地鐵盾構施工區間下穿既有鐵路的風險管控研究

何振華，何國峰，胡丹楓，程維敬，丁 堯，郭宏智

（1. 鄭州地鐵集團有限公司，河南鄭州 450000；2. 中國建設基礎設施有限公司，北京 100029；3. 中國建筑一局（集團）有限公司，北京 100161）

1 研究背景

地鐵因其速度快、運量大、噪聲小、能耗低等優點而成為推動城市高質量發展的建設重點。“十四五”規劃明確提出加強城市基礎設施建設，助力建設現代化交通強國，而這也與實現碳達峰碳中和目標直接相關。截至2021年底，我國運營的地鐵總里程達到9 724.35 km（含港澳臺）[1]，節能減排量效益明顯。

隨著城市地鐵網的不斷完善，建設中的地鐵線路區間下穿既有鐵路的現象也變得普遍。為保證既有鐵路及地鐵區間的運營與建設安全，進行合理有效的風險管控至關重要[2]。在風險評估方面，劉德兵[3]采用非線性模糊層次分析法對箱涵下穿鐵路頂進施工風險建立模型，采用專家評價法和非線性模糊算子得到最終風險等級結果。唐艷[4]采用層次分析法和模糊綜合評判方法將風險量化評估，再對主要風險源采取控制措施。劉仁輝等[5]采用層次分析法對地鐵施工安全風險進行評估。尹紫紅等[6]采用模糊綜合評價方法確定風險等級。賈劍青等[7]采用層次分析法和多級模糊綜合評價法對迎門灘—馬灘下穿黃河隧道盾構施工風險進行評價。以上研究均對案例中的現場施工風險管理進行了有效指導。

在盾構區間下穿鐵路工程采取的具體風險防范措施方面，佘才高[8]結合南京地鐵2號線下穿寧蕪鐵路工程，采取分區注漿和旋噴加固的措施，有效減小軌道的變形。徐干成等[9]基于北京地鐵14號線下穿京津城際鐵路的施工模擬結果，認為對下穿段土體進行注漿加固可有效控制不均勻沉降。鄭浩龍[10]在杭州地鐵9號線一期工程下穿滬杭鐵路框架橋的施工中，采取洞內二次注漿的措施控制持續的沉降變形。梁玉釗[11]在西安地鐵5號線平村站—阿房宮站區間下穿西戶鐵路工程中采取調整盾構土倉壓力等措施減小地表沉降。晉云雷[12]在南寧地鐵3號線長堽路站—東葛路站區間盾構下穿柳南、南廣鐵路施工采取D型便梁+洞內注漿的措施。龐振勇[13]在南京地鐵S8線下穿寧啟鐵路工程中采用注漿加固和“樁+板”加固的方法。馬相峰等[14]針對成都地鐵6號線區間小角度下穿鐵路路基的工程，采取鋼花管地層注漿的方式減小沉降。石舒[15]在杭州地鐵1號線下穿鐵路工程中采用分區注漿加固的方法，有效降低地表沉降。

通過風險評估確定風險源和風險等級并采取措施有效管控風險有利于指導施工。本文以鄭州地鐵6號線存在下穿鐵路情況的區間為研究對象，采用層次分析法和綜合指數法相結合的方式分析盾構施工的風險水平，再結合數值模擬分析確定合理的風險管控措施，為現場施工提供有效的指導和參考。

2 工程背景

鄭州地鐵6號線一期工程（以東北段馮灣—小營為例）線路整體呈西南至東北走向，起點位于西南部滎陽市賈峪鎮，途經中原區、二七區、管城回族區，終點位于金水區鄭州龍湖中環南路。此段線路包含16個區間，如圖1所示。線路全長20.83 km，平均站間距約1 023.75 m，最大站間距1 680.506 m，最小站間距515.518 m，區間最小平面曲線半徑350 m，最大坡度為27‰，區間最小埋深9.2 m，最大埋深37.3 m。全線16個區間均采用盾構法施工。

圖1 鄭州地鐵6號線一期工程馮灣—小營區間圖

本工程區間盾構機5處下穿既有鐵路線，其中第一段（D1）：京廣中路—苗圃（簡稱 “京—苗”）區間ZDK27 + 968～ZDK28 + 063下穿隴海鐵路，下穿處隧道頂埋深30.2 m，隧道與隴海鐵路豎向凈距30.2 m，隧道線間距15.4 m。第二段（D2）：京—苗區間YCK28 +260～YCK28 + 283下穿京廣鐵路，下穿處隧道頂埋深20.21 m，隧道與京廣鐵路豎向凈距20.21 m，隧道線間距16.2 m。第三段（D3）：京—苗區間YDK28 +506.8～YDK28 + 523下穿京廣鐵路路基段， 隧道結構邊緣與隴海鐵路間的距離最小值約為16.57 m。第四段（D4）：苗圃—二里崗區間YDK29 + 098～YDK29 +187下穿隴海鐵路， 隧道結構邊緣與隴海鐵路間的距離最大值約為21.68 m。 第五段（D5）：魏莊—貨站街區間YDK31 + 949～YDK31 + 993下穿隴海鐵路立交橋。隧道結構邊緣與隴海鐵路間的最小豎向距離約為 13.46 m，對應隴海鐵路處為箱涵路段， 盾構隧道下穿鐵路示意圖如圖2所示。

圖2 盾構區間與鐵路位置示意圖

3 風險評估

對本工程5處盾構區間下穿鐵路情況進行風險評估，采用層次分析法確定各指標的權重，并結合綜合指數法進行綜合評價。

3.1 指標權重確定

基于層次分析法的原理，確定評價模型的目標層有5段下穿鐵路的盾構區間的風險水平，其影響因素主要有內部風險因素和外部風險因素，各危險因素又可以分多個詳細的指標。目標層A下分2個準則層，分別為內部風險因素B1和外部風險因素B2。2個準則層下分別有3個和2個因素層，如圖3所示。

圖3 層次分析法評價模型圖

參考賈劍青等[7]應用層次分析法的案例，首先構造判斷矩陣，一般通過專家評估，按照指標重要程度的1～9標度法確定各元素的數值，再確定判斷矩陣及其特征向量，并引入平均隨機一致性指標R.I和C.I，最后得到5處下穿既有鐵路線區段的權重值，如表 1～表 5所示。

表1 第一段的指標權重值

表2 第二段的指標權重值

表3 第三段的指標權重值

表4 第四段的指標權重值

表5 第五段的指標權重值

3.2 風險綜合評價

由于評價所用的指標數據的類型和量綱不同，為在同一評價體系內對不同數據進行比較和運算，需要在評價之前對數據進行標準化處理。將下穿鐵路的風險等級劃分為3個等級：風險較大、風險適中和風險較小。利用綜合指數法將不同地段下穿鐵路區間按照專家的打分，將每個區間不同的指標賦值乘以指標權重，相加后可得到風險水平的總分。根據每個區間的總分值，將得分為6～9分的劃分為風險較大，3～6分的劃分為風險一般，1～3分的劃分為風險較小。

經計算得到的各下穿鐵路區間風險綜合得分如表 6所示。可見5段盾構區間中，第三段的風險較大，第二段和第五段的風險適中，第一段和第四段的風險較小。

表6 綜合得分表

4 數值模擬分析

4.1 模型建立

根據評價結果，選取風險較大的第三段下穿鐵路區間進行數值模擬分析。假設沿隧道開挖方向的結構和土層性質是相同的，將模型簡化為二維平面模型，采用ABAQUS有限元軟件對土體變形進行模擬分析，并以所得數值模擬數據指導現場施工環節，采取具有針對性的改進措施以確保安全。

假定土層為水平層理結構，開挖深度位于土層埋深28.5～34.94 m處，據鉆孔資料和試驗結果得到自地表至埋深60 m的土層參數如表7所示。

表7 巖土體物理力學性質

計算土層一共為8層，盾構開挖處于第六層和第七層之間。對土層第三層粉砂層采用摩爾-庫倫模型，其他土層均采用修正劍橋模型。劍橋模型中的屈服面表面尺寸取默認值1，臨界狀態應力比從淺表層至深層約為0.5～0.575，其他參數按照默認設置。地下水位埋深為4 m，假設土層為各向同性，根據對稱性簡歷1/2模型，模型尺寸為60 m×120 m，隧道區間采用泥水平衡式盾構工法進行施工，盾構直徑為6 440 mm，管片外徑為6 200 mm，內徑為5 500 m，如圖4所示。管片外圍與開挖后的土體之間的開挖間隙通過注漿形成襯砌，襯砌初凝約為4～6 h，終凝不超過8 h，此處取8 h。管片的彈性模量為35.5 GPa[16]，襯砌的彈性模量從壓力注漿至終凝分別是0.25 MPa和60 MPa。

圖4 數值模型有限元網格圖（單位：m）

4.2 土層變形特征

經計算，得到開始施工至終凝的累計垂直位移和水平位移如圖5和圖6所示。

圖5 垂直位移云圖 （單位：mm）

圖6 水平位移云圖 （單位：mm）

從垂直位移的角度看，最大垂直位移位于襯砌的位置。在一定時間內，垂直位移并未發展至地表。沉降量在地表位置約為1 mm，而在襯砌位置約為8 mm。這說明在襯砌位置的沉降上達地表前采取必要的措施可以一定程度上避免盾構施工產生的位移上達地表。而相較垂直位移，各個位置的水平位移均較小，影響的范圍也有限。

自模型左端至右端120 m范圍內，地表（埋深0 m）、埋深10 m、埋深20 m、埋深30 m、埋深40 m、埋深50 m和埋深60 m處的垂直位移和水平位移統計數據如圖7和圖 8所示。盾構隧道下方有少量回彈，上方最大沉降值出現在埋深30 m左右的位置。施工位置在水平方向逐漸遠離盾構隧道時，垂直位移迅速減小，水平位移也迅速減小。當施工位置距離盾構隧道超過15 m時，水平位移和垂直位移均小于0.5 mm。

圖7 垂直位移-距離圖

圖8 水平位移-距離圖

根據數值模擬分析，最大沉降約為8 mm。經過一段時間后，最大沉降會上達地表，影響該處鐵路的安全。由于專家一致建議將沉降值控制在5 mm以內，為減小沉降，遂決定采取這些控制措施：下穿鐵路區間采用克泥效工法，及時同步注漿及二次注漿，進一步減小因注漿壓力、注漿量不足產生的沉降。最終，施工結束7天后，地表軌面監測到的總沉降值約為2.0 mm，滿足要求。同時也印證施工過程中采取的必要措施可以避免盾構施工產生的位移傳遞至地表。其他4段下穿鐵路的風險區可參照上述措施處理，有效控制地面沉降。

5 結論

通過對存在風險的下穿鐵路區間進行風險評估和管控措施改進，有效解決風險區存在的安全問題并得到如下結論。

（1）可結合層次分析法和綜合指數法對盾構施工下穿鐵路的風險進行評估和排序，確定不同的風險等級，優先解決風險等級高的問題。

（2）盾構施工產生的沉降短時間內不會上達地表，最大位移在一定時間內主要集中在開挖間隙及襯砌上方。可采取克泥效工法和同步注漿及二次注漿等措施，有效減小地表沉降和水平位移。