盾構隧道下穿既有線性電機隧道安全風險控制研究

劉衛強

摘 要：目前各城市地鐵運營線路越來越多，新建線路下穿既有線路施工安全風險成為重要研究課題。北京地鐵新建 17 號線所下穿的既有機場線為線性電機盾構隧道，其供電采用感應板方式，比傳統的第三軌或接觸網方式對沉降控制要求更為嚴格，風險控制難度更大。文章通過下穿施工安全風險識別分析、既有機場線結構沉降模擬分析、施工監測分析，提出新建 17 號線下穿既有機場線安全風險控制及保障措施，以期為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：地鐵;下穿既有線;線性電機隧道;安全風險;控制措施

中圖分類號：U455.43

1 工程概況

新建北京地鐵17號線工程工人體育場站—香河園站區間（以下簡稱工—香區間）位于北京市東二環與東三環之間，南起工人體育場站，沿新東路向北，途經大使館區，下穿亮馬河、機場線東直門站—三元橋站區間（以下簡稱東—三區間）、機場路高架橋后接入香河園站（圖1），區間全長1970m。17 號線盾構區間下穿既有機場線區域埋深約24 m，與既有機場線最小垂直凈距為2.941 m，水平交角75°，該區段左線半徑420 m，右線半徑350 m，盾構管片外徑6.4 m，管片厚度0.3 m。施工時區間盾構機在香河園站始發，在工人體育場站前設盾構吊出井接收。

17號線主要穿越地層為中砂⑦1、圓礫⑦及粉質黏土⑧層;既有首都機場線東—三區間在穿越位置埋深約15 m，主要穿越地層為粉質黏土④及粉質黏土⑥層，隧道中心距約13 m，盾構管片外徑6 m，管片厚度0.3m。

2 安全風險辨識

2.1 17號線自身安全風險

（1）工—香區間始發約160 m后即進入既有線下穿影響范圍，距離較短，給盾構適應性和掘進參數確認帶來很大難度。

（2）本次穿越既有機場線區段最小曲線半徑為R = 350 m（右線），最大坡度為28‰下坡，對盾構機掘進時的姿態控制要求極高。

2.2 既有機場線安全風險

（1）與北京市其他地鐵運營線路的傳統供電制式（接觸網或第三軌）不同，機場線采用感應板供電模式（圖2），對道床及感應板沉降控制標準極為嚴苛（誤差 +1/-2 mm）。

（2）在工—香區間穿越段，既有機場線列車行駛速度高（最高100km/h），動荷載大，不像在車站附近穿越，列車進出站行駛速度緩慢。

（3）既有機場線區間為盾構隧道區間，屬于裝配式結構，抵抗變形的剛度沒有現澆的暗挖結構大，導致沉降變形控制難度增大。

2.3 相互間距安全風險

首都機場線和17號線的豎向最小凈距2.94 m，穿越施工安全風險極高，并且是盾構下穿盾構，這樣的成功實例極少、經驗欠缺。

2.4 社會輿情風險

既有首都機場線是連接北京城市中心區與首都國際機場之間的點對點運營的唯一地鐵線路，一旦停運導致旅客滯留，全國社會影響面廣，乃至可能造成國際影響。

2.5 既有機場線沉降風險模擬分析

2.5.1 模型建立

盾構機本身的機械尺寸就是從刀盤（外徑6640mm）、盾尾（外徑6590mm）到成型管片（外徑6400mm），外徑由大逐漸變小，盾構機通過之后，上方必定產生一定的沉降量。考慮到17號線盾構掘進施工引起的上方土層沉降風險，結合圍巖的非線性特性、17號線隧道的施工步序和開挖面空間效應所形成的三維狀態，本文建立三維地層-結構模型，對既有機場線結構進行結構變形模擬計算分析，確認17號線盾構穿越機場線施工技術風險。模型中土層及注漿體采用實體單元，盾構管片結構采用板殼單元進行模擬;區間兩側邊界土體取4～5倍洞徑，底部取3倍洞徑，共劃分 152448個單元，61 596個節點;采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面，4個側面地層邊界限制水平位移，下部邊界限制豎向位移;地面超載取20 kPa（圖 3）。模擬計算步驟按照隧道施工順序進行，左右線各分4個步序（左線CS1～CS4，右線CS5～CS8）進行開挖，每步施工分2個階段，即盾構掘進→安裝盾構管片+注漿（圖4）。

2.5.2 沉降風險模擬結果分析

（1）圖5給出了新建17號線下穿施工引起既有機場線結構沉降模擬計算結果，由圖可知，既有機場線結構表現為下沉，下沉量自鄰近下穿位置至遠離下穿位置逐漸減小，盾構掘進至既有機場線下穿部位時沉降速率明顯加快，穿越過后沉降速率降低，最大沉降發生在全部施工完成后的既有機場線左線，最大沉降為1.83mm，右線最大沉降為1.72 mm，滿足QB（J）BDY（A）XL003-2015《北京市地鐵運營有限公司企業標準——工務維修規則》所規定的感應板豎向變形+1/-2 mm綜合維修軌道變形要求。

（2）通過既有機場線結構變形模擬計算分析及對其周邊環境和工程自身安全風險研判、識別和評估后，認為17號線穿越既有機場線理論上可行，但存在的安全風險不容小覷。根據《北京軌道交通工程安全風險管理體系》，對此次盾構穿越既有線施工定性為特級風險源，穿越時仍需要采取針對性的安全風險控制措施。

3 安全風險控制及保障措施

（1）克泥效控制。采用濃度為400kg/m3的克泥效溶液，每環注入量控制在0.4 m3，注入壓力控制為0.4MPa。主要填充盾構機開挖過程中地層與盾體之間空隙，起到填充支護的作用，可有效防止注漿填充之前盾體上部土體的沉降，同時對盾體前行起到潤滑減阻作用（圖6）。

（2）渣土改良控制。對于土倉渣土，利用泡沫劑改良，其溶度根據實際情況優化調整。在渣土明顯干燥時，通過刀盤中心加水控制，若發現螺旋機出渣口渣土較稀時，立即調小刀盤中心加水流量。

（3）同步注漿控制。盾尾脫出后，通過同步注漿有效控制盾尾脫出后的沉降，保證同步漿液注入后及時起到填充作用，彌補地層損失（圖7）。同步漿液在地面初凝時間控制在2 h內，井下初凝時間控制在4 h內，固結率保持在96%以上，注漿壓力控制在0.2～0.5 MPa，注入量控制在5 m3左右。

（4）二次注漿控制。為有效控制盾尾脫出后的沉降，在管片脫出盾尾3～5環后及時進行二次注漿（圖 7），注漿頻率為每環1次，注漿點位調整為1點、11點，交替進行，注漿壓力控制在0.5 MPa以內。二次注漿材料為P.O42.5級普通硅酸鹽水泥及水玻璃，配合比為水泥 ： 水= 1 ： 1（質量比），水泥漿 ： 水玻璃= 2 ： 1（體積比）。

（5）徑向注漿控制。為有效控制盾構通過后期的二次沉降，注漿位置選取管片脫出盾尾后15環，注漿點位主要集中在3點、9點以上，預埋注漿球閥，多頻低壓多次注漿（圖7）。注漿材料選擇P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，配比為水泥 ： 水= 1 ： 1（質量比），壓力控制在0.5MPa之內。

（6）人員組織保障。由建設單位牽頭，組織運營單位及設計、監測、監理和施工等參建單位，并邀請行內專家成立盾構穿越既有線工作組，主要負責穿越過程中的技術支持、施工控制、實時監測和應急聯動等工作。要求穿越施工期間各單位派人進行現場值守，保障盾構穿越既有線期間現場安全可控。

（7）機械設備保障。由機電設備部門安排專人負責對龍門吊、電瓶車、攪拌機和盾構機等設備的檢查和保養工作，提前排除隱患，儲備易損備件;聯系制造廠家安排維保人員提前駐場，保障盾構穿越既有線期間設備運轉正常;同時，保證左右線內的機械備品備件能夠相互調用。

（8）物資材料保障。盾構穿越前，物資部門召集各供應商召開聯動會議，要求各供應商對物資的供應進行確定，保障現場材料質量合格、儲備充足，包括盾尾油脂、泡沫劑、水玻璃、水泥、砂、膨潤土、同步注漿料等消耗型材料，以及水管、鋼軌、走道板、鋼枕、走道板支架等周轉材料。

4 下穿施工監測

4.1 監測點布設及數據采集

在盾構下穿既有線前，在既有機場線隧道內布置靜力水準測點，進行動態監測并及時反饋信息，以便有針對性地采取安全防控措施，及時調整盾構掘進參數，做到信息化施工，保障既有線運營安全（圖8）。

4.2 左線監測

根據試驗段確定的掘進參數，17號線在2019年7 月18日進行連續下穿，既有線左線結構最終沉降值為1.39 mm。下穿施工過程中主要采取的技術措施及監測結果如下（圖9）。

（1）根據理論計算及前期試驗段成果，在刀盤進入既有線前適當提高土壓約0.4 bar，此時既有線左線結構出現約+ 0.3 mm的隆起。

（2）盾構通過時，從盾體上方徑向孔注入克泥效溶液，壓力和注入量與試驗段相同;密切關注泡沫濃度及加水量，做好渣土改良，控制出土量。此時既有線左線結構出現約-1.1 mm的沉降。

（3）盾尾剛剛脫出時進行同步注漿，注漿量及注入壓力與試驗段相同。盾尾完全脫出后，既有線左線結構出現約-2.0 mm的沉降。

（4）盾尾脫出3環后及時進行二次注漿，注漿位置為1點、11點，注漿頻率為每環1次，交替注入，壓力控制在0.5 MPa以內，與試驗段相同。二次注漿后，既有線左線結構出現約1.1 mm的隆起。

（5）根據后期沉降情況及時進行徑向注漿，注漿方式調整為小壓力、多頻次注漿，使沉降趨于穩定。盾構完全通過后，通過徑向注漿，既有線左線結構最終累計沉降為-1.39 mm。

4.3 右線監測

通過對左線穿越的經驗進行及時總結分析和調整優化，使對右線結構沉降控制比左線結構更好，最終沉降值為1.3 mm。下穿施工過程中主要采取的技術措施及監測結果如下（圖10）。

（1）根據理論計算及盾構穿越左線經驗，在刀盤進入右線前適當提高土壓約0.4 bar，此時既有線右線結構出現約+ 0.3 mm的隆起。

（2）盾構通過時，從盾體上方徑向孔注入克泥效溶液，壓力和注入量與左線相同;密切關注泡沫濃度及加水量，做好渣土改良，控制出土量。此時既有線右線結構出現約-1.0mm的沉降。

（3）盾尾剛剛脫出時，進行同步注漿，減小沉降趨勢，注漿量為5～6 m3，注入壓力為0.5～0.6 MPa。盾尾完全脫出后，既有線右線結構出現約-1.7 mm的沉降。

（4）盾尾脫出后3環及時進行二次注漿，注漿位置為1點、11點，注漿頻率為每環1次，交替注入，壓力控制在0.5 MPa以內，與左線相同。二次注漿后既有線右線結構出現約+ 0.5 mm的隆起。

（5）根據后續沉降情況及時進行徑向注漿，注漿采用小壓力、多頻次注漿，使沉降趨于穩定。通過徑向注漿，既有線右線結構最終累計沉降約為-1.3 mm。

5 結論

（1）本次17號線下穿既有機場線過程中通過實時監測數據的反饋，及時調整掘進參數和控制措施，使得穿越對既有線及周邊環境影響較小，其中盾構穿過既有線左線后造成既有線左線結構最大沉降約-1.39 mm，盾構穿過既有線右線后，既有線右線結構沉降最終穩定在-1.3 mm;盾構下穿過程中掘進參數平穩正常，掘進姿態良好，未發生監測預警;晚上停運時段對隧道結構豎向和收斂、軌道結構豎向和軌道靜態幾何尺寸、管片錯臺等進行了人工測量檢查和現場巡視，均未發現異常情況。

（2）本次下穿施工采取事前控制的措施，著眼于安全風險辨識，在下穿掘進時及時反饋監測信息并進行動態調整，真正做到了“預防預控、過程管理”，最終實現施工安全風險控制目標。

參考文獻

[1]洪開榮，吳學松. 盾構施工技術[M]. 北京：人民交通出版社出版，2009.

[2]丁樹奎.城市軌道交通建設安全管理體系[M]. 北京：中國鐵道出版社，2019.

[3]北京市軌道交通建設管理有限公司.北京軌道交通建設工程安全技術風險管理體系[S]. 2018.

[4]QB（J）BDY（A）XL003-2015 北京市地鐵運營有限公司企業標準——工務維修規則[S]. 2015.

[5]曾向榮，吳建忠，孫大新，等.首都機場線直線電機系統的軌道設計與創新[J].都市快軌交通，2009（1）.

[6]邊金，陶連金，郭軍.盾構隧道開挖引起的地表沉降規律[J].地下空間與工程學報，2005（4）.

[7]魏綱. 盾構隧道施工引起的土體損失率取值及分布研究[J].巖土工程學，2010（9）.

[8]劉紀峰，陶龍光，劉波.考慮盾構施工擾動土體固結的地層沉降計算[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2009（5）.

[9]張恒臻. 地鐵盾構隧道下穿既有鐵路沉降分析與控制研究[D]. 北京：北京交通大學，2015.

[10] 李園，盾構施工地層變形的三維數值模擬及試驗研究[D]. 天津：天津大學，2004.

[11] 馬云新. 克泥效抑制沉降工法在盾構近距離下穿地鐵既有線工程中的應用[J]. 施工技術，2015（1）.

[12] 張靜，施燁輝，盧浩，等. 隧道盾構施工風險信息系統研究[J]. 現代城市軌道交通，2015（2）.

[13] 王健. 盾構隧道施工安全管理[J]. 現代隧道技術，2006（5）.

[14] 李軍，雷明鋒，林大涌. 城市地鐵盾構隧道下穿運營鐵路施工控制技術研究[J]. 現代隧道技術，2018（2）.

[15] 張旭生，劉振宇，莫中生. 基于TCA2003的自動監測系統在地鐵保護中的應用[J]. 測繪與空間地理信息，2016（6）.

[16] 魏本現. 自動化變形監測技術發展與在廣州地鐵中的應用[J]. 工程建設與設計，2012（10）.

[17] GB 50652-2011 城市軌道交通地下工程建設風險管理規范[S]. 2011.

[18] GB/T 50839-2013 城市軌道交通工程安全控制技術規范[S]. 2013.

[19] GB 50446-2017 盾構法隧道施工及驗收規范[S]. 2017.

[20] GB 50911-2013 城市軌道交通工程監測技術規范[S]. 2013.

[21] 中華人民共和國交通運輸部.城市軌道交通運營安全風險分級管控和隱患排查治理管理辦法[S]. 2019.

[22] 房居旺. 盾構隧道下穿既有地鐵車站施工影響及控制措施研究[J]. 現代城市軌道交通，2019（2）.

收稿日期 2019-12-02

責任編輯 朱開明