盾构机近距离穿越地热管道施工技术
1 工程概况
某地铁隧道区间线路总长度为824.7m，区间左线在K32＋933.060～K33+048.060范围内侧穿地源热泵垂直地埋管，该管长度约为115m，PE材质，直径为100mm。区间线路与该管群的水平净距在0.8～1.8m。穿越段平面线型为直线，纵向坡度为25‰，结构覆土厚度为10.4～13m，主要地层为：黄土状粉质黏土层③/1层，粉细砂④/1层、中粗砂④/2层、粉质黏土⑤/1层。区间地下水埋深约40.00m，含水层为中粗砂（含卵石）⑧/1层，掘进范围内无地下水作用。
2 穿越施工准备
2.1 机械检修准备
盾构机抵达穿越段前，选取合理位置进行停机检修。对盾构机推进系统、渣土改良系统、螺旋输送系统、盾尾密封系统、注浆控制系统及同步注浆泵送管路等进行针对性的检查，对存在的故障和隐患，一律进行彻底处理。结合已完区间工程施工经验，统计盾构机日常易出故障，提前购置易损零部件；抽调经验丰富、技术过硬人员对盾构机进行维修保养。
2.2 联系测量
联系测量是指将地面坐标、方位和高程传递到地下隧道，作为地下控制测量起算数据的一组测量工作的统称，是实现地下隧道工程贯通控制的核心与关键。为提高地下控制测量精度，保证隧道准确贯通应根据工程施工进度，进行多次复测，复测次数应随隧道掘进距离增加而增加。
盾构机抵达穿越段前50m处，即进行临时短暂停机，通过联系测量确定已成型隧道轴线。在穿越过程中，每50m进行一次联系测量，确保隧道平面、高程位置符合设计及规范要求。
2.3 试验段设置
1）收集、整理、分析及归纳总结各地层的掘进参数，制定穿越段掘进各地层操作规程，实现快速、连续、高效的正常掘进。
2）通过试验段施工，加强对地面变形情况的监测分析，反映盾构机推进时对周围环境的影响，掌握盾构机推进参数及同步注浆量。
3）掌握管片位移规律，提高成型隧道轴线合格率，降低风险工程主观隐患。
4）提前掌握建构筑物监测、保护的初步规律，并以此指导全过程施工。
3 穿越施工措施
3.1 土仓压力的设定
在盾构机掘进过程中，刀盘对掌子面土体的切削改变了原状土的应力分布平衡状态，使掘进面的土体产生主动或被动土压力。
被动土压力较大，掘进过程中若掌子面土体处于被动受压状态，产生向上滑动趋势，则意味着土仓堆积过实，千斤顶推力偏大，此时掘进速度慢、刀盘扭矩大，不是理想工况，掘进过程中应尽量避免。
静止土压力不符合盾构机刀盘切削土体时的动态扰动实际情况，故土仓压力预设值的计算应采用主动土压力。
主动土压力使盾构机掘进推力偏小，掌子面土体处于向土仓内滑动的极限平衡状态，为维持刀盘前方土体不向下滑移所需要的最小土压力。掘进过程中土仓压力采用主动土压力不仅能保证掘削面的动态稳定，同时对加快施工进度、减小机械磨损、降低油脂消耗等方面具有一定的经济指导性。
朗肯主动土压力的计算公式见式（1）：
式中，pa为主动土压力，kPa；γ为掘削地层的土体容重，kN/m3；H为覆盖土层的厚度，m；c为土体的黏聚力，kPa；φ为土体的内摩擦角，（°）。
本区间穿越地源热泵管段各层土体特性参数如表1所示。
通过在地质剖面图中量取各层土的厚度，代入式（1）计算，穿越段土仓预设压力如图1所示（以穿越起始位置为第一环，土压计算间隔为5环，单位bar，已考虑20kPa附加压力）。
需注意，在有水地层中，土压力的计算一般采用水土合算的方式确定。在土体黏性大、自稳性比较好的地层中掘进时，考虑到“土拱效应”的存在，预设土压力一般比计算压力小。
在掘进过程中，土仓压力应根据地表沉降监测数据进行及时调整，做到既能保证地面沉降符合设计及规范要求，又能避免直埋地源热泵管不因受挤压而断裂。管片拼装过程中，土仓压力则需较预设值提高20kPa，以保证地热管道不因掌子面前方土体向土仓滑移而受损。
3.2 渣土改良控制
渣土改良添加剂的合理使用是确保盾构机顺利掘进、维持开挖面稳定、实现均衡连续盾构施工的关键。常用渣土改良添加剂包括膨润土、泡沫剂、高分子聚合物、黏土等。穿越地源热泵管段，开挖面土层主要为砂层和黏土层。通过区间前段类似地层的掘进实践，加入泡沫可以使土体的塑流性得到较大的改善。穿越段的掘进中，为确保土仓压力控制不失稳，在添加泡沫剂的基础上向土仓内加入膨润土，加入量为4m3/环，土体置换率约为10%。
3.3 盾构机姿态控制
因地源热泵管与区间净距较小，穿越段施工过程中盾构机姿态控制显得尤为重要。
穿越段施工过程中，盾构机姿态必需加强复核以保证严格受控。在利用自动导向系统测量姿态的同时采用人工测量进行复核，确保盾构机姿态及成型隧道轴线符合要求。
盾构机操作人员需严格执行推进工程师指令，对初始出现的小偏差及时纠正，尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次纠偏量≤4mm/环，以减少对地层的扰动。穿越段掘进过程中，轴线偏差按±30mm控制。
3.4 同步注浆与二次注浆控制
3.4.1 同步注浆
同步注浆量控制在6.5m3左右，砂层填充系数按200%控制。配合比（kg/m3）为水泥：粉煤灰：砂：水：膨润土=1:2:4:2.21:0.5。材料要求：水泥P.O42.5、粉煤灰二级、砂细度模数1.9±0.3。浆液胶凝时间为6~8h，稠度为12~14cm，固结强度1d≥0.2MPa，28d≥2.0MPa。
3.4.2 二次注浆
同步注浆的浆液在填补建筑空隙时可能会存在一定间隙，且浆液的收缩变形也存在地面沉降的隐患，因此在隧道掘进的同时，根据地面监测情况，必要时进行二次壁后注浆，穿越段二次注浆浆液采用水泥和水玻璃的双液浆，以便快速凝结，隔断土体应力传递。
3.5 出土量控制
区间所用盾构机刀盘最大切削直径为628m，则每环理论出土量为（考虑1.2的松散系数）：
V=π/4×D^2×L×δ=π/4×6.28^2×1.2×1.2=44.6m3/环。
盾构机推进出土量控制在98%~100%，即43.6~44.6m3/环。
渣土通过电瓶车土箱运输至井口吊出，运输所用土箱容积为15m3，即每箱土对应的盾构机进尺应为400mm。在穿越施工过程中，盾构机司机需密切注意装满每箱土时的盾构进尺，若发现异常，在排出外加膨润土对出土量影响的前提下，需及时调整掘进参数及螺旋机出土控制，确保不出现超挖。
4 结语
综上所述，在盾构机施工中，每项工程都有其各自的特点，区间风险源也不尽相同。在实际操作中，需根据穿越风险特点及地质、水文情况，综合分析其主要隐患点所在，采取针对性措施，以有效降低风险，进而保证施工安全并提高成型隧道施工质量。
