新建盾構(gòu)隧道下穿既有線沉降控制技術(shù)的研究

錢 佳 亙

(北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

1 概述

隨著近年來軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，超大型城市如北京、上海、廣州等軌道建設(shè)面臨換乘功能的需求越來越高，交叉穿越的施工風(fēng)險(xiǎn)越來越大，多次穿越地鐵既有線路已逐漸成為常態(tài)化設(shè)計(jì)與施工方案。以北京為例，2017年—2020年期間新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線路共14項(xiàng)，而根據(jù)規(guī)劃2050年前后北京市軌道交通建設(shè)線路中節(jié)點(diǎn)車站和區(qū)間穿越段數(shù)量高達(dá)118處。因此對于盾構(gòu)穿越既有線等特、一級風(fēng)險(xiǎn)源，如何控制好新建線路對既有線路的影響，將隆起、沉降值精細(xì)化管控確保既有線路的正常運(yùn)營安全，成為當(dāng)前盾構(gòu)施工研究的重點(diǎn)課題。

1.1 國內(nèi)外研究

國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)穿越施工的沉降控制進(jìn)行了大量研究，主要以理論模型、數(shù)值分析、現(xiàn)場及模型試驗(yàn)研究為主并形成了大量的成果指導(dǎo)實(shí)踐施工[1-7]。汪洋等[8]以廣州地鐵3號線區(qū)間盾構(gòu)隧道為課題背景，通過數(shù)值模型分析計(jì)算以及相似模擬試驗(yàn)手段，對隧道施工正交下穿既有線路期間引起的應(yīng)力及變形進(jìn)行研究得到正交下穿過程中既有隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。楊廣武等[9]以北京地鐵10號線下穿13號線芍藥居站為例，通過采用FLAC3D模型進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)土壓增大能夠起到控制地表沉降的效果，但是壓力過大也會造成土體地層負(fù)損失，地表發(fā)生隆起。翟和明等[10]以地鐵昌八聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)施工下穿既有8號線工程案例，新建線路與既有線路凈距為3.18 m，提出通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，細(xì)化同步注漿配比、速度及二次補(bǔ)漿的壓力、注漿量、凝結(jié)時間等確保穿越既有8號線的安全。

盾構(gòu)下穿既有隧道施工受地質(zhì)水文條件及位置關(guān)系影響，尤其對于近距離連續(xù)穿越的工程，精確控制施工引起的變形對于既有運(yùn)營線路至關(guān)重要。本文結(jié)合北京地鐵近3年盾構(gòu)下穿既有線施工經(jīng)驗(yàn)，以2020年12月北京地鐵12號線西壩河站—三元橋站盾構(gòu)區(qū)間下穿既有10號線、線機(jī)場線工程為背景，通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化研究穿越既有線微沉降控制技術(shù)，通過合理的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化及實(shí)施，能夠有效確保盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線的運(yùn)營安全，最終穿越既有線10號線的累計(jì)沉降為-0.11 mm～-1.45 mm，穿越機(jī)場線的累計(jì)沉降為-0.22 mm～-1.48 mm，遠(yuǎn)小于既有結(jié)構(gòu)沉降3 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，取得了理想的控制效果，也為今后類似下穿施工提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

1.2 新建盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線總體概況

隨著技術(shù)措施的完善和施工經(jīng)驗(yàn)的提升，沉降控制的水平也逐步提高。2020年進(jìn)行的既有線穿越施工，平均沉降控制均在-1 mm之內(nèi)，穿越期間最大沉降值也均小于-1.8 mm。具體情況如表1所示。

表1 新建盾構(gòu)下穿區(qū)間

續(xù)表

2 盾構(gòu)穿越施工風(fēng)險(xiǎn)管理措施

查看近幾年數(shù)據(jù)，新建盾構(gòu)穿越既有線趨于0沉降的背后是北京地鐵建設(shè)逐年提升的風(fēng)險(xiǎn)體系構(gòu)建、精細(xì)化管理與智能平臺應(yīng)用，目前北京市軌道交通盾構(gòu)施工主要采用以下兩大安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)。

2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控平臺

在盾構(gòu)法施工過程中進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控，創(chuàng)建以安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)評價(jià)為核心的綜合預(yù)警發(fā)布機(jī)制,強(qiáng)化現(xiàn)場預(yù)防預(yù)控及綜合分析效果,大幅提升風(fēng)險(xiǎn)的處置力度。同時通過信息化手段，采取監(jiān)測數(shù)據(jù)即時上傳、巡視信息即時上報(bào)、視頻圖像即時查看、盾構(gòu)數(shù)據(jù)即時傳輸、預(yù)警信息即時發(fā)布等手段，完善信息上報(bào)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控信息各層級即時共享，提高管控效率，有利于及時發(fā)現(xiàn)和處置風(fēng)險(xiǎn)。安全風(fēng)險(xiǎn)信息化采集系統(tǒng)流程見圖1，安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控平臺見圖2。

2.2 盾構(gòu)施工實(shí)時管理系統(tǒng)

遠(yuǎn)程實(shí)時顯示盾構(gòu)施工參數(shù)，并對主要施工參數(shù)進(jìn)行自動預(yù)警，對盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)和分析，既便于分析盾構(gòu)施工的全過程及其可能出現(xiàn)的各種問題，又可以顯示工程進(jìn)度及盾構(gòu)區(qū)間重要風(fēng)險(xiǎn)工程，掌控區(qū)間整體風(fēng)險(xiǎn)分布狀況，明確管控重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)生產(chǎn)過程中的材料消耗，監(jiān)控盾構(gòu)施工質(zhì)量。盾構(gòu)施工實(shí)時監(jiān)控管理體系如圖3所示。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 盾構(gòu)區(qū)間工程概況

地鐵12號線西壩河站—三元橋站區(qū)間東起三元橋站(位于機(jī)場高速東側(cè)，北三環(huán)東路與機(jī)場高速路交叉路口)，沿北三環(huán)東路向西北敷設(shè)，在三元橋東北先后下穿10號線、機(jī)場線區(qū)間，然后在機(jī)場高速路前左線以R-380 m曲線、右線以R-400 m曲線調(diào)整線路走向并擴(kuò)大線間距，下穿三元橋匝道橋后沿三環(huán)方向向西，從三元西橋兩側(cè)繞行通過，到達(dá)西壩河站。

區(qū)間起始點(diǎn)里程為右CSK116+631.637～右CSK118+112.650，總長度1 481.013 m，區(qū)間線路線間距19.2 m～35 m～17.2 m，采用盾構(gòu)法施工，管片尺寸為外徑6 400 mm，管片厚度300 mm，管片寬1 200 mm。區(qū)間盾構(gòu)隧道采用兩臺直徑6.4 m土壓平衡盾構(gòu)施工，區(qū)間線路圖見圖4。

區(qū)間下穿既有線地鐵10號線左線里程為左CSK117+876.238～ CSK117+898.463(中線)，考慮穿越范圍，共涉及長度48.2 m，與既有線夾角52°～56°，涉及穿越管片為170環(huán)～210環(huán)；右線里程為右CSK117+847.335～ CSK117+868.676(中線)，考慮穿越范圍，共涉及長度為52.8 m。區(qū)間下穿既有線地鐵機(jī)場線左線里程為左CSK117+756.679～ CSK117+734.825(中線)，考慮穿越范圍，共涉及長度55.2 m，與既有線夾角52°，涉及穿越管片為282環(huán)～328環(huán)；右線里程為右CSK117+686.941～ CSK117+711.175(中線)，考慮穿越范圍，共涉及長度58.8 m，與既有線夾角54°～55°，涉及穿越管片為300環(huán)～348環(huán)。新建12號線與既有線位置關(guān)系見圖5。

3.2 地質(zhì)水文條件

本區(qū)間主要地層為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉細(xì)砂層、中粗砂層等土層。地下水位較高潛水(二)水位標(biāo)高31.32 m～29.67 m，層間潛水(三)水位標(biāo)高18.66 m～17.82 m，層間潛水(四)水位標(biāo)高10 m～9.5 m。

4 安全評估模擬分析

數(shù)值計(jì)算模型上邊界為地表，豎向共取50 m，長取220 m，寬取160 m。由此建立的計(jì)算模型網(wǎng)格如圖6所示。地表取為自由邊界，其他五個面均約束其法向變形。模型共劃分了59 346個單元，計(jì)20 682個節(jié)點(diǎn)。

計(jì)算中采用不同的本構(gòu)模型模擬不同的材料，各層土體均采用摩爾—庫侖(M-C)模型、新建12號線隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)和既有機(jī)場線隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)采用彈性模型。二襯采用二維板單元模擬。

通過模擬分析獲得穿越施工的評估預(yù)測數(shù)據(jù)表(見表2)。

表2 結(jié)構(gòu)安全評估模擬預(yù)測 mm

5 既有線結(jié)構(gòu)沉降分析

既有10號線是北京的第二條環(huán)形地鐵線路，由于10號線輻射效果并與其他線路形成換乘節(jié)點(diǎn)，10號線為全國客運(yùn)量最大的客運(yùn)線路，每日客流量達(dá)到200萬人左右。因此作為北京最重要的交通樞紐設(shè)施，確保其運(yùn)營安全是重中之重。結(jié)合10號線、機(jī)場線的敏感地位，其控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 既有線結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

1)道床結(jié)構(gòu)自動化沉降監(jiān)測點(diǎn)：下穿部位以5 m間隔緊密布設(shè)，鄰近下穿部位以10 m間隔布設(shè)；

2)隧道結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點(diǎn)：下穿部位以5 m間隔緊密布設(shè)，鄰近下穿部位以10 m間隔布設(shè)，其余部位以15 m左右間隔布設(shè)；

3)幾何形位監(jiān)測點(diǎn)：測點(diǎn)位置與道床結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點(diǎn)同監(jiān)測斷面；

4)無縫線路鋼軌位移監(jiān)測點(diǎn)：在左右線兩端布設(shè)；

5)隧道結(jié)構(gòu)橫向變形監(jiān)測點(diǎn)：與自動化沉降監(jiān)測項(xiàng)目同斷面；

6)盾構(gòu)區(qū)間收斂、管片錯臺、管片環(huán)縱縫張開值監(jiān)測點(diǎn)：與自動化沉降監(jiān)測項(xiàng)目同斷面。

通過對既有線沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，盾構(gòu)機(jī)在到達(dá)既有線前方1 m左右時，由于刀盤前方土壓增大形成微隆起，最大隆起量約0.1 mm～0.2 mm，隨著下穿施工過程，既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了整體的沉降變形，最大沉降量達(dá)到1 mm。在掘進(jìn)期間通過增加土壓(2.5 bar～3 bar)、克泥效等措施，可最大限度的控制穿越過程中刀盤、盾體、盾尾脫出三個階段的沉降。

隨著管片脫出盾尾進(jìn)行二次補(bǔ)漿，由于雙液注漿的快速凝結(jié)有效減緩沉降變形，二次補(bǔ)漿共計(jì)進(jìn)行3次，每次注漿完成后既有結(jié)構(gòu)變形均有明顯的微隆起，以10號線左線為例，其隆起量分別為0.5 mm，0.24 mm，0.11 mm。盾構(gòu)穿越完成既有10號線左線的最終累計(jì)沉降為-0.35 mm～-0.54 mm范圍。

最終盾構(gòu)穿越既有10號線累計(jì)沉降為-0.11 mm～-1.45 mm，穿越機(jī)場線的累計(jì)沉降為-0.22 mm～-1.48 mm均遠(yuǎn)小于安全評估模擬數(shù)據(jù)及控制沉降標(biāo)準(zhǔn)，成功實(shí)現(xiàn)微沉降控制效果(見圖7，圖8)。

施工過程中，對既有線洞內(nèi)道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，盾構(gòu)穿越過程中道床呈現(xiàn)了輕微下沉的變形過程，由于洞內(nèi)人工監(jiān)測受限，盡管監(jiān)測數(shù)據(jù)偏少，但隨著50 h以后二次補(bǔ)漿，道床的變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終10號線道床沉降左右線分別為-0.23 mm,-0.85 mm，機(jī)場線道床沉降左右線分別為-0.08,-0.1，均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

1)盾構(gòu)下穿既有線結(jié)構(gòu)時，推力、扭矩、土壓力等各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)均比理論計(jì)算擬定值大，下穿施工前，需根據(jù)地勘報(bào)告中的土層物理力學(xué)參數(shù)并結(jié)合試驗(yàn)段掘進(jìn)施工參數(shù)及地表沉降情況，綜合確定盾構(gòu)下穿掘進(jìn)參數(shù)。

2)通過數(shù)值模擬研究分析，盾構(gòu)穿越施工的各項(xiàng)技術(shù)措施能夠保障順利穿越，其左右線管片的結(jié)構(gòu)沉降均可控制在1 mm左右，地表沉降控制在5 mm左右，均滿足既有線結(jié)構(gòu)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

3)盾構(gòu)下穿既有線結(jié)構(gòu)施工過程中，其前三階段的沉降主要通過調(diào)整土壓進(jìn)行控制，推進(jìn)過程中使用的克泥效措施能夠緩解前三階段的沉降。

4)盾構(gòu)管片脫出盾尾后其沉降變形控制主要依靠補(bǔ)漿完成，合理選用補(bǔ)漿材料及補(bǔ)漿參數(shù)，嚴(yán)格控制補(bǔ)漿凝結(jié)時間縮短沉降變形，多次補(bǔ)漿等措施能夠有效控制沉降，通過以上技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超凈距穿越的微沉降控制要求。