0m的贝雷片，按2列、每列双排单层布 置，每列贝雷架共采用22片贝雷片。

3.3 细节设计

（1）石油管线保温设计。 冬期施工需对石油管线进行保温设计，保温设计采用以下两种措施。 主要措施： 使用岩棉保温板包封石油管线，岩棉保温板使用16号槽钢固定，如图5（a）所示。 辅助措施： 在石油管线0.5m以下、1.0m以上松铺砂土，砂土的隔温性对石油管线周边环境起到保温作用，如图5（b）所示。

图5 石油管线保温设计示意

（a）主要措施；（b）辅助措施

（2）施工步骤。 施工钻孔灌注桩和承台→平整场地架设贝雷架→放坡并开挖贝雷架下方土体，开挖至管线底→设置吊杆和托板，将管线与贝雷架连接→开挖至管线底以下0.5m→松铺砂土至管线上方1.0m→地铁隧道盾构始发区进行施工。 待盾构掘进约100m且管线变形监测稳定后，拆除管线悬吊保护构件并采用粘土分层回填管线基坑。

4 盾构始发区加固方案

盾构始发区隧道拱顶为中粗砂层，洞身为粉质粘土层，因地层含水量较大，对盾构始发区进行地层加固，加固长度为“盾构主机长度及1环管片长度”，即11.5m。采用旋喷桩和袖阀管注浆进行地层加固，旋喷桩应距高危管线2m，盾构始发区加固方案如图6所示。袖阀管应斜向注浆打孔布置如图7所示。

图6 盾构始发区加固方案示意

图7 袖阀管斜向注浆打孔布置示意

（a）平面；（b）立面

先进行袖阀管注浆区域施工，后进行旋喷桩区域施工，两注浆区域搭接间距为1.5m。 袖阀管采用后退式注浆方式，每注浆段长0.6m，采用水泥水玻璃双液浆灌注，注浆压力为0.4~1.0MPa、浆液扩散半径按0.8m控制；旋喷桩从始发井端头的一侧开始施工，然后依次向高危管线埋深方向施工。

5 数值计算分析验证

5.1 计算模型

计算模型两侧地层边界取至5倍隧道洞径。土体材料采用Mohr–Coulomb本构模型，固定材料按照弹性理论计算，地层预加固区通过提高地层参数实现，盾构始发区对高危管线的变形影响分为始发井施工和隧道下穿两种工况。

5.2 计算结果和分析

始发井基坑作业引起的石油管线竖向最大沉降值为2.14mm、燃气管线竖向最大沉降值为1.11mm，如图8所示；隧道下穿施工引起的石油管线竖向最大沉降值是1.68mm、引起的燃气管线竖向最大沉降值是1.24mm，如图9所示。

图8 始发井基坑施工引起的高危管线沉降

图9 隧道下穿施工引起的管线沉降

2种工况叠加的石油管线竖向最大沉降值为3.82mm，燃气管线竖向最大沉降值为2.35mm。

6 监测方案及实施效果

6.1 监测方案

沿高危管线方向设置地下管线变形监测点，间距5m，在盾构隧道下穿施工期间监测频率为每天2次；盾构隧道距石油管线35m，监测频率为每天1次；盾构隧道距石油管线70m后，监测频率每2天1次直至变形稳定。对高危管线实施三级预警制度见表2。

表2 高危管线三级预警

6.2 实施效果

经监测，盾构始发区施工完成后，石油管线竖向最大沉降值为4.03mm，燃气管线竖向最大沉降值为3.13mm。实际沉降大于数值计算，但均在控制值范围内，管线沉降控制值见表3。

表3 高危管线变形监测控制值

7 结束语

针对滨海软土地层盾构始发区下穿石油、燃气类高危管线的施工情况，通过采用钻孔灌注桩及贝雷架的“门式桥架”支撑系统，对高危管线进行原位支撑和保护，将高危管线埋深土层荷载传递至深层土体，并将高危管线受力点与盾构隧道沉降变形影响区进行分隔，最大限度地控制盾构始发区施工过程中高危管线的沉降、变形，可地降低工程风险。