地鐵盾構(gòu)施工區(qū)間下穿既有鐵路的風(fēng)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(tuán)有限公司，河南鄭州 450000；2. 中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029；3. 中國建筑一局（集團(tuán)）有限公司，北京 100161）

1 研究背景

地鐵因其速度快、運(yùn)量大、噪聲小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)而成為推動城市高質(zhì)量發(fā)展的建設(shè)重點(diǎn)?！笆奈濉币?guī)劃明確提出加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，助力建設(shè)現(xiàn)代化交通強(qiáng)國，而這也與實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)直接相關(guān)。截至2021年底，我國運(yùn)營的地鐵總里程達(dá)到9 724.35 km（含港澳臺）[1]，節(jié)能減排量效益明顯。

隨著城市地鐵網(wǎng)的不斷完善，建設(shè)中的地鐵線路區(qū)間下穿既有鐵路的現(xiàn)象也變得普遍。為保證既有鐵路及地鐵區(qū)間的運(yùn)營與建設(shè)安全，進(jìn)行合理有效的風(fēng)險管控至關(guān)重要[2]。在風(fēng)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(jìn)施工風(fēng)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(fēng)險等級結(jié)果。唐艷[4]采用層次分析法和模糊綜合評判方法將風(fēng)險量化評估，再對主要風(fēng)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(fēng)險進(jìn)行評估。尹紫紅等[6]采用模糊綜合評價方法確定風(fēng)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(gòu)施工風(fēng)險進(jìn)行評價。以上研究均對案例中的現(xiàn)場施工風(fēng)險管理進(jìn)行了有效指導(dǎo)。

在盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路工程采取的具體風(fēng)險防范措施方面，佘才高[8]結(jié)合南京地鐵2號線下穿寧蕪鐵路工程，采取分區(qū)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(jié)果，認(rèn)為對下穿段土體進(jìn)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(nèi)二次注漿的措施控制持續(xù)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(qū)間下穿西戶鐵路工程中采取調(diào)整盾構(gòu)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(qū)間盾構(gòu)下穿柳南、南廣鐵路施工采取D型便梁+洞內(nèi)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(qū)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(qū)注漿加固的方法，有效降低地表沉降。

通過風(fēng)險評估確定風(fēng)險源和風(fēng)險等級并采取措施有效管控風(fēng)險有利于指導(dǎo)施工。本文以鄭州地鐵6號線存在下穿鐵路情況的區(qū)間為研究對象，采用層次分析法和綜合指數(shù)法相結(jié)合的方式分析盾構(gòu)施工的風(fēng)險水平，再結(jié)合數(shù)值模擬分析確定合理的風(fēng)險管控措施，為現(xiàn)場施工提供有效的指導(dǎo)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(diǎn)位于西南部滎陽市賈峪鎮(zhèn)，途經(jīng)中原區(qū)、二七區(qū)、管城回族區(qū)，終點(diǎn)位于金水區(qū)鄭州龍湖中環(huán)南路。此段線路包含16個區(qū)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(qū)間最小平面曲線半徑350 m，最大坡度為27‰，區(qū)間最小埋深9.2 m，最大埋深37.3 m。全線16個區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工。

圖1 鄭州地鐵6號線一期工程馮灣—小營區(qū)間圖

本工程區(qū)間盾構(gòu)機(jī)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(qū)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(qū)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(qū)間YDK28 +506.8～YDK28 + 523下穿京廣鐵路路基段， 隧道結(jié)構(gòu)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(qū)間YDK29 + 098～YDK29 +187下穿隴海鐵路， 隧道結(jié)構(gòu)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(qū)間YDK31 + 949～YDK31 + 993下穿隴海鐵路立交橋。隧道結(jié)構(gòu)邊緣與隴海鐵路間的最小豎向距離約為 13.46 m，對應(yīng)隴海鐵路處為箱涵路段， 盾構(gòu)隧道下穿鐵路示意圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間與鐵路位置示意圖

3 風(fēng)險評估

對本工程5處盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路情況進(jìn)行風(fēng)險評估，采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，并結(jié)合綜合指數(shù)法進(jìn)行綜合評價。

3.1 指標(biāo)權(quán)重確定

基于層次分析法的原理，確定評價模型的目標(biāo)層有5段下穿鐵路的盾構(gòu)區(qū)間的風(fēng)險水平，其影響因素主要有內(nèi)部風(fēng)險因素和外部風(fēng)險因素，各危險因素又可以分多個詳細(xì)的指標(biāo)。目標(biāo)層A下分2個準(zhǔn)則層，分別為內(nèi)部風(fēng)險因素B1和外部風(fēng)險因素B2。2個準(zhǔn)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(yīng)用層次分析法的案例，首先構(gòu)造判斷矩陣，一般通過專家評估，按照指標(biāo)重要程度的1～9標(biāo)度法確定各元素的數(shù)值，再確定判斷矩陣及其特征向量，并引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)R.I和C.I，最后得到5處下穿既有鐵路線區(qū)段的權(quán)重值，如表 1～表 5所示。

表1 第一段的指標(biāo)權(quán)重值

表2 第二段的指標(biāo)權(quán)重值

表3 第三段的指標(biāo)權(quán)重值

表4 第四段的指標(biāo)權(quán)重值

表5 第五段的指標(biāo)權(quán)重值

3.2 風(fēng)險綜合評價

由于評價所用的指標(biāo)數(shù)據(jù)的類型和量綱不同，為在同一評價體系內(nèi)對不同數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和運(yùn)算，需要在評價之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。將下穿鐵路的風(fēng)險等級劃分為3個等級：風(fēng)險較大、風(fēng)險適中和風(fēng)險較小。利用綜合指數(shù)法將不同地段下穿鐵路區(qū)間按照專家的打分，將每個區(qū)間不同的指標(biāo)賦值乘以指標(biāo)權(quán)重，相加后可得到風(fēng)險水平的總分。根據(jù)每個區(qū)間的總分值，將得分為6～9分的劃分為風(fēng)險較大，3～6分的劃分為風(fēng)險一般，1～3分的劃分為風(fēng)險較小。

經(jīng)計算得到的各下穿鐵路區(qū)間風(fēng)險綜合得分如表 6所示?？梢?段盾構(gòu)區(qū)間中，第三段的風(fēng)險較大，第二段和第五段的風(fēng)險適中，第一段和第四段的風(fēng)險較小。

表6 綜合得分表

4 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

根據(jù)評價結(jié)果，選取風(fēng)險較大的第三段下穿鐵路區(qū)間進(jìn)行數(shù)值模擬分析。假設(shè)沿隧道開挖方向的結(jié)構(gòu)和土層性質(zhì)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(jìn)行模擬分析，并以所得數(shù)值模擬數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)，采取具有針對性的改進(jìn)措施以確保安全。

假定土層為水平層理結(jié)構(gòu)，開挖深度位于土層埋深28.5～34.94 m處，據(jù)鉆孔資料和試驗(yàn)結(jié)果得到自地表至埋深60 m的土層參數(shù)如表7所示。

表7 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

計算土層一共為8層，盾構(gòu)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(rèn)值1，臨界狀態(tài)應(yīng)力比從淺表層至深層約為0.5～0.575，其他參數(shù)按照默認(rèn)設(shè)置。地下水位埋深為4 m，假設(shè)土層為各向同性，根據(jù)對稱性簡歷1/2模型，模型尺寸為60 m×120 m，隧道區(qū)間采用泥水平衡式盾構(gòu)工法進(jìn)行施工，盾構(gòu)直徑為6 440 mm，管片外徑為6 200 mm，內(nèi)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(shù)值模型有限元網(wǎng)格圖（單位：m）

4.2 土層變形特征

經(jīng)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(nèi)，垂直位移并未發(fā)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(dá)地表前采取必要的措施可以一定程度上避免盾構(gòu)施工產(chǎn)生的位移上達(dá)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(nèi)，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(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖7和圖 8所示。盾構(gòu)隧道下方有少量回彈，上方最大沉降值出現(xiàn)在埋深30 m左右的位置。施工位置在水平方向逐漸遠(yuǎn)離盾構(gòu)隧道時，垂直位移迅速減小，水平位移也迅速減小。當(dāng)施工位置距離盾構(gòu)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(jù)數(shù)值模擬分析，最大沉降約為8 mm。經(jīng)過一段時間后，最大沉降會上達(dá)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(nèi)，為減小沉降，遂決定采取這些控制措施：下穿鐵路區(qū)間采用克泥效工法，及時同步注漿及二次注漿，進(jìn)一步減小因注漿壓力、注漿量不足產(chǎn)生的沉降。最終，施工結(jié)束7天后，地表軌面監(jiān)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(gòu)施工產(chǎn)生的位移傳遞至地表。其他4段下穿鐵路的風(fēng)險區(qū)可參照上述措施處理，有效控制地面沉降。

5 結(jié)論

通過對存在風(fēng)險的下穿鐵路區(qū)間進(jìn)行風(fēng)險評估和管控措施改進(jìn)，有效解決風(fēng)險區(qū)存在的安全問題并得到如下結(jié)論。

（1）可結(jié)合層次分析法和綜合指數(shù)法對盾構(gòu)施工下穿鐵路的風(fēng)險進(jìn)行評估和排序，確定不同的風(fēng)險等級，優(yōu)先解決風(fēng)險等級高的問題。

（2）盾構(gòu)施工產(chǎn)生的沉降短時間內(nèi)不會上達(dá)地表，最大位移在一定時間內(nèi)主要集中在開挖間隙及襯砌上方?？刹扇】四嘈Чしê屯阶{及二次注漿等措施，有效減小地表沉降和水平位移。