盾構下穿既有車站風道的施工風險評估及控制研究

李曉亮，孫梓栗，李谷陽，黃 杉，王海飛，徐前衛

（1.中鐵五局 電務城通公司，湖南 長沙 410205；2.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

0 引言

近年來，為緩解城市交通擁堵，我國眾多城市大規模地修建地鐵。地鐵隧道大多會穿越城市的中心區域。由于城市有密集的建筑物、街道和各種管道網，故對施工安全、施工環境的要求較高[1-2]。盾構法因其獨特的優勢成為城市地鐵施工工程的最優選擇，被廣泛地運用于地鐵區間的隧道修筑[3]。盾構在施工中，不可避免地會對周圍地層產生一定的擾動，使得鄰近建筑物有沉降、傾斜、拉伸、壓縮變形等潛在風險[4-5]，淺基礎建筑物往往容易因此發生破壞、倒塌，從而造成重大損失[6-7]。因此，施工中如何保證隧道安全下穿既有建筑物成為一項新的難題。

關于盾構施工對既有建筑物的影響，國內外學者開展了大量的研究。例如，Mooney等[8]通過現場數據和數值模擬研究了盾構參數對地面變形的影響；Havlí?ek等[9]使用三維有限元模擬研究了地鐵隧道對地下通道樁墻的影響，說明過大的隧道面壓力會導致地面變形；凌程建等[10]分析了基坑開挖對地鐵的影響，并從安全可靠、經濟合理的角度出發，提出了有針對性的措施和建議；王家祥[11]分析了盾構隧道對居民區的影響，指出施工過程中及時進行二次跟蹤注漿對沉降控制極為重要；李超人等[12]研究表明盾構近期地表沉降在建筑物處明顯增大，建筑物所在位置及其周圍土體呈現整體傾斜變形；王錫軍等[13]、姚八五[14]和汪超[15]對盾構穿越暗挖風道的施工技術與控制要點進行了簡要分析，為地鐵盾構穿越風道施工提供參考。

總體而言，當前國內外在相關方面的研究主要集中在地面沉降這一問題上，而就施工對鄰近建筑物的影響及控制措施研究較少，需進一步系統化研究。本文將以北京地鐵8號線天橋—永定門外區間隧道下穿既有風道為例，通過數值計算來模擬盾構施工對既有建筑物的影響，在此基礎上提出相關風險控制措施，為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

北京地鐵8號線天橋站—永定門外站區間于K34+983.011～K34+996.811處需要下穿地鐵14號線永定門外車站的東南風道，風道總長約為51.96m，寬度為13.8m，高度為7.35m。隧道下穿鐵路橋區段埋深約25.5～27.2m。

區間土層自上而下為：雜填土①層、粉土填土①2層、粉土③2層、粉砂～細砂③3層、粉質黏土③層、粉砂～細砂③3層、粉質黏土④層、粉土④2層、粉質黏土④層、細砂～中砂⑤2層、卵石⑤層、粉質黏土⑥層、卵石⑦層；洞身所在地層主要為卵石⑤層、粉質黏土⑥層，地層參數詳見表1。區間隧道結構以上有潛水和潛水～承壓水兩層地下水，地下水距離隧道頂部約3.45m。該區段的局部地質剖面如圖1所示。

圖2、圖3所示為北京地鐵8號線左、右線隧道先后下穿北京地鐵14號線永定門外車站東南風道。左、右兩隧道間的水平距離約為18m。該風道與地鐵8號線近似垂直交叉，風道與盾構頂部最小距離為3.4m。

表1 土層物理力學參數表

圖1 區間地質剖面示意圖

2 施工難點與風險評估

2.1 施工難點

（1）風險等級高

本工程中，隧道施工環境較差，盾構需要于K34+983.011～K34+996.811段下穿地鐵14號線永定門外車站的東南風道。風道截面尺寸為13.8m×7.35m，埋深19.5m，風道底部與盾構頂部最小距離為3.4m。由于風道結構為地下淺基礎，對沉降極為敏感，當盾構在其鄰近或下方穿越時，盾構上方荷載容易產生較大變化且不均勻，加之盾構正面壓力及推進姿態難以掌控，故受盾構隧道開挖的影響較大。

圖2 地鐵線路與車站平面關系示意圖

圖3 地鐵線路與車站風道立面關系示意圖

（2）地層穩定性差

由于區間隧道主要位于卵石層⑤和粉質黏土層⑥，盾構在其中推進時，正面壓力及推進姿態難以掌控。若正面壓力設置不當或缺少必要的渣土改良措施或盾尾密封失效，極易造成開挖面及盾尾涌砂、涌水或坍塌，并引發隧道損壞和地表較大范圍沉降。

因此，本區間施工的難點是對施工過程進行控制，既要避免因正面壓力及同步注漿壓力不足引起的沉陷，又要防止正面壓力及注漿壓力過高導致地層擾動過大，最大限度地減小隧道掘進過程中土體變形與地鐵風道的沉降，從而保證既有構筑物的安全。

2.2 施工風險評估

2.2.1 評估方法選擇

由于城市地下隧道所處地質環境的多樣性、變異性和復雜性，使得各種評價因素都存在大量的不確定性和不精確性。這種不確定性、不精確性既具有隨機性，又具有模糊性，比較符合模糊綜合評判理論的適用條件。因此，該綜合評價問題應用模糊數學方法最為合適。此外，R=P×C定級法是一種定性與定量相結合的方法，是目前國內外應用比較廣泛的一種風險評估方法。本文根據北京地鐵8號線三期05標段下穿風道段盾構隧道的實際情況、評價目標、已有評價基礎資料等，選擇R=P×C定級法作為風險評價的主要方法，具體風險評估流程如圖4所示。

圖4 施工前期風險評估流程圖

2.2.2 風險評估

首先對施工風險進行辨識，確定需要考慮的風險事件。

（1）掘進風險。掘進中比較容易發生坍塌、涌水和涌砂，甚至較大的地面沉降，導致建筑物基礎附近土體塌陷的嚴重后果；在砂卵石地層中，盾構推進姿態控制困難，若軸線控制不當，容易導致隧道軸線標高偏離設計線路過多或左右偏差過大，影響隧道的使用。

（2）機械設備風險。由于盾構始發后需經過較長距離掘進才能到達風道處，故長距離盾構施工會導致刀具、刀盤磨損較大，無法正常推進。此外，盾構在推進至風道之前，需通過可塑、硬塑狀的黏土類地層，當通過黏土質砂土等黏土礦物含量超過25%的地層時，極易在盾構刀盤上和出土倉內結成“泥餅”。

（3）環境風險。在8號線車站附近，盾構推進施工影響范圍內有多幢多層和高層建筑，且城市道路下均埋有一定數量的地下管線，地表環境較為復雜；隧道施工過程中不可避免地要對周圍環境產生不利影響，如引起地層位移與變形，可能對鄰近風道結構產生不利影響，可能引起風道沉降、傾斜、開裂甚至倒塌、損毀等。

（4）盾構始發、接收風險。盾構在中間風井始發后不久須下穿東南風道，之后再進入接收井。在盾構始發時，若盾構推力過大或受千斤頂編組影響，易造成后靠受力不均勻，產生應力集中，導致后靠和負管片間的結合面不平整；洞口土體加固強度太高，使盾構推進力提高，開始時后盾管片為開口環，上部后盾支撐尚未完成安裝，千斤頂無法使用，故推力集中在下部，使盾構機產生向上的趨勢。

在盾構穿越施工前，通過征求專家的意見，獲得各風險事件的概率和后果等級，根據風險等級標準定義各風險事件的初始風險等級，通過采取相應的控制措施，降低或規避可能存在的風險，使之落入可接受范圍內，并對殘余風險等級進行相應評價。若風險等級不在可接受范圍內，需進一步采取風險控制措施，使得殘余風險落入可接受范圍內，具體等級評定如表2所示。

表2 下穿段施工過程風險等級評估表

由以上分析可知，該下穿段的初始掘進風險等級為中度，機械設備風險為高度，環境風險與始發、接收風險等級均為極高，應引起高度重視。該區間被施工方列為環境一級風險源，必須采取處理措施以降低風險并加強監測。為此，對盾構施工引發的相關結構變形和內力進行分析評估，并給出相應的施工保護措施。

3 盾構下穿風道施工模擬

3.1 計算模型

為消除模型邊界效應的影響，左右及底部邊界距離隧道均大于3倍洞徑18m，土體水平邊界長度為65m，豎向邊界長度約為52.5m，縱向邊界長度為45m。計算模型的豎向邊界約束水平位移、水平底部邊界約束豎向位移，頂部是自由面，豎向及水平邊界均設為不排水。

計算模型如圖5所示，其中地基土和注漿層用實體單元模擬，管片和風道結構選用shell單元模擬。地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，注漿層和管片采用各向同性彈性模型。盾構下穿鐵路橋段地下水位線距離隧道頂部約3.45m。為考慮地下水滲流與土體因開挖造成的應力狀態改變之間的相互影響，采用可考慮巖土體流固耦合的軟件進行計算，即將巖體視作等效連續的均勻多孔介質，流體在孔隙介質中的流動符合Darcy定律，同時滿足Bi?ot方程。土層、管片、注漿層及風道結構的計算參數分別如表3～表5所示。

圖5 隧道下穿風道計算模型圖

表3 土體彈塑性單元計算參數

表4 彈性實體單元計算參數

表5 結構單元計算參數

3.2 計算工況

模型中隧道長45m，分8步開挖，前7步每步開挖約6m，第8步開挖3m，考慮注漿壓力及漿液由初凝到終凝的過程，每開挖一次對掌子面施加面壓力，模擬盾構對開挖面的支撐力。關于開挖面支護壓力的設定，通過理論計算可知，隧道頂部支護壓力為140kPa，中心處壓力為177kPa，變化梯度為12.3kPa/m。

計算過程中，先分8次模擬開挖右線隧道、加支護壓力、施加管片和注漿，然后再分8次模擬開挖左線隧道、加支護壓力、施加管片和注漿，壁后注漿壓力為522kPa。關于隧道壁后注漿的模擬，張云等[16]曾提出將其概化為一均質、等厚、彈性的等代層，如圖6所示。在本文的計算模型中，將注漿層亦簡化為等代層，其厚度為0.12m。為模擬注漿的固化過程，可將注漿壓力從初始壓力減小到零，注漿層強度由初凝強度的1/4逐漸增加到初凝強度，等盾構再向前開挖12m之后變為終凝強度。

圖6 等代層示意圖

4 計算結果分析

4.1 土體位移結果分析

左、右線隧道開挖后地層整體豎向位移云圖如圖7所示，右、左線盾構掘進后，最大沉降發生在右線隧道頂部，其值為6.937mm；最大隆起發生在右線隧道底部，其值為14.50mm。在風道縱向中心線所在斷面上，土體的最大沉降值為3.85mm，最大隆起值為12.45mm。綜上所述，盾構施工引起的地層豎向位移相對較小，所以選用的支護壓力及注漿壓力是比較合理的。但是，下部隧道開挖導致風道下方出現兩個比較明顯的下沉區域。

圖7 左、右線隧道開挖后地層整體豎向位移云圖

4.2 土體應力結果分析

圖8為左、右線隧道均開挖完成后地層的最大應力云圖。由圖可知，由于隧道的開挖，土體的應力狀態發生改變，盾構隧道周圍土體表現出明顯的局部應力集中，且在盾構隧道頂部與風道底部之間出現兩個漏斗形的應力集中區域。

圖8 左、右線隧道開挖后風道所在斷面最大主應力云圖

4.3 塑性區分布

圖9為左、右隧道均開挖完后土體的塑性區分布圖。圖中shear表示土體發生剪切破壞；tension表示土體發生張拉破壞；p表示單元過去曾經處于屈服面上，而現在已經離開屈服面，處于彈性范圍；n表示單元正處于屈服狀態。

圖9 左、右線隧道開挖后土體的塑形區分布圖

由圖9可知，有少量土體在施工過程中達到過屈服狀態，但當右、左線隧道均開挖完后，只有一小部分土體仍處于屈服狀態。值得一提的是，下部隧道開挖后，將導致其正上方的風道底部土體處于局部塑性狀態，這就需要在施工前對此處土體適當加固。

4.4 風道變形

圖10為風道結構豎向位移及變形示意圖。

圖10 風道結構豎向變形圖（單位：m）

由圖10可以看出，隧道開挖引起的風道最大沉降值為1.39mm，最大隆起值為1.18mm。隧道開挖后，風道結構中間一段頂板下沉，底板隆起，邊上兩段底板和頂板均隆起，使風道結構翹曲，并且靠近起始開挖面一側風道豎向位移值較大，盡管風道結構發生了不均勻沉降變形，但是變形值相對較小，故對結構安全影響不大。

5 控制措施及施工監測

5.1 施工控制措施

（1）注漿預加固

盾構下穿風道前，采用二次深孔注漿對土體進行加固處理。二次深孔注漿即通過加強襯砌環管片（管片主筋由C20鋼筋增強至C22）的吊裝孔及新增注漿孔打設鋼花管進行管片壁后注漿，每環加強襯砌環管片的吊裝孔及新增注漿孔共有16個，沿圓周均勻布置。注漿范圍為隧道拱頂外2m。

（2）控制盾構機參數

若盾構推力過大、推速快、出土率小，會使得土倉壓力增大，這將對掘削面產生擠壓而使其隆起和前移，從而引起周邊土體隆起；若盾構推力過小、推速慢、出土率大，會使得土倉壓力變小，這將引起掘削面塌陷，從而引起周邊土體沉降。因此，為了更好地減小盾構施工對周圍土體的擾動，需要嚴格控制盾構機參數，使土倉壓力在1.0～1.5bar范圍內，出土量為40m3/環，推進速度在35mm/min左右。

（3）二次注漿

施工中同步注漿后，需進行二次注漿補充管片外空隙。二次注漿壓力應控制小于0.2MPa。采用隔環開孔、每環開兩個孔（管片12點、4點位位置）的方式進行二次注漿，開孔深度以打穿同步注漿層為宜，約40cm。每個孔位注漿量控制小于0.5m3。注漿過程中遵循注漿量和注漿壓力“雙控制”的原則，但以壓力控制為主，當壓力過大時，即停止注漿。

5.2 施工監測

（1）監測點布置。采用精度為1.0mm的水準儀監測隧道周圍1倍埋深范圍內的風道沉降、差異沉降及風道旁土體沉降值。風道周圍監測點布置如圖11所示，其中三角形為監測點。風道上部監測點從左到右編號依次為GCY-24-01～GCY-24-05。

圖11 監測點布置示意圖

（2）監測標準。風道沉降與地表沉降的累計變化量小于15mm，速率小于2mm/d。

（3）監測結果。圖12所示為左、右線施工完畢后風道上各測點的豎向位移值。由于左線盾構先完成推進，盾構機一直位于區間內，故左線附近的GCY-24-01～GCY-24-03測點沉降大于右線附近的GCY-24-04～GCY-24-05測點。其中GCY-24-01點沉降值最大為1.91mm，滿足15mm的沉降累積值控制要求。

圖12 盾構施工結束后風道各測點位移值

選取變形位移最大的GCY-24-01測點進行分析，得到豎向位移如圖13所示。隨著右線盾構隧道逐漸接近并通過該點所在截面，GCY-24-01沉降值呈先增大后減小的趨勢，盾構機開挖時沉降增大，后續注漿沉降減小，與實際數據變化相符。沉降變形最大值為1.92mm，在控制范圍內，大體變化趨勢與數值模擬相似。

圖13 盾構施工不同階段GCY-24-01測點累計位移值

6 結論

本文結合北京地鐵8號線下穿風道的工程實例，在對其施工風險進行評估的基礎上，利用有限差分軟件對盾構施工過程進行動態模擬，提出了指導本工程的風險控制措施，并得到以下結論。

（1）采用R=P×C法，對盾構下穿車站風道進行風險評估，該區間段被施工方列為環境一級風險源，必須采取風險處理措施以降低風險并加強監測，保證安全施工。

（2）數值模擬結果顯示，盾構在穿越期間設置開挖面上部支護壓力為140kPa，中心處壓力為177 kPa，變化梯度為12.3kPa/m，壁后注漿壓力為522 kPa，地層豎向位移相對較小，可滿足施工對沉降的要求。

（3）在盾構隧道頂部與風道底部之間出現兩個漏斗形的應力集中區域，兩個區域下沉比較明顯，需要引起注意。靠近起始開挖面一側風道沉降較大，最大值為1.39mm，但是不均勻沉降變形值相對較小。

（4）監測結果表明，建筑物沉降值被控制在目標值范圍內，處于安全狀態，說明所采用的加固土體、控制盾構參數、加強二次注漿的控制措施能夠有效減小對鄰近風道的影響，可為同類地層盾構施工提供參考。