北京地鐵盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段劃分方法研究

楊志勇,江玉生,江 華,錢丹丹,譚 雪

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083)

1 概述

盾構(gòu)施工過程中存在著大量的風(fēng)險因素需要控制,例如盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致地表塌陷,盾構(gòu)操作不當(dāng)導(dǎo)致盾構(gòu)刀具劇烈磨損、崩齒等[1-2],這些由于盾構(gòu)施工過程中施工參數(shù)控制不當(dāng)、操作失誤或者判斷錯誤所導(dǎo)致的風(fēng)險隨時可能發(fā)生,而且防不勝防。目前國內(nèi)外針對盾構(gòu)隧道施工的安全風(fēng)險管理的研究大多集中在風(fēng)險評估和風(fēng)險識別方面,對于如何控制盾構(gòu)施工過程中的安全風(fēng)險的研究尚不多見。盾構(gòu)施工過程的有效管理和風(fēng)險控制很大程度上依賴于盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定的合理性[3-4]。如何根據(jù)盾構(gòu)隧道的地層條件、施工環(huán)境條件等確定隧道穿越不同區(qū)段內(nèi)主要施工參數(shù)的合理控制范圍是實現(xiàn)盾構(gòu)施工過程安全風(fēng)險控制的基礎(chǔ)。因此,尋求一種既能夠考慮盾構(gòu)隧道圍巖特性,又能考慮到環(huán)境風(fēng)險條件的盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段劃分方法,對盾構(gòu)施工過程的安全風(fēng)險控制有著重要的意義。

國內(nèi)外地鐵隧道工程方面關(guān)于隧道分類或者分區(qū)的相關(guān)研究很少。2004年，侯景巖提出了北京地區(qū)隧道及地鐵工程地質(zhì)條件分區(qū),該分區(qū)考慮了北京地區(qū)巖土特性、地下水分布特性,將北京地區(qū)分為：富水區(qū)(Ⅰ區(qū))、較富水區(qū)(Ⅱ區(qū))、中等富水區(qū)(Ⅲ區(qū))、弱富水區(qū)(Ⅳ區(qū))和貧水區(qū)(Ⅴ區(qū))[5]。2006年廖建三,彭衛(wèi)平,林本海在充分考慮土體工程性質(zhì)、地下水情況、巖溶、斷裂帶等情況下,將廣州市劃分為4個大區(qū)：Ⅰ區(qū)為地下空間開發(fā)利用適宜區(qū),Ⅱ區(qū)為地下空間開發(fā)利用較適宜區(qū),Ⅲ區(qū)為地下空間開發(fā)利用適宜性差區(qū),Ⅳ區(qū)為地下空間開發(fā)利用不適宜區(qū)[6]。2010年同濟(jì)大學(xué)孫玉永,周順華,向科等對近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行了研究,提出近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定應(yīng)分為3個區(qū)(接近區(qū)、下穿區(qū)和脫出區(qū)),并給出各區(qū)長度和施工參數(shù)建議設(shè)定值的計算公式[3]

目前對于城市地鐵隧道的地層分類剛剛起步,只是根據(jù)城市的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況進(jìn)行了相關(guān)的分區(qū),并沒有涉及到盾構(gòu)隧道地層的分類,也沒有將盾構(gòu)隧道分類和施工環(huán)境風(fēng)險工程分級結(jié)合起來進(jìn)行綜合分類。

本文根據(jù)北京地區(qū)地層條件和施工環(huán)境條件的特點,進(jìn)行盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段劃分方法的研究,建立了組段劃分的方法,并成功的應(yīng)用于實際工程中。研究結(jié)果表明,該方法充分考慮了盾構(gòu)隧道圍巖特性和施工環(huán)境風(fēng)險條件,劃分方法合理,便于合理的確定各個組段內(nèi)的施工參數(shù)控制范圍,使盾構(gòu)施工過程的安全風(fēng)險控制成為可能。

2 組段劃分方法

盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段主要根據(jù)以下兩點來劃分。

(1)盾構(gòu)隧道穿越的地層性質(zhì)：盾構(gòu)施工參數(shù)確定的基本原則主要是依據(jù)盾構(gòu)開挖地層情況。

(2)盾構(gòu)施工環(huán)境條件的組合影響：除考慮盾構(gòu)隧道穿越的地層情況外,還須充分考慮盾構(gòu)施工環(huán)境條件的組合效應(yīng),亦即盾構(gòu)隧道上方地層情況及是否有重要管線,盾構(gòu)隧道上方地面和地下建構(gòu)筑物存在與否,盾構(gòu)隧道下方地下建構(gòu)筑物存在與否,地面沉降控制要求,盾構(gòu)隧道穿越特殊地層條件,如巨形漂石、水體下穿越等,都會影響到盾構(gòu)隧道組段的劃分。

盾構(gòu)隧道組段劃分的原則是根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中穿越的地層，并且綜合考慮盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風(fēng)險來進(jìn)行組段的劃分。

2.1 根據(jù)盾構(gòu)穿越地層的組段劃分

北京地區(qū)處于平原與山區(qū)相連接的地帶,城區(qū)位于平原地區(qū)的邊緣,北部和西部靠山,東部和南部連接華北平原,是一個不完整的盆地地區(qū),土層主要是第四系沖洪積層/河流相的沙、沙礫石、沙卵石以及黏土、粉土、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土等黏性土的互層,其地質(zhì)沉積層的“相變”十分明顯[5]。就一般而言,西部的粗大顆粒沉積物向東逐漸變?yōu)榧?xì)小的顆粒沉積物,且地層互層現(xiàn)象十分明顯。就北京廣大地區(qū)而言,存在著如下3種典型土層：沙礫石/沙卵石地層、粉細(xì)沙/中～粗沙地層和粉土/黏土地層,盾構(gòu)隧道穿越的地層主要是這3種土層,以及這3種土層組成的混層[7],極少數(shù)地區(qū)存在土巖混合地層。因此,結(jié)合北京地區(qū)的土層情況,將盾構(gòu)施工區(qū)間隧道穿越的地層劃分為如下6個組段。

A段：盾構(gòu)穿越的地層為黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土和粉土以及這4種土層組成的復(fù)合地層；

B段：盾構(gòu)穿越的地層為沙層,包括粉沙、細(xì)沙、中沙和粗沙；

C段：盾構(gòu)穿越的地層為礫石(卵石)層；

D段：盾構(gòu)穿越的地層為土與沙的復(fù)合土層；

E段：盾構(gòu)穿越的地層為土、沙、礫石(卵石)的復(fù)合地層；

F段：盾構(gòu)穿越的地層為土巖混合地層。

2.2 盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風(fēng)險分級

盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風(fēng)險分級主要考慮以下幾點因素：

(1)隧道的埋深；

圖3為電剖面曲線，曲線形態(tài)大致為中間低兩端高的“凹”形曲線，中間260-300號區(qū)域電阻率相對較低，呈“V”形低阻異常，其中280號點的電阻率變化較大，推斷這個區(qū)域極可能是破碎帶或者巖性變化強烈區(qū)域。

(2)地面和地下環(huán)境條件(建筑基礎(chǔ)、管線、既有軌道線路)；

(3)特殊地質(zhì)情況(漂石、隧道上方有河流等水體)；

(4)盾構(gòu)穿越的地層上覆土層的情況。

在考慮這些風(fēng)險因素后,將盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風(fēng)險分為以下3級[8]。

Ⅰ級：盾構(gòu)下穿或上穿既有軌道線路,或下穿或者臨近重要建(構(gòu))筑物,或下穿重要市政管線和河流工程,或土層中有漂石、孤石等特殊地質(zhì)情況,或隧道埋深小于9 m的淺埋隧道,或以上2種及以上情況的組合。

Ⅱ級：隧道埋深大于9 m,或隧道上方地層中有一般的市政管線,或隧道臨近或者下穿一般建筑物,或下穿重要市政道路,或地層中的不良地質(zhì)情況對盾構(gòu)施工影響較小并沒有特殊地質(zhì)情況。

2.3 盾構(gòu)施工區(qū)間隧道組段的綜合劃分

盾構(gòu)隧道組段的綜合劃分是在盾構(gòu)穿越地層組段劃分的基礎(chǔ)上，按照盾構(gòu)施工環(huán)境的組合安全風(fēng)險級別對各個組段進(jìn)行更詳細(xì)的劃分,將A、B、C、…F 6個地層組段劃分為AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ、CⅠ、CⅡ、CⅢ、…FⅠ、FⅡ、FⅢ等18個組段,即將每個地層組段按照盾構(gòu)施工環(huán)境安全風(fēng)險級別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個組段。盾構(gòu)施工區(qū)間隧道組段的綜合劃分見圖1。對北京地鐵任何一個盾構(gòu)隧道而言,都是由以上18種組段中的一種或幾種組段組合而成。

圖1 盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段的綜合劃分示意

3 工程實例

3.1 工程簡介

北京地鐵大興線01標(biāo)黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)區(qū)間,隧道埋深在10～14 m,盾構(gòu)穿越的主要地層為粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉細(xì)沙層以及這3種地層的混層。盾構(gòu)穿越/臨近的主要風(fēng)險工程有京山、京滬鐵路，黃村火車站站房，義和莊北里(六層樓房)，北京興鑫電力設(shè)備安裝有限責(zé)任公司廠房樓群，小龍河等[9]。

3.2 組段劃分

根據(jù)黃村火車站站—義和莊站區(qū)間詳勘圖、總平面圖和現(xiàn)場考察,對該區(qū)間進(jìn)行了組段劃分,組段劃分過程見圖2,組段劃分結(jié)果見表1。

圖2 組段劃分過程示意

表1 北京地鐵大興線01標(biāo)黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段

3.3 參數(shù)控制范圍

根據(jù)劃分的安全風(fēng)險組段和盾構(gòu)設(shè)備情況,確定黃村火車站站—義和莊站區(qū)間各個組段內(nèi)的盾構(gòu)主要施工參數(shù)控制范圍,確定的控制范圍見表2。

黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)區(qū)間施工時,根據(jù)先前做好的組段劃分工作,確保主要盾構(gòu)施工參數(shù)在各個組段的參數(shù)控制范圍內(nèi)變化,區(qū)間盾構(gòu)施工沒有發(fā)生安全風(fēng)險事故,并且安全、順利地下穿了京山/京九鐵路,取得了較好的安全風(fēng)險管控效果。

表2 北京地鐵大興線01標(biāo)黃村火車站站—義和莊站區(qū)間盾構(gòu)施工參數(shù)控制范圍

4 結(jié)論

結(jié)合北京地區(qū)地層特點和盾構(gòu)施工環(huán)境風(fēng)險情況，對盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段劃分方法進(jìn)行了研究,并將該方法成功應(yīng)用于北京地鐵大興線01標(biāo)黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)隧道,研究結(jié)果表明：(1)該方法充分考慮了盾構(gòu)隧道圍巖特性和施工環(huán)境風(fēng)險條件,劃分方法合理,操作性強,滿足實際工程的需要；(2)通過對盾構(gòu)隧道進(jìn)行安全風(fēng)險組段劃分,并結(jié)合盾構(gòu)設(shè)備情況,確定盾構(gòu)隧道穿越各個組段內(nèi)主要施工參數(shù)的合理控制范圍,在盾構(gòu)施工過程中確保盾構(gòu)施工參數(shù)在各個組段的參數(shù)控制范圍內(nèi),可以有效控制、規(guī)避盾構(gòu)施工過程中的安全風(fēng)險；(3)盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段劃分方法為盾構(gòu)施工安全風(fēng)險管理提供了新的思路,為盾構(gòu)施工過程的安全風(fēng)險控制提供了新方法。

盾構(gòu)隧道安全風(fēng)險組段劃分理論必須與該地區(qū)的地層情況相結(jié)合,結(jié)合北京地區(qū)的工程地質(zhì)情況進(jìn)行了相關(guān)研究,在其他地區(qū)(如：廣深地區(qū)、上海地區(qū))進(jìn)行組段劃分研究時應(yīng)結(jié)合該地區(qū)的工程地質(zhì)情況對隧道穿越地層的組段劃分重新進(jìn)行研究,盾構(gòu)施工環(huán)境風(fēng)險分級也應(yīng)根據(jù)該地區(qū)實際情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

[1] 崔玖江.盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險與規(guī)避對策[J].隧道建設(shè),2009,29(4):377-396.

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[3] 孫玉永,周順華,向科,等.近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)研究[J].中國鐵道科學(xué),2010,31(1):54-58.

[4] 朱合華,徐前衛(wèi),鄭七振,等.軟土地層土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)的模型試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2007,40(9):87-94.

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[6] 廖建三,彭衛(wèi)平,林本海.影響廣州市淺層地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)因素分析及分區(qū)評價[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2006(S2):3357-3362.

[7] 樂貴平,江玉生.北京地區(qū)盾構(gòu)施工技術(shù)[J].都市快軌交通,2006,19(2):45-49.

[8] 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司.北京市軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險管理體系[R].北京:北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,2008.

[9] 北京市市政工程設(shè)計研究總院.北京地鐵大興線01標(biāo)黃村火車站站—義和莊站區(qū)間設(shè)計說明[R].北京：北京市市政設(shè)計研究總院,2007.