新建地鐵盾構(gòu)近距離穿越在運營地鐵線路風(fēng)險控制研究

文｜北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 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營線盾構(gòu)區(qū)間的情況逐漸增多，此類穿越工程安全控制風(fēng)險高、難度大，這對軌道交通新線建設(shè)單位及既有線運營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 號線盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有機場線盾構(gòu)區(qū)間工程項目，系統(tǒng)梳理工程風(fēng)險并進行識別及數(shù)值分析，總結(jié)了整套近距離盾構(gòu)下穿的風(fēng)險控制措施，通過分析新建盾構(gòu)穿越施工全過程既有線實測沉降數(shù)據(jù)的變形規(guī)律，研究風(fēng)險控制措施的效果及作用。

1 工程概況

新建北京地鐵17 號線工人體育場站～香河園站盾構(gòu)區(qū)間下穿首都機場線東直門站～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

首都機場線采用直線電機軌道結(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。既有地鐵機場線結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)按軌道變形控制，相對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)無法采用護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)險控制思路

本工程穿越風(fēng)險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)險控制研究思路

圖4 計算模型范圍及模型相對位置關(guān)系圖

圖5 既有區(qū)間結(jié)構(gòu)預(yù)測變形結(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)測分析

既有區(qū)間豎向預(yù)測位移整體表現(xiàn)為下沉，變形量自鄰近下穿位置至遠離下穿位置兩側(cè)逐漸減小，且各部位累計沉降值隨施工進行逐步增大，新建區(qū)間盾構(gòu)掘進至既有線下穿部位時沉降速率明顯加快，穿越過后沉降速率降低；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)險控制措施

通過對穿越風(fēng)險點的識別與數(shù)值模擬分析，針對本項目研究總結(jié)的風(fēng)險控制措施如下：

（1）設(shè)置盾構(gòu)穿越試驗段。為總結(jié)盾構(gòu)施工掘進參數(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)施工對既有機場線造成的影響，在盾構(gòu)隧道通過既有線段前進行試驗段掘進，試驗段施工完成后，滿足設(shè)計及沉降要求再進行下穿施工。

（2）采用克泥效輔助措施。為填充盾構(gòu)機開挖過程中地層與盾體之間空隙，在盾構(gòu)機刀盤進入既有機場線區(qū)域范圍時，通過盾體徑向孔注入高黏度塑性的膠化體，對盾體前行起到潤滑減阻并對盾體與土體間隙起到填充支護的作用，可有效的防止注漿填充之前盾體上部土體的沉降，從而減小既有運營線路沉降。

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

5 既有線監(jiān)測總結(jié)

盾構(gòu)穿越既有線關(guān)鍵階段主要包括刀盤進入、盾體通過、盾尾脫出、二次補漿四個階段。通過分析新建17 號線左線依次穿越既有機場線上行線及下行線施工既有線監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，盾構(gòu)刀盤進入前，既有盾構(gòu)區(qū)間略有上浮，上浮量約0.2mm。刀盤進入?yún)^(qū)間后，既有盾構(gòu)區(qū)間開始呈沉降趨勢，引起既有線階段沉降量約1.0mm。盾體通過階段，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，二次補漿跟進前階段沉降量約1.0mm，二次補漿及時跟進后既有盾構(gòu)區(qū)間沉降穩(wěn)定。

根據(jù)表2可知，刀盤進入及盾體通過階段的沉降占比約50%，盾尾脫出后沉降持續(xù)發(fā)展，二次補漿跟進前沉降占比約50%。二次補漿跟進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)計表（單位：mm）

6 風(fēng)險控制措施效果分析

通過分析盾構(gòu)穿越各關(guān)鍵階段既有線監(jiān)測結(jié)果，總結(jié)出穿越工程風(fēng)險控制措施效果如下。

（1）根據(jù)試驗段前地表沉降差異可知，通過數(shù)據(jù)反饋后優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)，并采取克泥效填充后，地表沉降得到顯著控制。對穿越既有線沉降控制而言，掘進參數(shù)的調(diào)整及克泥效的應(yīng)用主要作用在刀盤進入及盾構(gòu)通過階段，合理的盾構(gòu)掘進參數(shù)及克泥效對盾體前行潤滑減及間隙填充，可有效的控制刀盤進入及盾構(gòu)通過階段既有線沉降，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，沉降集中發(fā)生，但通過同步注漿，系統(tǒng)可以在出土間歇反復(fù)加壓控制脫出沉降累計值，此時沉降波動較大，也是對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，可達到盡快穩(wěn)定地層減少擾動與下沉量的效果。

（3）盾尾脫出后既有線沉降持續(xù)發(fā)展，通過預(yù)留的球閥對已通過的管片進行二次補漿，可有效的制止沉降持續(xù)發(fā)展的趨勢。根據(jù)既有線監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，二次補漿做為施工干預(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

通過對既有在運營地鐵線路監(jiān)測數(shù)據(jù)的總結(jié)驗證，新建盾構(gòu)隧道近距離穿越在運營地鐵線路工程的成套風(fēng)險控制措施可操作性強、可靠程度高，可對后續(xù)類似穿越工程提供技術(shù)及管理方面的借鑒及參考。