北京地鐵盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法研究

楊志勇,江玉生,江 華,錢丹丹,譚 雪

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083)

1 概述

盾構(gòu)施工過程中存在著大量的風險因素需要控制,例如盾構(gòu)施工參數(shù)設置不當導致地表塌陷,盾構(gòu)操作不當導致盾構(gòu)刀具劇烈磨損、崩齒等[1-2],這些由于盾構(gòu)施工過程中施工參數(shù)控制不當、操作失誤或者判斷錯誤所導致的風險隨時可能發(fā)生,而且防不勝防。目前國內(nèi)外針對盾構(gòu)隧道施工的安全風險管理的研究大多集中在風險評估和風險識別方面,對于如何控制盾構(gòu)施工過程中的安全風險的研究尚不多見。盾構(gòu)施工過程的有效管理和風險控制很大程度上依賴于盾構(gòu)施工參數(shù)設定的合理性[3-4]。如何根據(jù)盾構(gòu)隧道的地層條件、施工環(huán)境條件等確定隧道穿越不同區(qū)段內(nèi)主要施工參數(shù)的合理控制范圍是實現(xiàn)盾構(gòu)施工過程安全風險控制的基礎。因此,尋求一種既能夠考慮盾構(gòu)隧道圍巖特性,又能考慮到環(huán)境風險條件的盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法,對盾構(gòu)施工過程的安全風險控制有著重要的意義。

國內(nèi)外地鐵隧道工程方面關(guān)于隧道分類或者分區(qū)的相關(guān)研究很少。2004年，侯景巖提出了北京地區(qū)隧道及地鐵工程地質(zhì)條件分區(qū),該分區(qū)考慮了北京地區(qū)巖土特性、地下水分布特性,將北京地區(qū)分為：富水區(qū)(Ⅰ區(qū))、較富水區(qū)(Ⅱ區(qū))、中等富水區(qū)(Ⅲ區(qū))、弱富水區(qū)(Ⅳ區(qū))和貧水區(qū)(Ⅴ區(qū))[5]。2006年廖建三,彭衛(wèi)平,林本海在充分考慮土體工程性質(zhì)、地下水情況、巖溶、斷裂帶等情況下,將廣州市劃分為4個大區(qū)：Ⅰ區(qū)為地下空間開發(fā)利用適宜區(qū),Ⅱ區(qū)為地下空間開發(fā)利用較適宜區(qū),Ⅲ區(qū)為地下空間開發(fā)利用適宜性差區(qū),Ⅳ區(qū)為地下空間開發(fā)利用不適宜區(qū)[6]。2010年同濟大學孫玉永,周順華,向科等對近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)進行了研究,提出近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)設定應分為3個區(qū)(接近區(qū)、下穿區(qū)和脫出區(qū)),并給出各區(qū)長度和施工參數(shù)建議設定值的計算公式[3]

目前對于城市地鐵隧道的地層分類剛剛起步,只是根據(jù)城市的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況進行了相關(guān)的分區(qū),并沒有涉及到盾構(gòu)隧道地層的分類,也沒有將盾構(gòu)隧道分類和施工環(huán)境風險工程分級結(jié)合起來進行綜合分類。

本文根據(jù)北京地區(qū)地層條件和施工環(huán)境條件的特點,進行盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法的研究,建立了組段劃分的方法,并成功的應用于實際工程中。研究結(jié)果表明,該方法充分考慮了盾構(gòu)隧道圍巖特性和施工環(huán)境風險條件,劃分方法合理,便于合理的確定各個組段內(nèi)的施工參數(shù)控制范圍,使盾構(gòu)施工過程的安全風險控制成為可能。

2 組段劃分方法

盾構(gòu)隧道安全風險組段主要根據(jù)以下兩點來劃分。

(1)盾構(gòu)隧道穿越的地層性質(zhì)：盾構(gòu)施工參數(shù)確定的基本原則主要是依據(jù)盾構(gòu)開挖地層情況。

(2)盾構(gòu)施工環(huán)境條件的組合影響：除考慮盾構(gòu)隧道穿越的地層情況外,還須充分考慮盾構(gòu)施工環(huán)境條件的組合效應,亦即盾構(gòu)隧道上方地層情況及是否有重要管線,盾構(gòu)隧道上方地面和地下建構(gòu)筑物存在與否,盾構(gòu)隧道下方地下建構(gòu)筑物存在與否,地面沉降控制要求,盾構(gòu)隧道穿越特殊地層條件,如巨形漂石、水體下穿越等,都會影響到盾構(gòu)隧道組段的劃分。

盾構(gòu)隧道組段劃分的原則是根據(jù)盾構(gòu)掘進過程中穿越的地層，并且綜合考慮盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風險來進行組段的劃分。

2.1 根據(jù)盾構(gòu)穿越地層的組段劃分

北京地區(qū)處于平原與山區(qū)相連接的地帶,城區(qū)位于平原地區(qū)的邊緣,北部和西部靠山,東部和南部連接華北平原,是一個不完整的盆地地區(qū),土層主要是第四系沖洪積層/河流相的沙、沙礫石、沙卵石以及黏土、粉土、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土等黏性土的互層,其地質(zhì)沉積層的“相變”十分明顯[5]。就一般而言,西部的粗大顆粒沉積物向東逐漸變?yōu)榧毿〉念w粒沉積物,且地層互層現(xiàn)象十分明顯。就北京廣大地區(qū)而言,存在著如下3種典型土層：沙礫石/沙卵石地層、粉細沙/中～粗沙地層和粉土/黏土地層,盾構(gòu)隧道穿越的地層主要是這3種土層,以及這3種土層組成的混層[7],極少數(shù)地區(qū)存在土巖混合地層。因此,結(jié)合北京地區(qū)的土層情況,將盾構(gòu)施工區(qū)間隧道穿越的地層劃分為如下6個組段。

A段：盾構(gòu)穿越的地層為黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土和粉土以及這4種土層組成的復合地層；

B段：盾構(gòu)穿越的地層為沙層,包括粉沙、細沙、中沙和粗沙；

C段：盾構(gòu)穿越的地層為礫石(卵石)層；

D段：盾構(gòu)穿越的地層為土與沙的復合土層；

E段：盾構(gòu)穿越的地層為土、沙、礫石(卵石)的復合地層；

F段：盾構(gòu)穿越的地層為土巖混合地層。

2.2 盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風險分級

盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風險分級主要考慮以下幾點因素：

(1)隧道的埋深；

圖3為電剖面曲線，曲線形態(tài)大致為中間低兩端高的“凹”形曲線，中間260-300號區(qū)域電阻率相對較低，呈“V”形低阻異常，其中280號點的電阻率變化較大，推斷這個區(qū)域極可能是破碎帶或者巖性變化強烈區(qū)域。

(2)地面和地下環(huán)境條件(建筑基礎、管線、既有軌道線路)；

(3)特殊地質(zhì)情況(漂石、隧道上方有河流等水體)；

(4)盾構(gòu)穿越的地層上覆土層的情況。

在考慮這些風險因素后,將盾構(gòu)施工環(huán)境的組合風險分為以下3級[8]。

Ⅰ級：盾構(gòu)下穿或上穿既有軌道線路,或下穿或者臨近重要建(構(gòu))筑物,或下穿重要市政管線和河流工程,或土層中有漂石、孤石等特殊地質(zhì)情況,或隧道埋深小于9 m的淺埋隧道,或以上2種及以上情況的組合。

Ⅱ級：隧道埋深大于9 m,或隧道上方地層中有一般的市政管線,或隧道臨近或者下穿一般建筑物,或下穿重要市政道路,或地層中的不良地質(zhì)情況對盾構(gòu)施工影響較小并沒有特殊地質(zhì)情況。

2.3 盾構(gòu)施工區(qū)間隧道組段的綜合劃分

盾構(gòu)隧道組段的綜合劃分是在盾構(gòu)穿越地層組段劃分的基礎上，按照盾構(gòu)施工環(huán)境的組合安全風險級別對各個組段進行更詳細的劃分,將A、B、C、…F 6個地層組段劃分為AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ、CⅠ、CⅡ、CⅢ、…FⅠ、FⅡ、FⅢ等18個組段,即將每個地層組段按照盾構(gòu)施工環(huán)境安全風險級別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個組段。盾構(gòu)施工區(qū)間隧道組段的綜合劃分見圖1。對北京地鐵任何一個盾構(gòu)隧道而言,都是由以上18種組段中的一種或幾種組段組合而成。

圖1 盾構(gòu)隧道安全風險組段的綜合劃分示意

3 工程實例

3.1 工程簡介

北京地鐵大興線01標黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)區(qū)間,隧道埋深在10～14 m,盾構(gòu)穿越的主要地層為粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉細沙層以及這3種地層的混層。盾構(gòu)穿越/臨近的主要風險工程有京山、京滬鐵路，黃村火車站站房，義和莊北里(六層樓房)，北京興鑫電力設備安裝有限責任公司廠房樓群，小龍河等[9]。

3.2 組段劃分

根據(jù)黃村火車站站—義和莊站區(qū)間詳勘圖、總平面圖和現(xiàn)場考察,對該區(qū)間進行了組段劃分,組段劃分過程見圖2,組段劃分結(jié)果見表1。

圖2 組段劃分過程示意

表1 北京地鐵大興線01標黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)隧道安全風險組段

3.3 參數(shù)控制范圍

根據(jù)劃分的安全風險組段和盾構(gòu)設備情況,確定黃村火車站站—義和莊站區(qū)間各個組段內(nèi)的盾構(gòu)主要施工參數(shù)控制范圍,確定的控制范圍見表2。

黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)區(qū)間施工時,根據(jù)先前做好的組段劃分工作,確保主要盾構(gòu)施工參數(shù)在各個組段的參數(shù)控制范圍內(nèi)變化,區(qū)間盾構(gòu)施工沒有發(fā)生安全風險事故,并且安全、順利地下穿了京山/京九鐵路,取得了較好的安全風險管控效果。

表2 北京地鐵大興線01標黃村火車站站—義和莊站區(qū)間盾構(gòu)施工參數(shù)控制范圍

4 結(jié)論

結(jié)合北京地區(qū)地層特點和盾構(gòu)施工環(huán)境風險情況，對盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法進行了研究,并將該方法成功應用于北京地鐵大興線01標黃村火車站站—義和莊站盾構(gòu)隧道,研究結(jié)果表明：(1)該方法充分考慮了盾構(gòu)隧道圍巖特性和施工環(huán)境風險條件,劃分方法合理,操作性強,滿足實際工程的需要；(2)通過對盾構(gòu)隧道進行安全風險組段劃分,并結(jié)合盾構(gòu)設備情況,確定盾構(gòu)隧道穿越各個組段內(nèi)主要施工參數(shù)的合理控制范圍,在盾構(gòu)施工過程中確保盾構(gòu)施工參數(shù)在各個組段的參數(shù)控制范圍內(nèi),可以有效控制、規(guī)避盾構(gòu)施工過程中的安全風險；(3)盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分方法為盾構(gòu)施工安全風險管理提供了新的思路,為盾構(gòu)施工過程的安全風險控制提供了新方法。

盾構(gòu)隧道安全風險組段劃分理論必須與該地區(qū)的地層情況相結(jié)合,結(jié)合北京地區(qū)的工程地質(zhì)情況進行了相關(guān)研究,在其他地區(qū)(如：廣深地區(qū)、上海地區(qū))進行組段劃分研究時應結(jié)合該地區(qū)的工程地質(zhì)情況對隧道穿越地層的組段劃分重新進行研究,盾構(gòu)施工環(huán)境風險分級也應根據(jù)該地區(qū)實際情況進行相應調(diào)整。

[1] 崔玖江.盾構(gòu)隧道施工風險與規(guī)避對策[J].隧道建設,2009,29(4):377-396.

[2] 周洪波,何錫興,蔣建軍,等.地鐵盾構(gòu)法隧道工程建設風險識別與應對[J].地下空間與工程學報,2006,2(3):475-479.

[3] 孫玉永,周順華,向科,等.近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)研究[J].中國鐵道科學,2010,31(1):54-58.

[4] 朱合華,徐前衛(wèi),鄭七振,等.軟土地層土壓平衡盾構(gòu)施工參數(shù)的模型試驗研究[J].土木工程學報,2007,40(9):87-94.

[5] 侯景巖.北京地鐵隧道、深基礎巖土工程特征及地鐵工程地質(zhì)條件分區(qū)[J]. 市政技術(shù),2004,22(S):216-218.

[6] 廖建三,彭衛(wèi)平,林本海.影響廣州市淺層地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)因素分析及分區(qū)評價[J].巖石力學與工程學報,2006(S2):3357-3362.

[7] 樂貴平,江玉生.北京地區(qū)盾構(gòu)施工技術(shù)[J].都市快軌交通,2006,19(2):45-49.

[8] 北京市軌道交通建設管理有限公司.北京市軌道交通工程建設安全風險管理體系[R].北京:北京市軌道交通建設管理有限公司,2008.

[9] 北京市市政工程設計研究總院.北京地鐵大興線01標黃村火車站站—義和莊站區(qū)間設計說明[R].北京：北京市市政設計研究總院,2007.