盾構(gòu)隧道下穿既有線(xiàn)性電機(jī)隧道安全風(fēng)險(xiǎn)控制研究

劉衛(wèi)強(qiáng)

摘 要：目前各城市地鐵運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路越來(lái)越多，新建線(xiàn)路下穿既有線(xiàn)路施工安全風(fēng)險(xiǎn)成為重要研究課題。北京地鐵新建 17 號(hào)線(xiàn)所下穿的既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)為線(xiàn)性電機(jī)盾構(gòu)隧道，其供電采用感應(yīng)板方式，比傳統(tǒng)的第三軌或接觸網(wǎng)方式對(duì)沉降控制要求更為嚴(yán)格，風(fēng)險(xiǎn)控制難度更大。文章通過(guò)下穿施工安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析、既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降模擬分析、施工監(jiān)測(cè)分析，提出新建 17 號(hào)線(xiàn)下穿既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)控制及保障措施，以期為類(lèi)似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵;下穿既有線(xiàn);線(xiàn)性電機(jī)隧道;安全風(fēng)險(xiǎn);控制措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43

1 工程概況

新建北京地鐵17號(hào)線(xiàn)工程工人體育場(chǎng)站—香河園站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工—香區(qū)間）位于北京市東二環(huán)與東三環(huán)之間，南起工人體育場(chǎng)站，沿新東路向北，途經(jīng)大使館區(qū)，下穿亮馬河、機(jī)場(chǎng)線(xiàn)東直門(mén)站—三元橋站區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)東—三區(qū)間）、機(jī)場(chǎng)路高架橋后接入香河園站（圖1），區(qū)間全長(zhǎng)1970m。17 號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間下穿既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)區(qū)域埋深約24 m，與既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)最小垂直凈距為2.941 m，水平交角75°，該區(qū)段左線(xiàn)半徑420 m，右線(xiàn)半徑350 m，盾構(gòu)管片外徑6.4 m，管片厚度0.3 m。施工時(shí)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)在香河園站始發(fā)，在工人體育場(chǎng)站前設(shè)盾構(gòu)吊出井接收。

17號(hào)線(xiàn)主要穿越地層為中砂⑦1、圓礫⑦及粉質(zhì)黏土⑧層;既有首都機(jī)場(chǎng)線(xiàn)東—三區(qū)間在穿越位置埋深約15 m，主要穿越地層為粉質(zhì)黏土④及粉質(zhì)黏土⑥層，隧道中心距約13 m，盾構(gòu)管片外徑6 m，管片厚度0.3m。

2 安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

2.1 17號(hào)線(xiàn)自身安全風(fēng)險(xiǎn)

（1）工—香區(qū)間始發(fā)約160 m后即進(jìn)入既有線(xiàn)下穿影響范圍，距離較短，給盾構(gòu)適應(yīng)性和掘進(jìn)參數(shù)確認(rèn)帶來(lái)很大難度。

（2）本次穿越既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)區(qū)段最小曲線(xiàn)半徑為R = 350 m（右線(xiàn)），最大坡度為28‰下坡，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)的姿態(tài)控制要求極高。

2.2 既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)

（1）與北京市其他地鐵運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的傳統(tǒng)供電制式（接觸網(wǎng)或第三軌）不同，機(jī)場(chǎng)線(xiàn)采用感應(yīng)板供電模式（圖2），對(duì)道床及感應(yīng)板沉降控制標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)苛（誤差 +1/-2 mm）。

（2）在工—香區(qū)間穿越段，既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)列車(chē)行駛速度高（最高100km/h），動(dòng)荷載大，不像在車(chē)站附近穿越，列車(chē)進(jìn)出站行駛速度緩慢。

（3）既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)區(qū)間為盾構(gòu)隧道區(qū)間，屬于裝配式結(jié)構(gòu)，抵抗變形的剛度沒(méi)有現(xiàn)澆的暗挖結(jié)構(gòu)大，導(dǎo)致沉降變形控制難度增大。

2.3 相互間距安全風(fēng)險(xiǎn)

首都機(jī)場(chǎng)線(xiàn)和17號(hào)線(xiàn)的豎向最小凈距2.94 m，穿越施工安全風(fēng)險(xiǎn)極高，并且是盾構(gòu)下穿盾構(gòu)，這樣的成功實(shí)例極少、經(jīng)驗(yàn)欠缺。

2.4 社會(huì)輿情風(fēng)險(xiǎn)

既有首都機(jī)場(chǎng)線(xiàn)是連接北京城市中心區(qū)與首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)的唯一地鐵線(xiàn)路，一旦停運(yùn)導(dǎo)致旅客滯留，全國(guó)社會(huì)影響面廣，乃至可能造成國(guó)際影響。

2.5 既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)沉降風(fēng)險(xiǎn)模擬分析

2.5.1 模型建立

盾構(gòu)機(jī)本身的機(jī)械尺寸就是從刀盤(pán)（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(gòu)機(jī)通過(guò)之后，上方必定產(chǎn)生一定的沉降量?？紤]到17號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的上方土層沉降風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合圍巖的非線(xiàn)性特性、17號(hào)線(xiàn)隧道的施工步序和開(kāi)挖面空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)，本文建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型，對(duì)既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形模擬計(jì)算分析，確認(rèn)17號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)穿越機(jī)場(chǎng)線(xiàn)施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。模型中土層及注漿體采用實(shí)體單元，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)采用板殼單元進(jìn)行模擬;區(qū)間兩側(cè)邊界土體取4～5倍洞徑，底部取3倍洞徑，共劃分 152448個(gè)單元，61 596個(gè)節(jié)點(diǎn);采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面，4個(gè)側(cè)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(jì)算步驟按照隧道施工順序進(jìn)行，左右線(xiàn)各分4個(gè)步序（左線(xiàn)CS1～CS4，右線(xiàn)CS5～CS8）進(jìn)行開(kāi)挖，每步施工分2個(gè)階段，即盾構(gòu)掘進(jìn)→安裝盾構(gòu)管片+注漿（圖4）。

2.5.2 沉降風(fēng)險(xiǎn)模擬結(jié)果分析

（1）圖5給出了新建17號(hào)線(xiàn)下穿施工引起既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降模擬計(jì)算結(jié)果，由圖可知，既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為下沉，下沉量自鄰近下穿位置至遠(yuǎn)離下穿位置逐漸減小，盾構(gòu)掘進(jìn)至既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)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的既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)左線(xiàn)，最大沉降為1.83mm，右線(xiàn)最大沉降為1.72 mm，滿(mǎn)足QB（J）BDY（A）XL003-2015《北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——工務(wù)維修規(guī)則》所規(guī)定的感應(yīng)板豎向變形+1/-2 mm綜合維修軌道變形要求。

（2）通過(guò)既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)結(jié)構(gòu)變形模擬計(jì)算分析及對(duì)其周邊環(huán)境和工程自身安全風(fēng)險(xiǎn)研判、識(shí)別和評(píng)估后，認(rèn)為17號(hào)線(xiàn)穿越既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)理論上可行，但存在的安全風(fēng)險(xiǎn)不容小覷。根據(jù)《北京軌道交通工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系》，對(duì)此次盾構(gòu)穿越既有線(xiàn)施工定性為特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，穿越時(shí)仍需要采取針對(duì)性的安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

3 安全風(fēng)險(xiǎn)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(huán)注入量控制在0.4 m3，注入壓力控制為0.4MPa。主要填充盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中地層與盾體之間空隙，起到填充支護(hù)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(shí)對(duì)盾體前行起到潤(rùn)滑減阻作用（圖6）。

（2）渣土改良控制。對(duì)于土倉(cāng)渣土，利用泡沫劑改良，其溶度根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化調(diào)整。在渣土明顯干燥時(shí)，通過(guò)刀盤(pán)中心加水控制，若發(fā)現(xiàn)螺旋機(jī)出渣口渣土較稀時(shí)，立即調(diào)小刀盤(pán)中心加水流量。

（3）同步注漿控制。盾尾脫出后，通過(guò)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(shí)起到填充作用，彌補(bǔ)地層損失（圖7）。同步漿液在地面初凝時(shí)間控制在2 h內(nèi)，井下初凝時(shí)間控制在4 h內(nèi)，固結(jié)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(huán)后及時(shí)進(jìn)行二次注漿（圖 7），注漿頻率為每環(huán)1次，注漿點(diǎn)位調(diào)整為1點(diǎn)、11點(diǎn)，交替進(jìn)行，注漿壓力控制在0.5 MPa以?xún)?nèi)。二次注漿材料為P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥及水玻璃，配合比為水泥 ： 水= 1 ： 1（質(zhì)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(gòu)通過(guò)后期的二次沉降，注漿位置選取管片脫出盾尾后15環(huán)，注漿點(diǎn)位主要集中在3點(diǎn)、9點(diǎn)以上，預(yù)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(jí)普通硅酸鹽水泥，配比為水泥 ： 水= 1 ： 1（質(zhì)量比），壓力控制在0.5MPa之內(nèi)。

（6）人員組織保障。由建設(shè)單位牽頭，組織運(yùn)營(yíng)單位及設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、監(jiān)理和施工等參建單位，并邀請(qǐng)行內(nèi)專(zhuān)家成立盾構(gòu)穿越既有線(xiàn)工作組，主要負(fù)責(zé)穿越過(guò)程中的技術(shù)支持、施工控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)等工作。要求穿越施工期間各單位派人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)值守，保障盾構(gòu)穿越既有線(xiàn)期間現(xiàn)場(chǎng)安全可控。

（7）機(jī)械設(shè)備保障。由機(jī)電設(shè)備部門(mén)安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)對(duì)龍門(mén)吊、電瓶車(chē)、攪拌機(jī)和盾構(gòu)機(jī)等設(shè)備的檢查和保養(yǎng)工作，提前排除隱患，儲(chǔ)備易損備件;聯(lián)系制造廠(chǎng)家安排維保人員提前駐場(chǎng)，保障盾構(gòu)穿越既有線(xiàn)期間設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常;同時(shí)，保證左右線(xiàn)內(nèi)的機(jī)械備品備件能夠相互調(diào)用。

（8）物資材料保障。盾構(gòu)穿越前，物資部門(mén)召集各供應(yīng)商召開(kāi)聯(lián)動(dòng)會(huì)議，要求各供應(yīng)商對(duì)物資的供應(yīng)進(jìn)行確定，保障現(xiàn)場(chǎng)材料質(zhì)量合格、儲(chǔ)備充足，包括盾尾油脂、泡沫劑、水玻璃、水泥、砂、膨潤(rùn)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(zhuǎn)材料。

4 下穿施工監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

在盾構(gòu)下穿既有線(xiàn)前，在既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)隧道內(nèi)布置靜力水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并及時(shí)反饋信息，以便有針對(duì)性地采取安全防控措施，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，做到信息化施工，保障既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全（圖8）。

4.2 左線(xiàn)監(jiān)測(cè)

根據(jù)試驗(yàn)段確定的掘進(jìn)參數(shù)，17號(hào)線(xiàn)在2019年7 月18日進(jìn)行連續(xù)下穿，既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)最終沉降值為1.39 mm。下穿施工過(guò)程中主要采取的技術(shù)措施及監(jiān)測(cè)結(jié)果如下（圖9）。

（1）根據(jù)理論計(jì)算及前期試驗(yàn)段成果，在刀盤(pán)進(jìn)入既有線(xiàn)前適當(dāng)提高土壓約0.4 bar，此時(shí)既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約+ 0.3 mm的隆起。

（2）盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，從盾體上方徑向孔注入克泥效溶液，壓力和注入量與試驗(yàn)段相同;密切關(guān)注泡沫濃度及加水量，做好渣土改良，控制出土量。此時(shí)既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約-1.1 mm的沉降。

（3）盾尾剛剛脫出時(shí)進(jìn)行同步注漿，注漿量及注入壓力與試驗(yàn)段相同。盾尾完全脫出后，既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約-2.0 mm的沉降。

（4）盾尾脫出3環(huán)后及時(shí)進(jìn)行二次注漿，注漿位置為1點(diǎn)、11點(diǎn)，注漿頻率為每環(huán)1次，交替注入，壓力控制在0.5 MPa以?xún)?nèi)，與試驗(yàn)段相同。二次注漿后，既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約1.1 mm的隆起。

（5）根據(jù)后期沉降情況及時(shí)進(jìn)行徑向注漿，注漿方式調(diào)整為小壓力、多頻次注漿，使沉降趨于穩(wěn)定。盾構(gòu)完全通過(guò)后，通過(guò)徑向注漿，既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)最終累計(jì)沉降為-1.39 mm。

4.3 右線(xiàn)監(jiān)測(cè)

通過(guò)對(duì)左線(xiàn)穿越的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行及時(shí)總結(jié)分析和調(diào)整優(yōu)化，使對(duì)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降控制比左線(xiàn)結(jié)構(gòu)更好，最終沉降值為1.3 mm。下穿施工過(guò)程中主要采取的技術(shù)措施及監(jiān)測(cè)結(jié)果如下（圖10）。

（1）根據(jù)理論計(jì)算及盾構(gòu)穿越左線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)，在刀盤(pán)進(jìn)入右線(xiàn)前適當(dāng)提高土壓約0.4 bar，此時(shí)既有線(xiàn)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約+ 0.3 mm的隆起。

（2）盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，從盾體上方徑向孔注入克泥效溶液，壓力和注入量與左線(xiàn)相同;密切關(guān)注泡沫濃度及加水量，做好渣土改良，控制出土量。此時(shí)既有線(xiàn)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約-1.0mm的沉降。

（3）盾尾剛剛脫出時(shí)，進(jìn)行同步注漿，減小沉降趨勢(shì)，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(xiàn)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約-1.7 mm的沉降。

（4）盾尾脫出后3環(huán)及時(shí)進(jìn)行二次注漿，注漿位置為1點(diǎn)、11點(diǎn)，注漿頻率為每環(huán)1次，交替注入，壓力控制在0.5 MPa以?xún)?nèi)，與左線(xiàn)相同。二次注漿后既有線(xiàn)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)約+ 0.5 mm的隆起。

（5）根據(jù)后續(xù)沉降情況及時(shí)進(jìn)行徑向注漿，注漿采用小壓力、多頻次注漿，使沉降趨于穩(wěn)定。通過(guò)徑向注漿，既有線(xiàn)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)最終累計(jì)沉降約為-1.3 mm。

5 結(jié)論

（1）本次17號(hào)線(xiàn)下穿既有機(jī)場(chǎng)線(xiàn)過(guò)程中通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和控制措施，使得穿越對(duì)既有線(xiàn)及周邊環(huán)境影響較小，其中盾構(gòu)穿過(guò)既有線(xiàn)左線(xiàn)后造成既有線(xiàn)左線(xiàn)結(jié)構(gòu)最大沉降約-1.39 mm，盾構(gòu)穿過(guò)既有線(xiàn)右線(xiàn)后，既有線(xiàn)右線(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降最終穩(wěn)定在-1.3 mm;盾構(gòu)下穿過(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)平穩(wěn)正常，掘進(jìn)姿態(tài)良好，未發(fā)生監(jiān)測(cè)預(yù)警;晚上停運(yùn)時(shí)段對(duì)隧道結(jié)構(gòu)豎向和收斂、軌道結(jié)構(gòu)豎向和軌道靜態(tài)幾何尺寸、管片錯(cuò)臺(tái)等進(jìn)行了人工測(cè)量檢查和現(xiàn)場(chǎng)巡視，均未發(fā)現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，在下穿掘進(jìn)時(shí)及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，真正做到了“預(yù)防預(yù)控、過(guò)程管理”，最終實(shí)現(xiàn)施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制目標(biāo)。

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收稿日期 2019-12-02

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明