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摘 要：通过在杭州地铁1号线的区间盾构施工，介绍在杭州砂性底层中盾构近距离穿越大口径污水管的施工经验，盾构下穿管线时采用地下掘进参数控制，地面加固的的施工方法，在杭州底层领域中施工都有着很好的指导意义。
一 工程概况
建华站～红普路站区间从红普路站西端头井始发，基本沿西向直行，主要通过红五月村、建华村，沿线路均分布农田及低层民居，在里程K25+603.862～K25+574.551处下方斜穿DN1000上水管和2 根DN2200污水管，隧道和管线的夹角为28°。到达建华站进站调头，返回至红普路站结束。区间最小平面曲线为R=600m，线间距由11m变化至42m。
红普路站～七堡车辆段出入段线区间从红普路站出发，在建华站～红普路站两正线间穿行至七堡车辆段，并且将再次穿越上述3根管线，盾构掘进至接收井吊出。区间最小平面曲线为R=5700m。
区间隧道 起～终点里程 区间长度（米） 最小平曲线半径（米） 最大纵坡
（‰） 埋深范围
（米）
建华站～红普路站 K24+533.913
～K25+634.687
（左K25+639.959） 左线1103.046
右线1100.774 600 22.2 9.78～15.2
红普路站～七堡车辆段 C1RK0+114.638
～C1RK0+400
（單线） 285.362 5700 34 2.8～8.85
二 管线概况
Φ2200mm污水管是杭州市七格污水处理厂主干管线，担负着杭州市污水处理的重要任务，意义非常重大。Φ2200mm污水管管底距离地面5.7m,隧道左线与污水管净净距5.5米，右线与污水管净净距4.43米，与出入线段区间垂直净距4.03米。污水管为预应力钢筒混凝土管（即PCCP管），接口形式为双胶接口，支墩混凝土为C15，垫层为C10，管基处于砂性粉土层。日流量约为30万吨/根，并伴有压力。
为了解此污水管年代、现状、平面位置、实际埋深、接头位置进行详细周密的调查，曾多次走访了七格污水处理指挥部、杭州市城市建筑档案管、杭州市管网中心，3-10号泵房等有关单位，获取了此污水管线的竣工图，招投标方案，管线施工单位有关资料等，也对PCCP管这类先进的管线施工材质做了进一步的调查：
三、施工技术难点
3.1穿越次数多
本工程施工中需要三次下穿三污干管，对于三污干管将造成多次扰动，对沉降控制不利。
3.2穿越水平距离长、垂直距离近
红普路站～建华站区间（左线）从60环进入管线影响区并于105脱离管线影响区；建华站～红普路站区间（右线）从860环进入管线影响区，于895脱离影响区；红普路～七堡出入段区间（中线）从35环进入管线影响区，于75环脱离影响区。由于管线和隧道斜交，因此穿越水平距离长达54m。
红普路站～建华站区间左线，右线距离污水管径4.17m，红普路站～七堡出入段线区间距离污水管最近仅2.55m。
由于穿越的水平距离长，垂直距离近，因此管线穿越时间较长，加大了管线穿越的风险。
图1 盾构穿越管线平面图
3.3污水管流量大
Φ2200mm污水管是杭州市七格污水处理厂主干管线，担负着杭州市污水处理的重要任务，日流量达30万吨/根，并伴有压力，对盾构穿越沉降控制要求高，加大了盾构穿越的难度。
3.4加固体多次扰动
出入段线盾构出洞与区间右线进洞仅间隔盾构机掉头施工时间，短时间多次扰动将会降低加固体的止水性，增加盾构出洞难度。
四、盾构穿越污水管施工技术
4.1土压力控制
在盾构推进时，前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土仓再由土仓中的螺旋机将土排出仓外。为了顺利完成这一过程土仓中的土压力设定一则不能过小，过小则容易造成前方围岩坍塌；再则不能过大，过大会导致前方围岩隆起，因此土压力的管理对于开挖面的稳定至关重要。
在盾构穿越管线过程中，盾构机主要在③3层 砂质粉土夹粉砂及③6层 粉砂夹砂质粉土中进行施工。③6层为杭州的铁板砂层，土质中密~密实，实测标贯击数最高达31击。在砂层中掘进一般盾构推力较大，如果土仓压力设定过高的话，将增大盾构机的扭矩及推力，给盾构掘进造成较高的管理难度。
图2
图2为盾构在左线穿越管线阶段盾构每环实测土仓平均压力和扭矩及推力间的关系。从图中可知，土仓压力与刀盘扭矩及总推力成正比关系。因此合理设置盾构土压力有利于提高盾构掘进效率及降低能耗。
以往在上海软土层施工中，基本上都是用静止土压力进行计算，再根据现场监测数据进行调整，根据盾构在杭州砂土层中的施工经验，采用静止土压力计算方法设定的土仓压力在施工过程中很难达到设定要求，因此有必要设定一个土压力下限，便于现场操作人员对开挖面进行控制。
日本在控制开挖面稳定方面技术较为领先，提出多种土压力计算模型，主要有静止土压力、主动土压力、松动土压力等，再根据开挖对象地基条件不同分开选用，这种方法在日本运用较为广泛。静止土压力是因开挖而被释放的压力，用该土压力进行设定时，开挖面在没有变形的情况下是最理想值，控制过程中土仓压力较大。主动土压力是开挖面破坏之前的压力，是管理值中的最小值。另外，当土体良好且覆盖土层较厚时，可以考虑利用土的成供效应，因此，就用松动土压力进行评价[17]。
采用静止土压力模型控制时，土仓压力P1=地下水压力+静止土压力+预备土压力。
静止土压力P0==1- （砂性土）
—静止土压力系数， —内摩擦角，砂土取30°，
采用主动土压力模型控制时，土仓压力P2=地下水压力+主动土压力+预备土压力。
主动土压力Pa = （兰金公式）
—主动土压力系数—土体重度（水下取有效重度）
采用主动土压力模型控制时，土仓压力P3=地下水压力+松动土压力+预备土压力。预备压力为弥补施工中损失的压力，地下水位取地表下3m。
松动土压力
泰沙基公式
+
B―松动宽度
―垂直土压力
―水平土压力
K―经验土压力系数（=1.0）
R―开挖半径
H―覆盖土厚度（根据隧道埋深进行取值）
―上部荷载C―粘聚力（取8）
H―覆盖土厚度根据管片的埋深进行取值（盾构中心-地表）
用盾构穿越管线区域地层参数，对上述三中计算模型分别进行计算，计算结果如下图所示。
图3
从上图可以看出松动土压力最小，主动土压力次之，静止土压力最大。理论上来说，主动土压力为开挖面破坏前的压力，为最小值，但由于砂土的成拱效应，松动土压力比主动土压力算出来更小。
对比上述几个土压力可以发现实测土压力基本上在松动土压力和静止土压力之间进行波动。为了研究松动土压力理论在杭州砂层中的可行性，分别选取隧道上方的污水管监测数据W9、W10、W11、W12、及地表点S90（S90为隧道第90环监测点）的检测数据进行分析。
图4
图5
从图5中可以看出在刀盘头部未抵达W9、W10、W11、W12、及S90时，地表是略微隆起的，当盾构掘进86环、87环、88环如图4所示开挖面上部地表出现沉降。因此我们可以判断一点，即土仓压力小于松动土压力是危险的，但还不能证明土仓压力高于松动土压力就一定是安全的，因此我们可以选取70环至85环地表监测点进行分析（如图2所示，70环至85环土仓压力均在静止土压力和松动土压力之间波动），即S70，S75，S80，S85，Ss6（上水管上监测点）。
图6
从图6中可以發现，盾构掘进从4月17日至4月22日分别掘进至上述点下方时，开挖面均未出现沉降，因此在杭州砂性土采用松动土压力作为土仓压力控制的下限是可行的。
4.2盾构掘进控制
盾构掘进过程中一般将速度控制在10mm～20mm/min，采用中低速掘进，使土体将盾构掘进所产生的应力充分释放，避免由于掘进时产生的应力过大或过于集中，而对污水管造成影响。
在千斤顶不增加力的情况下，土仓压力基本上和盾构掘进速度成反比。因为砂层中掘进盾构，当土压仓压力增大到0.19Mpa时，此时盾构机刀盘和扭矩将会变得很大，掘进速度也会变得非常慢，此时盾构司机一般会手动增大螺旋机的出土速度，降低土仓压力来稳定盾构掘进的速度，
除此之外盾构在掘进过程盾构姿态变化不能过大、过频、隧道轴线和折角变化不超过4‰，折角变化过大将引起土层的超挖，不利于沉降的控制。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片和盾尾的间隙，采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地层的影响。
4.5管线监测技术
为了精确了解上水管及污水管的监测数据，上水管及污水管的监测点均采用直接点进行布设。直接点的布设方法如下：
（1）在污水管上定位，用普通工程钻机，钻一孔径为Φ200的孔，孔的深度控制在污水管顶上，成孔中要注意不应对管道有伤害，钻孔后用PVC套管护孔，之后进行清孔，使得污水管顶部的污泥能够得到清除。
（2）在PVC套管中部放入32螺纹钢筋，螺纹钢筋布设时高出地面5cm以便于监测。钢筋布设完后往孔内回填黄砂，避免监测时钢筋左右晃动影响监测结果。
（3）管口采用砌砖的形式进行保护，并在上面盖上木板，防止孔内积水，影响监测施工。
根据隧道盾构推进的情况，在盾构切口前30米,后50米范围内的管线点,频率为2次／天。管线穿越其间监测频率为每2小时一次，24小时不间断监测。
4.6三污干管穿越总体评价
杭州地铁1号线红普路站管线沉降评价
区间名称 管线 最大沉降点 沉降量(mm）
左线区间 污水管 W17 -11.13
上水管 Ss6 -3.22
右线区间 污水管 W5 -5.17
上水管 Ss1 -1.91
出入段线区间 污水管 W23 -8.11
上水管 Ss8 -1.21
红普路站三次污水干管的穿越是比较成功的，得到了地铁公司和管线单位的认可和赞扬。上表反映了管线后期稳定后的累计沉降值，除了左线W17沉降量略大于10mm外，其他沉降点均小于10mm，上水管沉降量的控制都在5mm以内。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看
一 工程概况
建华站～红普路站区间从红普路站西端头井始发，基本沿西向直行，主要通过红五月村、建华村，沿线路均分布农田及低层民居，在里程K25+603.862～K25+574.551处下方斜穿DN1000上水管和2 根DN2200污水管，隧道和管线的夹角为28°。到达建华站进站调头，返回至红普路站结束。区间最小平面曲线为R=600m，线间距由11m变化至42m。
红普路站～七堡车辆段出入段线区间从红普路站出发，在建华站～红普路站两正线间穿行至七堡车辆段，并且将再次穿越上述3根管线，盾构掘进至接收井吊出。区间最小平面曲线为R=5700m。
区间隧道 起～终点里程 区间长度（米） 最小平曲线半径（米） 最大纵坡
（‰） 埋深范围
（米）
建华站～红普路站 K24+533.913
～K25+634.687
（左K25+639.959） 左线1103.046
右线1100.774 600 22.2 9.78～15.2
红普路站～七堡车辆段 C1RK0+114.638
～C1RK0+400
（單线） 285.362 5700 34 2.8～8.85
二 管线概况
Φ2200mm污水管是杭州市七格污水处理厂主干管线，担负着杭州市污水处理的重要任务，意义非常重大。Φ2200mm污水管管底距离地面5.7m,隧道左线与污水管净净距5.5米，右线与污水管净净距4.43米，与出入线段区间垂直净距4.03米。污水管为预应力钢筒混凝土管（即PCCP管），接口形式为双胶接口，支墩混凝土为C15，垫层为C10，管基处于砂性粉土层。日流量约为30万吨/根，并伴有压力。
为了解此污水管年代、现状、平面位置、实际埋深、接头位置进行详细周密的调查，曾多次走访了七格污水处理指挥部、杭州市城市建筑档案管、杭州市管网中心，3-10号泵房等有关单位，获取了此污水管线的竣工图，招投标方案，管线施工单位有关资料等，也对PCCP管这类先进的管线施工材质做了进一步的调查：
三、施工技术难点
3.1穿越次数多
本工程施工中需要三次下穿三污干管，对于三污干管将造成多次扰动，对沉降控制不利。
3.2穿越水平距离长、垂直距离近
红普路站～建华站区间（左线）从60环进入管线影响区并于105脱离管线影响区；建华站～红普路站区间（右线）从860环进入管线影响区，于895脱离影响区；红普路～七堡出入段区间（中线）从35环进入管线影响区，于75环脱离影响区。由于管线和隧道斜交，因此穿越水平距离长达54m。
红普路站～建华站区间左线，右线距离污水管径4.17m，红普路站～七堡出入段线区间距离污水管最近仅2.55m。
由于穿越的水平距离长，垂直距离近，因此管线穿越时间较长，加大了管线穿越的风险。
图1 盾构穿越管线平面图
3.3污水管流量大
Φ2200mm污水管是杭州市七格污水处理厂主干管线，担负着杭州市污水处理的重要任务，日流量达30万吨/根，并伴有压力，对盾构穿越沉降控制要求高，加大了盾构穿越的难度。
3.4加固体多次扰动
出入段线盾构出洞与区间右线进洞仅间隔盾构机掉头施工时间，短时间多次扰动将会降低加固体的止水性，增加盾构出洞难度。
四、盾构穿越污水管施工技术
4.1土压力控制
在盾构推进时，前端刀盘旋转掘削地层土体，切削下来的土体进入土仓再由土仓中的螺旋机将土排出仓外。为了顺利完成这一过程土仓中的土压力设定一则不能过小，过小则容易造成前方围岩坍塌；再则不能过大，过大会导致前方围岩隆起，因此土压力的管理对于开挖面的稳定至关重要。
在盾构穿越管线过程中，盾构机主要在③3层 砂质粉土夹粉砂及③6层 粉砂夹砂质粉土中进行施工。③6层为杭州的铁板砂层，土质中密~密实，实测标贯击数最高达31击。在砂层中掘进一般盾构推力较大，如果土仓压力设定过高的话，将增大盾构机的扭矩及推力，给盾构掘进造成较高的管理难度。
图2
图2为盾构在左线穿越管线阶段盾构每环实测土仓平均压力和扭矩及推力间的关系。从图中可知，土仓压力与刀盘扭矩及总推力成正比关系。因此合理设置盾构土压力有利于提高盾构掘进效率及降低能耗。
以往在上海软土层施工中，基本上都是用静止土压力进行计算，再根据现场监测数据进行调整，根据盾构在杭州砂土层中的施工经验，采用静止土压力计算方法设定的土仓压力在施工过程中很难达到设定要求，因此有必要设定一个土压力下限，便于现场操作人员对开挖面进行控制。
日本在控制开挖面稳定方面技术较为领先，提出多种土压力计算模型，主要有静止土压力、主动土压力、松动土压力等，再根据开挖对象地基条件不同分开选用，这种方法在日本运用较为广泛。静止土压力是因开挖而被释放的压力，用该土压力进行设定时，开挖面在没有变形的情况下是最理想值，控制过程中土仓压力较大。主动土压力是开挖面破坏之前的压力，是管理值中的最小值。另外，当土体良好且覆盖土层较厚时，可以考虑利用土的成供效应，因此，就用松动土压力进行评价[17]。
采用静止土压力模型控制时，土仓压力P1=地下水压力+静止土压力+预备土压力。
静止土压力P0==1- （砂性土）
—静止土压力系数， —内摩擦角，砂土取30°，
采用主动土压力模型控制时，土仓压力P2=地下水压力+主动土压力+预备土压力。
主动土压力Pa = （兰金公式）
—主动土压力系数—土体重度（水下取有效重度）
采用主动土压力模型控制时，土仓压力P3=地下水压力+松动土压力+预备土压力。预备压力为弥补施工中损失的压力，地下水位取地表下3m。
松动土压力
泰沙基公式
+
B―松动宽度
―垂直土压力
―水平土压力
K―经验土压力系数（=1.0）
R―开挖半径
H―覆盖土厚度（根据隧道埋深进行取值）
―上部荷载C―粘聚力（取8）
H―覆盖土厚度根据管片的埋深进行取值（盾构中心-地表）
用盾构穿越管线区域地层参数，对上述三中计算模型分别进行计算，计算结果如下图所示。
图3
从上图可以看出松动土压力最小，主动土压力次之，静止土压力最大。理论上来说，主动土压力为开挖面破坏前的压力，为最小值，但由于砂土的成拱效应，松动土压力比主动土压力算出来更小。
对比上述几个土压力可以发现实测土压力基本上在松动土压力和静止土压力之间进行波动。为了研究松动土压力理论在杭州砂层中的可行性，分别选取隧道上方的污水管监测数据W9、W10、W11、W12、及地表点S90（S90为隧道第90环监测点）的检测数据进行分析。
图4
图5
从图5中可以看出在刀盘头部未抵达W9、W10、W11、W12、及S90时，地表是略微隆起的，当盾构掘进86环、87环、88环如图4所示开挖面上部地表出现沉降。因此我们可以判断一点，即土仓压力小于松动土压力是危险的，但还不能证明土仓压力高于松动土压力就一定是安全的，因此我们可以选取70环至85环地表监测点进行分析（如图2所示，70环至85环土仓压力均在静止土压力和松动土压力之间波动），即S70，S75，S80，S85，Ss6（上水管上监测点）。
图6
从图6中可以發现，盾构掘进从4月17日至4月22日分别掘进至上述点下方时，开挖面均未出现沉降，因此在杭州砂性土采用松动土压力作为土仓压力控制的下限是可行的。
4.2盾构掘进控制
盾构掘进过程中一般将速度控制在10mm～20mm/min，采用中低速掘进，使土体将盾构掘进所产生的应力充分释放，避免由于掘进时产生的应力过大或过于集中，而对污水管造成影响。
在千斤顶不增加力的情况下，土仓压力基本上和盾构掘进速度成反比。因为砂层中掘进盾构，当土压仓压力增大到0.19Mpa时，此时盾构机刀盘和扭矩将会变得很大，掘进速度也会变得非常慢，此时盾构司机一般会手动增大螺旋机的出土速度，降低土仓压力来稳定盾构掘进的速度，
除此之外盾构在掘进过程盾构姿态变化不能过大、过频、隧道轴线和折角变化不超过4‰，折角变化过大将引起土层的超挖，不利于沉降的控制。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片和盾尾的间隙，采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地层的影响。
4.5管线监测技术
为了精确了解上水管及污水管的监测数据，上水管及污水管的监测点均采用直接点进行布设。直接点的布设方法如下：
（1）在污水管上定位，用普通工程钻机，钻一孔径为Φ200的孔，孔的深度控制在污水管顶上，成孔中要注意不应对管道有伤害，钻孔后用PVC套管护孔，之后进行清孔，使得污水管顶部的污泥能够得到清除。
（2）在PVC套管中部放入32螺纹钢筋，螺纹钢筋布设时高出地面5cm以便于监测。钢筋布设完后往孔内回填黄砂，避免监测时钢筋左右晃动影响监测结果。
（3）管口采用砌砖的形式进行保护，并在上面盖上木板，防止孔内积水，影响监测施工。
根据隧道盾构推进的情况，在盾构切口前30米,后50米范围内的管线点,频率为2次／天。管线穿越其间监测频率为每2小时一次，24小时不间断监测。
4.6三污干管穿越总体评价
杭州地铁1号线红普路站管线沉降评价
区间名称 管线 最大沉降点 沉降量(mm）
左线区间 污水管 W17 -11.13
上水管 Ss6 -3.22
右线区间 污水管 W5 -5.17
上水管 Ss1 -1.91
出入段线区间 污水管 W23 -8.11
上水管 Ss8 -1.21
红普路站三次污水干管的穿越是比较成功的，得到了地铁公司和管线单位的认可和赞扬。上表反映了管线后期稳定后的累计沉降值，除了左线W17沉降量略大于10mm外，其他沉降点均小于10mm，上水管沉降量的控制都在5mm以内。
注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看