盾構隧道穿越海河影響分析及風險應對

孔 慧

(天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300051)

九河下梢的海河橫穿天津城區而過，地鐵建設過程中，線路不可避免與其交叉。除了已通車運營的地鐵1號線、2號線、3號線、5號線，目前正在緊張建設中的地鐵4號線區間盾構隧道亦將下穿海河。

1 工程、水文地質概況

1.1 工程概況

天津地鐵4號線土壓平衡盾構隧道在金阜橋下游約300 m處，以單圓單線雙隧道方式穿越海河，與河道交角為96°。盾構隧道輪廓線頂距離河底最近為10.2 m，距離西岸預制鋼板樁最近約為9.033 m，距離東岸預制鋼板樁最近約為5.389 m，河面寬度約102.1 m。

穿越海河段埋深情況詳見表1。

表1 地鐵穿越海河段埋深特征值表 m

1.2 工程地質和水文地質情況

盾構隧道洞身通過范圍內，土均勻性較好。地層主要為第Ⅰ海相層⑥4粉質粘土層、⑥5粘質粉土層、⑥6粉質粘土層、第Ⅱ陸相層⑦1，⑧1粉質粘土層及⑧2砂質粉土層、第Ⅲ陸相層⑨2粉砂土層。其中⑧2砂質粉土層、⑨2粉砂土層透水性好，為承壓含水層。

1.3 地鐵成功穿越海河的案例

表2 地鐵盾構穿越海河段埋深特征值對比表 m

天津市地鐵1號線、2號線、3號線、5號線區間盾構隧道均曾成功穿越海河，并順利接收，目前盾構隧道運營狀況良好，為地鐵4號線區間盾構下穿海河積累了寶貴的經驗。地鐵4號線與2號線、3號線、5號線盾構隧道穿越海河段埋深特征值對比情況[1-3]見表2。

在工程建設方案中體現類似盾構隧道穿越海河工程成功案例，可為盾構隧道穿越海河工程建設方案審查提供支持，為河道管理部門決策提供參考。

2 盾構隧道穿越海河影響分析

地鐵4號線下穿海河采用盾構法施工，盾構頂距河床底9 m以上，工程實施后不會對河道行洪、排澇造成壅水影響，不過有可能會受到洪水沖刷的影響，需進行河道沖刷分析，保證盾構隧道在海河設計行洪、排澇條件下的安全，即地鐵埋深應大于河道沖刷深度。

2.1 河道沖刷分析

根據巖土工程詳細勘察報告，本工程段海河河床土質主要為粉質粘土，屬粘性土，計算采用《鐵路工程水文勘測設計規范》中粘性土河床沖刷計算公式進行估算[4]。計算公式分為河槽和灘地兩部分，河槽、河灘部分計算公式分別為：

式中符號含義見TB 10017—99鐵路工程水文勘測設計規范，計算結果見表3。

表3 河道沖刷深度計算表

行洪工況下，海河設計行洪流量為800 m3/s，設計水深為13.46 m；海河排澇工況下，設計排澇流量為187.8 m3/s時，設計水深為11.79 m。以上兩種工況計算沖刷后最大水深均小于設計水深，均不會對河道造成沖刷影響。因此，該段河道不會發生沖刷，沖刷線高程可視為現狀河底高程。

2.2 對河道泄洪及河勢穩定影響分析

地鐵4號線盾構隧道下穿海河，通過沖刷計算，工程段海河無一般沖刷，盾構隧道不會被沖刷而露出河床，不會改變河道的自然行洪狀態，對河道行洪不會產生阻水影響，也不會改變河道水流流態，工程建成后對河道行洪、排澇沒有影響。盾構頂距左岸護岸樁樁底超過5 m，距右岸護岸樁樁底超過9 m，工程建成后不會對堤防、護岸造成不利影響。此外，盾構隧道建設期及運行期均沒有改變地面交通布局，對防汛搶險不會產生不利影響。

但結合盾構隧道穿越海河處的地理位置以及工程、水文地質等特點，地鐵4號線采用盾構掘進過程中有可能發生河底坍塌、盾構機擊穿河床、施工引起的地面沉降或隆起導致河岸失穩等危險情況，這時將可能對河道行洪排澇蓄水及河勢穩定產生不利影響，對河道兩岸堤防護岸產生較大的不利影響，也將對地鐵隧道工程自身安全產生不利影響。

2.3 對河道兩岸管線影響分析

經對管線圖紙核查和實地調查，地鐵4號線盾構隧道穿越海河兩岸埋設有天然氣、輸配水、污水、電信、供電等多條管道或線路，與地鐵左右線接近垂直下穿，埋深大多在1 m～2 m范圍內。項目建成運營后不會對各條管道或線路造成影響。

但工程施工時，應提前協調好與第三人合法水事權益的關系，避免發生糾紛。

3 工程影響防治及風險應對措施

3.1 風險源專項設計

根據《天津地鐵4號線地下工程安全風險等級劃分指導標準》，盾構區間下穿海河處環境風險等級識別為Ⅰ級。為使地鐵4號線盾構隧道施工過程中順利穿越海河，同時確保地鐵自身、河道及其沿線堤防護岸的安全，進行了地鐵4號線區間盾構下穿海河Ⅰ級風險源專項設計，提出了下穿海河風險源保護措施、盾構施工對海河影響的變形控制指標、海河風險源的監測及預警預案等。

3.2 編制專項施工方案

根據海河的水文地質條件、與盾構隧道區間的相對位置關系等情況，經過詳細的調查研究，全面考慮盾構機下穿海河的風險，制定經濟合理、安全可靠的專項施工方案，最大限度減少隧道施工對海河的影響，有效控制海河及周圍的地表沉降，確保盾構安全下穿海河。

1)設備檢修停機點的選擇。

根據盾構穿越海河的周邊環境和地質條件以及盾構法施工特點，結合河道管理部門的意見和建議，盾構機穿越海河前，停機點選在左線DK28+300(右線DK28+320)處。對盾構機進行全面檢查，對管路、動力設備、傳感設備等進行徹底的檢查和維修，以確保盾構機在有保障的良好狀態下進行下穿海河掘進工作。

2)確保非汛期施工。

海河是天津市重要的行洪排澇河道，穿越海河工程施工不能跨越汛期，必須確保在非汛期進行，以避免一旦海河行洪或排澇時盾構施工發生河底坍塌、盾構機擊穿河床等危險情況，對海河行洪排澇蓄水以及地鐵隧道工程自身安全產生不利影響。該工程盾構下穿河道范圍長度約102 m，掘進工效按平均每天6.5 m考慮，16 d完成穿越海河。

3.3 加強河道風險源的監測

盾構隧道穿越海河范圍內，監測等級為一級，編制了專項監測方案。主要監測項目有地表沉降觀測、管片結構豎向位移、管片結構凈空收斂。地表沉降允許值：地表沉降30 mm，地表隆起10 mm；警戒值：地表沉降24 mm，地表隆起8 mm。

盾構機穿越海河期間，由于河內無法布設監測點，在監測實施過程中將采取以下措施：

1)在盾構機入河前加密布設監測點、斷面監測，將監測點一直延伸至河道岸邊，為盾構機順利掘進提供更可靠的監測數據。護岸處主測斷面測點布置見圖1。

2)盾構機入河后，調整隧道內拱頂沉降及收斂的監測點監測頻率(1 d 2次)。

3)加強該區域河面及隧道內的日常巡視，主要觀察海河河面氣泡等情況，隧道內主要巡視理論出土量及實際出土量的差異對監測數據加以分析，確保盾構機順利通過。

3.4 其他管理措施

1)合理安排施工進度，編制地鐵工程建設期和運行期應急預案。2)施工過程中積極接受河道主管部門的監督管理和現場檢查，盾構掘進期間不得影響河道的運行和管理。

4 結語

地鐵4號線盾構隧道穿越海河：

1)施工過程中有可能發生河底坍塌、盾構機擊穿河床、施工引起的地面沉降或隆起導致河岸失穩等的風險，進而可能對河道行洪排澇蓄水及河勢穩定產生不利影響，對河道兩岸堤防護岸以及盾構隧道自身安全產生不利影響。

2)采取進行風險源專項設計，編制專項施工、監測方案，采取合理選擇停機檢修點、非汛期施工、加強風險源監測與信息反饋、及時與河道管理部門溝通等措施，保證河道行洪排澇蓄水安全及堤防護岸穩定，保障盾構機安全順利穿越海河。