盾構(gòu)法隧道下穿既有地鐵線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施

李 翔

1 概述

21世紀(jì)是地下工程大發(fā)展的世紀(jì)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，我國(guó)的城市軌道交通工程建設(shè)也已逐漸進(jìn)入高潮，截止到2009年，我國(guó)已有10個(gè)城市開(kāi)通了31條城市軌道交通線(xiàn)，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到835.5km。近期國(guó)務(wù)院又批復(fù)了22個(gè)城市的地鐵建設(shè)規(guī)劃，至2016年我國(guó)將新建軌道交通線(xiàn)路89條，總建設(shè)里程為2500km，投資規(guī)模達(dá)9937.3億元，屆時(shí)建成和在建城市軌道交通總里程將接近4500km。

城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然帶來(lái)各區(qū)間線(xiàn)路和節(jié)點(diǎn)車(chē)站的交叉、換乘問(wèn)題。如北京地鐵4，5，10號(hào)線(xiàn)和機(jī)場(chǎng)專(zhuān)線(xiàn)工程中就存在近10處穿越既有線(xiàn)的情況。因此可靠地解決這類(lèi)工程問(wèn)題便成為地下工程所面臨的重要課題。

2 近接隧道位置關(guān)系及其風(fēng)險(xiǎn)研究

地鐵隧道施工不可避免引起近鄰既有線(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，從而影響既有線(xiàn)列車(chē)的正常、安全運(yùn)營(yíng)。因此，依據(jù)既有線(xiàn)保護(hù)的要求，采取有效措施來(lái)減小變形，確保既有線(xiàn)的安全運(yùn)營(yíng)就顯得非常必要。另外，由于既有線(xiàn)重要性高，對(duì)附加變形要求嚴(yán)格，使得穿越工程難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

隧道開(kāi)挖過(guò)程中，通常上方沉降比下方圍巖的上浮隆起要大，并且上方圍巖受力復(fù)雜，剪切區(qū)域及壓剪區(qū)域的大量分布不利圍巖穩(wěn)定，而下方圍巖卸載回彈區(qū)分布有利于圍巖穩(wěn)定(見(jiàn)圖1)［4］。因此，對(duì)于同樣近距離的上、下穿越既有地鐵工程問(wèn)題，下穿既有地鐵工程的施工風(fēng)險(xiǎn)更大。

3 盾構(gòu)法隧道下穿施工引起既有地鐵結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算

3.1 計(jì)算模型建立

根據(jù)北京某地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及載荷、盾構(gòu)施工順序、地層情況、隧道覆土厚度等，選取一定邊界范圍的土體作為分析對(duì)象，采用有限元計(jì)算分析軟件模擬盾構(gòu)下穿施工引起的地表沉降。模型建立過(guò)程中主要考慮了以下5個(gè)方面:

1)物理模型問(wèn)題特性為平面應(yīng)變;2)計(jì)算方法采用彈塑性分析，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則;3)假定計(jì)算邊界處不受隧道開(kāi)挖的影響，即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài)，變形為零，用約束來(lái)模擬;4)計(jì)算寬度取5倍的隧道直徑(從兩洞外側(cè)算起);計(jì)算深度為隧道地下3.0倍的隧道直徑，上方為隧道實(shí)際埋深;5)考慮到時(shí)間效應(yīng)，開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力的釋放率，開(kāi)挖85%，支護(hù)15%。

3.2 計(jì)算結(jié)果

由圖2，圖3可以看出:隧道下穿過(guò)程中將產(chǎn)生一個(gè)沉降差，這個(gè)差值如果超限，將造成車(chē)站沉降、結(jié)構(gòu)彎曲和扭曲變形、已有裂縫的擴(kuò)展和錯(cuò)動(dòng)，并由此引發(fā)軌道幾何形位的改變:如鋼軌頂面相對(duì)高差(軌道水平)變化、軌道中心在水平面上的平順性(順軌向)變化、軌道沿線(xiàn)路方向的豎向平順性(前后高低)變化等。這些變化不僅會(huì)引起既有線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力增加，而且有可能會(huì)導(dǎo)致鋼軌頂面水平超差、軌向平順超差或前后高低超差。

另外，考慮到既有線(xiàn)的道床和基層的整體剛度不一，受變形過(guò)大的影響，道床和其基層之間將會(huì)產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，對(duì)既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生危害。

4 基于變位控制原理的既有地鐵線(xiàn)沉降控制措施

4.1 變位控制原理

在既有運(yùn)營(yíng)地鐵線(xiàn)路下修筑隧道，其首要管理目標(biāo)是保證既有線(xiàn)路的使用安全。由于隧道施工，尤其是大斷面隧道施工是一項(xiàng)龐雜的系統(tǒng)工程，涉及到多種工藝、多道工序，自始至終都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷變化的過(guò)程，每一個(gè)施工步序都會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)與軌道產(chǎn)生不同程度的影響。而最終的影響則是每一個(gè)施工步序產(chǎn)生影響的累加。如果所有這些影響的累加仍然控制在既有線(xiàn)管理標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，則既有線(xiàn)的安全運(yùn)營(yíng)是有保證的。所以，既有結(jié)構(gòu)變位分配原理，就是采用理論計(jì)算結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，將既有線(xiàn)的總變位控制值分解到每一個(gè)施工步序中，建立既有結(jié)構(gòu)分步施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 地表沉降控制措施

對(duì)于盾構(gòu)施工5個(gè)階段產(chǎn)生的地表沉降，按照變位控制原理具體采取以下控制措施:

1)嚴(yán)格控制土壓力。預(yù)先計(jì)算為減少開(kāi)挖土體移動(dòng)而必須設(shè)定土壓力，在施工中嚴(yán)格管理，使實(shí)際土壓略大于計(jì)算值。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的情況下可以根據(jù)地表隆起狀況及時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度及出土量，降低正面土倉(cāng)壓力，達(dá)到降低地表隆起的目的。通過(guò)調(diào)整推進(jìn)速度及減少出土量，提高正面土倉(cāng)壓力方式來(lái)控制盾構(gòu)機(jī)前方地表沉降。盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的沉降是無(wú)法避免的，但是如果沉降超過(guò)設(shè)定值預(yù)警值時(shí)，可以采取控制掘進(jìn)速度和出土量，調(diào)整土倉(cāng)壓力，控制同步注漿的壓力及注漿量，從而達(dá)到有效控制地層的彈塑性變形。

2)嚴(yán)格控制注漿量。注漿作為盾構(gòu)施工的一個(gè)關(guān)鍵工序，必須嚴(yán)格按“確保注漿壓力，兼顧注漿量”的雙重保障原則，緊密結(jié)合施工監(jiān)控量測(cè)的反饋信息，不斷優(yōu)化注漿壓力的設(shè)定，注漿量一定要保證超過(guò)理論計(jì)算值，在實(shí)際平均注漿量的合理范圍內(nèi)波動(dòng)。

3)盡量減少盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行“勤糾偏，小糾偏”的原則，嚴(yán)禁大幅度糾偏，盡量減少施工原因造成的盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在過(guò)軌段(曲線(xiàn)段)推進(jìn)或仰頭、叩頭推進(jìn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制超挖方向，保證出土量在合理范圍內(nèi)。

4)嚴(yán)密觀(guān)察土質(zhì)變化狀況。地下水位變化是盾構(gòu)施工必然產(chǎn)生的，為確保其變化不大，施工中必須嚴(yán)格監(jiān)控挖掘出土體的質(zhì)量，杜絕水土分離的現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)出土中因地層含水量較大的，通過(guò)提高設(shè)定土壓力，在形成土壓平衡的同時(shí)，疏干開(kāi)挖面的地下水，保證出土質(zhì)量。

5)減少對(duì)地層的擾動(dòng)。盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)主要是盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)耐屏偷侗P(pán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因而保證盾構(gòu)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械性能尤為重要。當(dāng)土壓力突變時(shí)，在分析原因的同時(shí)，采取填注泡沫的措施改良開(kāi)挖土體。

6)保證拼裝質(zhì)量，減少管片變位/變形。隧道管片的變形量與管片拼裝的質(zhì)量緊密聯(lián)系，在施工過(guò)程中，必須強(qiáng)化施工管理，保證一次緊固結(jié)實(shí)。每環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)適時(shí)對(duì)螺栓進(jìn)行二次緊固。

7)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，信息化管理。

5 結(jié)語(yǔ)

1)變位分配控制方法集中體現(xiàn)在施工階段，但所涉及的內(nèi)容卻是工程各個(gè)階段工作的總和。對(duì)于此類(lèi)工程進(jìn)一步的研究方向應(yīng)是從工程風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，采用系統(tǒng)工程的相關(guān)理論，對(duì)工程中各種風(fēng)險(xiǎn)因素賦予權(quán)重，做到統(tǒng)籌兼顧，重點(diǎn)突出，才能有效地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證安全施工。

2)對(duì)于模型計(jì)算中土層參數(shù)的取值，尤其是開(kāi)挖卸載后土層參數(shù)的取值，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)確定。

［1］仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2003.

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［3］關(guān)寶樹(shù).隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2006.

［5］姚海波.大斷面隧道淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物施工技術(shù)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2005.