新建地鐵盾構(gòu)近距離穿越在運(yùn)營(yíng)地鐵線路風(fēng)險(xiǎn)控制研究

文｜北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 尉婧明

引言

隨著北京地鐵網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，新建盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有運(yùn)營(yíng)線盾構(gòu)區(qū)間的情況逐漸增多，此類穿越工程安全控制風(fēng)險(xiǎn)高、難度大，這對(duì)軌道交通新線建設(shè)單位及既有線運(yùn)營(yíng)管理單位提出了更高的挑戰(zhàn)。本文依托北京市軌道交通17 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有機(jī)場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間工程項(xiàng)目，系統(tǒng)梳理工程風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行識(shí)別及數(shù)值分析，總結(jié)了整套近距離盾構(gòu)下穿的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，通過(guò)分析新建盾構(gòu)穿越施工全過(guò)程既有線實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)的變形規(guī)律，研究風(fēng)險(xiǎn)控制措施的效果及作用。

1 工程概況

新建北京地鐵17 號(hào)線工人體育場(chǎng)站～香河園站盾構(gòu)區(qū)間下穿首都機(jī)場(chǎng)線東直門站～三元橋站段盾構(gòu)區(qū)間，穿越段新建區(qū)間左線曲線半徑420m，右線曲線半徑350m。新建盾構(gòu)區(qū)間片外徑6.4m，內(nèi)徑6.0m，管片厚度300mm。主要穿越地層為中砂⑦1、圓礫⑦及粉質(zhì)粘土⑧層。既有盾構(gòu)區(qū)間管片外徑6m，內(nèi)徑5.4m，管片厚度300mm。新建左線區(qū)間與既有區(qū)間垂直凈距為2.956m，右線區(qū)間與既有區(qū)間垂直凈距為2.941m。

圖1 新建區(qū)間與既有地鐵位置關(guān)系總平面

圖2 新建隧道與既有地鐵位置關(guān)系剖面圖

首都機(jī)場(chǎng)線采用直線電機(jī)軌道結(jié)構(gòu)形式,主要由整體道床、走行軌、感應(yīng)板、彈性扣件組成。既有地鐵機(jī)場(chǎng)線結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)按軌道變形控制，相對(duì)于一般地鐵線路更加嚴(yán)格。由于受到感應(yīng)版供電系統(tǒng)影響，既有軌道結(jié)構(gòu)無(wú)法采用護(hù)輪軌及軌距拉桿等常規(guī)的軌道加固措施。

2 穿越工程風(fēng)險(xiǎn)控制思路

本工程穿越風(fēng)險(xiǎn)控制的研究思路如圖3。

3 穿越工程數(shù)值模擬分析

3.1 土體材料參數(shù)

本構(gòu)模型采用D-P 彈塑性模型，參數(shù)如表1所列。

圖3 穿越工程風(fēng)險(xiǎn)控制研究思路

圖4 計(jì)算模型范圍及模型相對(duì)位置關(guān)系圖

圖5 既有區(qū)間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)變形結(jié)果（mm）

3.2 模型建立

土體單元選用混合四面體三維實(shí)體單元。土體模型邊界選用地面支承邊界。模型范圍為區(qū)間兩側(cè)邊界土體取的4 至5 倍洞徑，底部取3 倍洞徑。

3.3 預(yù)測(cè)分析

既有區(qū)間豎向預(yù)測(cè)位移整體表現(xiàn)為下沉，變形量自鄰近下穿位置至遠(yuǎn)離下穿位置兩側(cè)逐漸減小，且各部位累計(jì)沉降值隨施工進(jìn)行逐步增大，新建區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)至既有線下穿部位時(shí)沉降速率明顯加快，穿越過(guò)后沉降速率降低；最大沉降發(fā)生在全部施工完成后區(qū)間中部底板部位；豎向變形最大值為-1.834mm。單線穿越沉降槽范圍約兩側(cè)各30m，雙線穿越整體影響范圍約100m。

4 盾構(gòu)穿越成套風(fēng)險(xiǎn)控制措施

通過(guò)對(duì)穿越風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的識(shí)別與數(shù)值模擬分析，針對(duì)本項(xiàng)目研究總結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施如下：

（1）設(shè)置盾構(gòu)穿越試驗(yàn)段。為總結(jié)盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良、出土量控制、同步及二次注漿等施工參數(shù)，減小盾構(gòu)施工對(duì)既有機(jī)場(chǎng)線造成的影響，在盾構(gòu)隧道通過(guò)既有線段前進(jìn)行試驗(yàn)段掘進(jìn)，試驗(yàn)段施工完成后，滿足設(shè)計(jì)及沉降要求再進(jìn)行下穿施工。

（2）采用克泥效輔助措施。為填充盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中地層與盾體之間空隙，在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)入既有機(jī)場(chǎng)線區(qū)域范圍時(shí)，通過(guò)盾體徑向孔注入高黏度塑性的膠化體，對(duì)盾體前行起到潤(rùn)滑減阻并對(duì)盾體與土體間隙起到填充支護(hù)的作用，可有效的防止注漿填充之前盾體上部土體的沉降，從而減小既有運(yùn)營(yíng)線路沉降。

（3）穿越施工前，對(duì)既有線區(qū)間隧道及軌道采取第三方監(jiān)測(cè)措施，建立完善的監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)全面的跟蹤監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注區(qū)間施工對(duì)既有線的影響，達(dá)到信息化指導(dǎo)施工的目的。

5 既有線監(jiān)測(cè)總結(jié)

盾構(gòu)穿越既有線關(guān)鍵階段主要包括刀盤(pán)進(jìn)入、盾體通過(guò)、盾尾脫出、二次補(bǔ)漿四個(gè)階段。通過(guò)分析新建17 號(hào)線左線依次穿越既有機(jī)場(chǎng)線上行線及下行線施工既有線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)入前，既有盾構(gòu)區(qū)間略有上浮，上浮量約0.2mm。刀盤(pán)進(jìn)入?yún)^(qū)間后，既有盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)始呈沉降趨勢(shì)，引起既有線階段沉降量約1.0mm。盾體通過(guò)階段，引起既有線階段沉降量約0.5mm。盾尾脫出后，既有盾構(gòu)區(qū)間持續(xù)沉降，二次補(bǔ)漿跟進(jìn)前階段沉降量約1.0mm，二次補(bǔ)漿及時(shí)跟進(jìn)后既有盾構(gòu)區(qū)間沉降穩(wěn)定。

根據(jù)表2可知，刀盤(pán)進(jìn)入及盾體通過(guò)階段的沉降占比約50%，盾尾脫出后沉降持續(xù)發(fā)展，二次補(bǔ)漿跟進(jìn)前沉降占比約50%。二次補(bǔ)漿跟進(jìn)控制可有效的遏止既有線的持續(xù)沉降，并有約+0.5mm 的控制效果。

表1 土體單元參數(shù)表

表2 穿越各關(guān)鍵階段既有線沉降統(tǒng)計(jì)表（單位：mm）

6 風(fēng)險(xiǎn)控制措施效果分析

通過(guò)分析盾構(gòu)穿越各關(guān)鍵階段既有線監(jiān)測(cè)結(jié)果，總結(jié)出穿越工程風(fēng)險(xiǎn)控制措施效果如下。

（1）根據(jù)試驗(yàn)段前地表沉降差異可知，通過(guò)數(shù)據(jù)反饋后優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，并采取克泥效填充后，地表沉降得到顯著控制。對(duì)穿越既有線沉降控制而言，掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整及克泥效的應(yīng)用主要作用在刀盤(pán)進(jìn)入及盾構(gòu)通過(guò)階段，合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及克泥效對(duì)盾體前行潤(rùn)滑減及間隙填充，可有效的控制刀盤(pán)進(jìn)入及盾構(gòu)通過(guò)階段既有線沉降，是既有線最終變形控制的關(guān)鍵手段。

（2）根據(jù)既有線第三方監(jiān)測(cè)總結(jié)可知，盾尾脫出后既有線沉降持續(xù)發(fā)展。此階段為沉降發(fā)展及控制的難點(diǎn)，沉降集中發(fā)生，但通過(guò)同步注漿，系統(tǒng)可以在出土間歇反復(fù)加壓控制脫出沉降累計(jì)值，此時(shí)沉降波動(dòng)較大，也是對(duì)既有線影響最敏感階段。

同步注漿在脫出盾尾的管片背后同步注入足量的漿液材料充填盾尾環(huán)形建筑空隙，支撐管片周圍巖體，可達(dá)到盡快穩(wěn)定地層減少擾動(dòng)與下沉量的效果。

（3）盾尾脫出后既有線沉降持續(xù)發(fā)展，通過(guò)預(yù)留的球閥對(duì)已通過(guò)的管片進(jìn)行二次補(bǔ)漿，可有效的制止沉降持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)既有線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，二次補(bǔ)漿做為施工干預(yù)控制手段，施工干預(yù)控制精度在0.5mm 左右。

7 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)既有在運(yùn)營(yíng)地鐵線路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的總結(jié)驗(yàn)證，新建盾構(gòu)隧道近距離穿越在運(yùn)營(yíng)地鐵線路工程的成套風(fēng)險(xiǎn)控制措施可操作性強(qiáng)、可靠程度高，可對(duì)后續(xù)類似穿越工程提供技術(shù)及管理方面的借鑒及參考。