盾構法隧道下穿既有地鐵線風險及其控制措施

李 翔

1 概述

21世紀是地下工程大發展的世紀，隨著中國經濟的飛速發展和城市化進程的加速，我國的城市軌道交通工程建設也已逐漸進入高潮，截止到2009年，我國已有10個城市開通了31條城市軌道交通線，運營里程達到835.5km。近期國務院又批復了22個城市的地鐵建設規劃，至2016年我國將新建軌道交通線路89條，總建設里程為2500km，投資規模達9937.3億元，屆時建成和在建城市軌道交通總里程將接近4500km。

城市軌道交通的大規模建設必然帶來各區間線路和節點車站的交叉、換乘問題。如北京地鐵4，5，10號線和機場專線工程中就存在近10處穿越既有線的情況。因此可靠地解決這類工程問題便成為地下工程所面臨的重要課題。

2 近接隧道位置關系及其風險研究

地鐵隧道施工不可避免引起近鄰既有線結構產生附加內力和變形，從而影響既有線列車的正常、安全運營。因此，依據既有線保護的要求，采取有效措施來減小變形，確保既有線的安全運營就顯得非常必要。另外，由于既有線重要性高，對附加變形要求嚴格，使得穿越工程難度大、風險高。

隧道開挖過程中，通常上方沉降比下方圍巖的上浮隆起要大，并且上方圍巖受力復雜，剪切區域及壓剪區域的大量分布不利圍巖穩定，而下方圍巖卸載回彈區分布有利于圍巖穩定(見圖1)［4］。因此，對于同樣近距離的上、下穿越既有地鐵工程問題，下穿既有地鐵工程的施工風險更大。

3 盾構法隧道下穿施工引起既有地鐵結構沉降計算

3.1 計算模型建立

根據北京某地鐵車站結構特點及載荷、盾構施工順序、地層情況、隧道覆土厚度等，選取一定邊界范圍的土體作為分析對象，采用有限元計算分析軟件模擬盾構下穿施工引起的地表沉降。模型建立過程中主要考慮了以下5個方面:

1)物理模型問題特性為平面應變;2)計算方法采用彈塑性分析，屈服準則采用Mohr-Coulomb準則;3)假定計算邊界處不受隧道開挖的影響，即該處為靜止的原始應力狀態，變形為零，用約束來模擬;4)計算寬度取5倍的隧道直徑(從兩洞外側算起);計算深度為隧道地下3.0倍的隧道直徑，上方為隧道實際埋深;5)考慮到時間效應，開挖過程中應力的釋放率，開挖85%，支護15%。

3.2 計算結果

由圖2，圖3可以看出:隧道下穿過程中將產生一個沉降差，這個差值如果超限，將造成車站沉降、結構彎曲和扭曲變形、已有裂縫的擴展和錯動，并由此引發軌道幾何形位的改變:如鋼軌頂面相對高差(軌道水平)變化、軌道中心在水平面上的平順性(順軌向)變化、軌道沿線路方向的豎向平順性(前后高低)變化等。這些變化不僅會引起既有線隧道結構的內力增加，而且有可能會導致鋼軌頂面水平超差、軌向平順超差或前后高低超差。

另外，考慮到既有線的道床和基層的整體剛度不一，受變形過大的影響，道床和其基層之間將會產生脫離現象，對既有線運營產生危害。

4 基于變位控制原理的既有地鐵線沉降控制措施

4.1 變位控制原理

在既有運營地鐵線路下修筑隧道，其首要管理目標是保證既有線路的使用安全。由于隧道施工，尤其是大斷面隧道施工是一項龐雜的系統工程，涉及到多種工藝、多道工序，自始至終都是一個動態的、不斷變化的過程，每一個施工步序都會對既有結構與軌道產生不同程度的影響。而最終的影響則是每一個施工步序產生影響的累加。如果所有這些影響的累加仍然控制在既有線管理標準之內，則既有線的安全運營是有保證的。所以，既有結構變位分配原理，就是采用理論計算結合施工經驗，將既有線的總變位控制值分解到每一個施工步序中，建立既有結構分步施工沉降控制標準。

4.2 地表沉降控制措施

對于盾構施工5個階段產生的地表沉降，按照變位控制原理具體采取以下控制措施:

1)嚴格控制土壓力。預先計算為減少開挖土體移動而必須設定土壓力，在施工中嚴格管理，使實際土壓略大于計算值。在實時監測的情況下可以根據地表隆起狀況及時調整推進速度及出土量，降低正面土倉壓力，達到降低地表隆起的目的。通過調整推進速度及減少出土量，提高正面土倉壓力方式來控制盾構機前方地表沉降。盾構通過時的沉降是無法避免的，但是如果沉降超過設定值預警值時，可以采取控制掘進速度和出土量，調整土倉壓力，控制同步注漿的壓力及注漿量，從而達到有效控制地層的彈塑性變形。

2)嚴格控制注漿量。注漿作為盾構施工的一個關鍵工序，必須嚴格按“確保注漿壓力，兼顧注漿量”的雙重保障原則，緊密結合施工監控量測的反饋信息，不斷優化注漿壓力的設定，注漿量一定要保證超過理論計算值，在實際平均注漿量的合理范圍內波動。

3)盡量減少盾構推進方向的改變。盾構推進過程中嚴格執行“勤糾偏，小糾偏”的原則，嚴禁大幅度糾偏，盡量減少施工原因造成的盾構推進方向的改變。當盾構機在過軌段(曲線段)推進或仰頭、叩頭推進過程中必須嚴格控制超挖方向，保證出土量在合理范圍內。

4)嚴密觀察土質變化狀況。地下水位變化是盾構施工必然產生的，為確保其變化不大，施工中必須嚴格監控挖掘出土體的質量，杜絕水土分離的現象出現。當出土中因地層含水量較大的，通過提高設定土壓力，在形成土壓平衡的同時，疏干開挖面的地下水，保證出土質量。

5)減少對地層的擾動。盾構施工對地層的擾動主要是盾構機千斤頂的推力和刀盤旋轉產生的，因而保證盾構機正常運轉，確保盾構機的機械性能尤為重要。當土壓力突變時，在分析原因的同時，采取填注泡沫的措施改良開挖土體。

6)保證拼裝質量，減少管片變位/變形。隧道管片的變形量與管片拼裝的質量緊密聯系，在施工過程中，必須強化施工管理，保證一次緊固結實。每環掘進過程中，應適時對螺栓進行二次緊固。

7)實時監測，信息化管理。

5 結語

1)變位分配控制方法集中體現在施工階段，但所涉及的內容卻是工程各個階段工作的總和。對于此類工程進一步的研究方向應是從工程風險的角度出發，采用系統工程的相關理論，對工程中各種風險因素賦予權重，做到統籌兼顧，重點突出，才能有效地規避風險，保證安全施工。

2)對于模型計算中土層參數的取值，尤其是開挖卸載后土層參數的取值，應進行現場實驗確定。

［1］仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策的研究［D］.成都:西南交通大學土木工程學院，2003.

［2］郭樹棠.隧道的鄰近施工措施［J］.科技技術通訊，1994(3):27-29.

［3］關寶樹.隧道工程設計要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2006.

［5］姚海波.大斷面隧道淺埋暗挖法下穿既有地鐵構筑物施工技術研究［D］.北京:北京交通大學土木建筑工程學院，2005.