高壓富水砂層超大直徑盾構隧道下穿既有地鐵影響分析和控制措施

彭沉彬 郭郅威 姜瑜 劉明高

1.北京市首發高速公路建設管理有限責任公司，北京 100071；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082

1 工程概況

北京市東六環（京哈高速—潞苑北大街）入地改造工程線路全長約16.3 km，設計車速80 km/h。全線分為直接加寬段和入地改造段。其中京津公路南至潞苑二街北區段為入地改造段，該段總長約9.2 km，以分離式隧道形式布置于六環路西側綠化帶內。

擬建隧道結構主體工程采用盾構法施工，盾構段全長7 346 m，兩端以明挖暗埋段（閉合框架結構）及敞口段（U形槽結構）與地面道路順接。盾構段隧道設計為單圓斷面，襯砌外徑D=15.4 m，內徑14.1 m，采用壁厚0.65 m、環寬2.0 m的單層平板式鋼筋混凝土通用楔形管片，以斜螺栓連接、錯縫拼裝成環。

擬建隧道穿越沿線眾多既有風險源，包括道路9條、河道3處、鐵路及軌道交通3處、燃氣管線與既有建筑物多處。

1.1 下穿既有地鐵6號線概況

擬建隧道與地鐵6號線的位置關系如圖1所示。擬建隧道在K9+730—K9+760段下穿地鐵6號線北運河東站—郝家府站區間。該區間屬地鐵6號線二期工程，于2014年12月28日正式開通運營，采用8B編組，最高運營時速100 km。北運河東站—郝家府站區間［1］長527.671 m，最大線路縱坡為22.36‰，最小縱坡為5.00‰，豎曲線半徑為5 000 m；左右線隧道結構水平凈距為9 m，頂覆土埋深約9 m。該隧道采用盾構法施工，結構外徑6.0 m，內徑5.4 m，管片厚度t=0.3 m，環寬1.2 m，分塊數6塊，采用錯縫拼裝；管片為C50鋼筋混凝土，抗滲等級P10；管片連接螺栓為C級M24，性能等級5.6級。

圖1 擬建隧道與地鐵6號線位置關系

擬建隧道頂距離地鐵6號線區間盾構結構底約20.5 m（1.3D），平面夾角約83°。

1.2 地質條件

擬建場地處于北京市通州區東部，該區域大部分位于潮白河、溫榆河近代沖積平原，地形地貌較簡單，地勢較平坦，場地標高19.85~26.08 m，地面坡度小于8°，其上部均有較厚的新近沉積土層，以粉土及黏性土交互層為主，下部為粉砂層。地層分人工堆積層（素填土）和第四紀沉積層。根據勘察資料［2］，穿越段盾構隧道頂部地層為填土、粉土、粉質黏土、細砂、中砂層；擬建隧道位于細砂、中砂、粉質黏土層［參見圖1（b）］。

①素填土。褐黃色，稍濕～飽和，稍松～中密，以亞黏土、亞砂土、細砂為主，含有少量磚渣、灰渣，局部頂層為雜填土。厚度1.20~8.60 m。

②層粉、細砂。褐黃色、灰色，灰黑色，中密～密實，潮濕～飽和。標高6 m以上，標準貫入試驗錘擊數較低，礫砂及卵石含量較少，密實度較差，為中密；標高6 m以下，標準貫入試驗錘擊數較高，礫砂及卵石含量較多，密實度較好，為密實。成分由石英、長石組成，夾有②?1亞黏土層。層厚21.20~37.40 m。

②?1亞黏土。灰色，飽和，軟塑～硬塑，含有云母、有機質、姜石，局部夾有亞砂土層。層厚1.60~9.40 m。

③亞黏土。灰色，飽和，硬塑，含有云母、有機質、姜石，局部夾有亞砂土層。層厚4.40~10.00 m。

③?1細砂。灰色，中密～密實，飽和，由石英、長石組成，含有云母。層厚2.20~6.20 m。

④細、中砂。灰色，密實，飽和，由石英、長石組成，含有云母、礫砂、卵石。層厚5.50~8.00 m。

⑤礫砂。雜色，密實，飽和，由石英、長石組成，含有卵石、中砂，卵石最大粒徑2~4 cm，卵石成分以火成巖為主，亞圓形。鉆至深度60.00 m時仍為此層。

參考DB 11/1067—2014《城市軌道交通土建工程設計安全風險評估規范》，盾構下穿該地鐵6號線區間段，環境風險等級為特級。

2 數值模擬

2.1 基本假定

1）假定盾構掘進過程中周圍的土體相對靜止，盾構每次向前推進的長度取2 m，即1個管片單元。

2）考慮到盾構的刀盤外徑大于盾構機的外徑，在盾構機外圍有一定厚度的間隙，通過參考相關文獻并考慮工程實際情況，采用開挖后隧道應力釋放來模擬空隙對沉降的影響，應力釋放率取20%。

3）盾構管片的拼接方式采用錯縫拼接，縱向剛度較大，因此不考慮管片接頭及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的影響。

2.2 模型建立

擬建隧道襯砌結構采用板單元模擬，板單元厚度為0.65 m；既有地鐵6號線襯砌結構采用板單元模擬，板單元厚度為0.3 m。在有限元軟件MIDAS/GTS/NX中，模擬隧道結構的板單元等效為各向同性彈性材料。考慮盾構管片接頭的存在，對盾構管片的剛度進行折減，折減系數取0.85，彈性模量取30 GPa。

模型將土體簡化為8層，均采用實體單元模擬，土體等效為各向同性材料，其本構模型采用D?P模型。根據實際地質情況并參考以往施工經驗，三維計算模型上邊界取到地表，豎向取70 m，寬度取140 m（盾構隧道兩側各3D），縱向取52 m（地鐵6號線兩側各取約3D）；地鐵6號線埋深約為9 m，擬建隧道埋深約為35 m。模型以左下角為原點，水平向右為x軸方向，沿隧道軸向向內為y軸正方向，垂直向上為z軸正方向，整個模型在x、y、z方向大小分別為140、60、70 m。模型共劃分網格單元406 691個，節點72 704個。

有限元模型上表面為地表自由面，不設置約束，側面施加水平約束，底部施加豎向約束。模型網格劃分采用自動劃分四面體網格。豎直方向應力按土層自重應力，水平方向應力按照自重應力的側壓力系數換算。

2.3 數值模擬步驟

模型初始平衡后，6號線襯砌在初始階段激活，開始進行擬建盾構隧道的開挖。采用動態模擬，具體過程為：凍結需要開挖的土體單元，模擬盾構開挖；激活相應的管片單元，模擬管片襯砌。通過凍結開挖土體、激活管片單元模擬盾構機開挖過程、盾構管片拼裝等關鍵步驟，相同步驟多次循環進行直到隧道貫通。由北向南掘進，2 m為1個開挖步，兩條隧道掘進共分為52個開挖步。

3 計算結果分析

3.1 位移分析

模型中地表最大沉降處對應的橫向沉降槽曲線見圖2。可知，地表最大沉降為3.19 mm，橫向沉降槽約為雙線隧道各自中軸線兩側各30 m范圍，且沉降較大范圍主要集中在雙線隧道各自中軸線兩側20 m范圍內。

圖2 地表最大沉降處的橫向沉降槽曲線（單位：m）

地鐵6號線襯砌橫向沉降槽曲線見圖3。可知，盾構隧道開挖過程中，地鐵6號線區間隧道頂部產生一定沉降，右線最大沉降為3.07 mm，左線最大沉降為2.82 mm，均滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》既有軌道交通隧道結構變形控制要求。

圖3 地鐵6號線襯砌橫向沉降槽曲線（單位：m）

3.2 應力分析

根據應力計算結果，開挖過程中擬建隧道周邊沒有出現明顯的塑性區。

綜上，擬建隧道下穿地鐵6號線施工過程中，地表沉降及6號線襯砌結構沉降均在變形控制標準內且影響不大。

4 工程控制措施

4.1 設計原則

1）盾構法施工地下工程要嚴格控制施工中引起的地面沉降量。對建筑物允許產生的沉降量和次應力，應根據不同建筑物按有關規程、規范及要求予以驗算。

2）通過工程類比、數值模擬、解析法等分析并制定合理的控制指標。

3）加固設計采取地面與地下相結合的原則。

4）采用信息化設計和施工方法，并建立相應的監控量測和信息反饋制度。

4.2 位移控制指標及措施

根據相關安全性分析結論及GB 50446—2017《盾構法隧道施工及驗收規范》、DB 11/T 915—2012《穿越城市軌道交通設施檢測評估及監測技術規范》等規范要求，提出下穿地鐵6號線位移控制標準，見表1。

表1 下穿地鐵6號線位移控制標準

借鑒國內尤其是北京地區盾構隧道下穿軌道交通類似條件下的成功工程實踐［3-9］，在東六環改造項目擬建盾構隧道下穿既有地鐵6號線的工程中，主要采用以下控制措施。

1）在盾構機穿越地鐵6號線前設置一定長度的試驗段，對盾構掘進參數進行全面試驗與總結。同時做好監測點布設，并取得原始數據。

2）盾構隧道下穿地鐵6號線及其影響段采用加強管片配筋形式，預留管片應急注漿孔。

3）嚴格控制盾構掘進姿態，及時調整泥水壓力，減小對土體的擾動，做到連續、均衡、平穩推進。

4）通過盾構機殼體上的徑向預留孔向外側注入高濃度泥水材料及水玻璃漿液，盡可能多點同時注入以便及時填充開挖直徑和盾體之間的空隙。

5）盾構施工注意控制掌子面壓力，及時填充開挖斷面和隧道的空隙，減少盾構掘進的影響。選取快凝、早強、滲透好、止水性強的同步注漿材料，確保很好地起到填充、隔水作用。

6）管片脫離盾尾數環起，應及時進行二次補注漿及多次補注漿，注入量及注漿壓力由施工單位根據現場實際情況進行控制。

7）合理進行盾構機姿態調整，應當采取勤糾偏、小糾偏方式，降低超挖量，合理排布管片，確保盾尾與管片的間隙均勻合理，避免間隙偏差過大造成漏水。

8）加強管片拼裝質量控制。主要控制管片的縱向、環向錯臺，控制管片的橢圓度不超差，同時注意保護管片膠條的完整。

9）開展管片背后注漿填充效果監測，注漿效果達不到設計要求時應及時補充注漿。

10）盾構掘進施工過程中，加強地鐵區間結構與軌道、地表等監測，必要時進行跟蹤注漿加固。

5 結論

1）擬建盾構隧道下穿地鐵6號線時，地表沉降及6號線襯砌結構沉降均在變形控制標準內，且影響不大，安全風險可控。

2）參照北京地區類似工程經驗，擬建盾構隧道通過設置試驗段、加強中盾注漿、控制掘進姿態、加強監測、做好地鐵軌道防護等措施可大幅降低相關施工風險。