新建地鐵盾構近距離穿越在運營地鐵線路風險控制研究

文｜北京城建設計發展集團股份有限公司 尉婧明

引言

隨著北京地鐵網絡化的不斷發展，新建盾構區間近距離下穿既有運營線盾構區間的情況逐漸增多，此類穿越工程安全控制風險高、難度大，這對軌道交通新線建設單位及既有線運營管理單位提出了更高的挑戰。本文依托北京市軌道交通17 號線盾構區間近距離下穿既有機場線盾構區間工程項目，系統梳理工程風險并進行識別及數值分析，總結了整套近距離盾構下穿的風險控制措施，通過分析新建盾構穿越施工全過程既有線實測沉降數據的變形規律，研究風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～香河園站盾構區間下穿首都機場線東直門站～三元橋站段盾構區間，穿越段新建區間左線曲線半徑420m，右線曲線半徑350m。新建盾構區間片外徑6.4m，內徑6.0m，管片厚度300mm。主要穿越地層為中砂⑦1、圓礫⑦及粉質粘土⑧層。既有盾構區間管片外徑6m，內徑5.4m，管片厚度300mm。新建左線區間與既有區間垂直凈距為2.956m，右線區間與既有區間垂直凈距為2.941m。

圖1 新建區間與既有地鐵位置關系總平面

圖2 新建隧道與既有地鐵位置關系剖面圖

首都機場線采用直線電機軌道結構形式,主要由整體道床、走行軌、感應板、彈性扣件組成。既有地鐵機場線結構變形控制標準按軌道變形控制，相對于一般地鐵線路更加嚴格。由于受到感應版供電系統影響，既有軌道結構無法采用護輪軌及軌距拉桿等常規的軌道加固措施。

2 穿越工程風險控制思路

本工程穿越風險控制的研究思路如圖3。

3 穿越工程數值模擬分析

3.1 土體材料參數

本構模型采用D-P 彈塑性模型，參數如表1所列。

圖3 穿越工程風險控制研究思路

圖4 計算模型范圍及模型相對位置關系圖

圖5 既有區間結構預測變形結果（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。模型范圍為區間兩側邊界土體取的4 至5 倍洞徑，底部取3 倍洞徑。

3.3 預測分析

既有區間豎向預測位移整體表現為下沉，變形量自鄰近下穿位置至遠離下穿位置兩側逐漸減小，且各部位累計沉降值隨施工進行逐步增大，新建區間盾構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；最大沉降發生在全部施工完成后區間中部底板部位；豎向變形最大值為-1.834mm。單線穿越沉降槽范圍約兩側各30m，雙線穿越整體影響范圍約100m。

4 盾構穿越成套風險控制措施

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

（1）設置盾構穿越試驗段。為總結盾構施工掘進參數、渣土改良、出土量控制、同步及二次注漿等施工參數，減小盾構施工對既有機場線造成的影響，在盾構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。為填充盾構機開挖過程中地層與盾體之間空隙，在盾構機刀盤進入既有機場線區域范圍時，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，對既有線區間隧道及軌道采取第三方監測措施，建立完善的監控系統，進行系統全面的跟蹤監測，密切關注區間施工對既有線的影響，達到信息化指導施工的目的。

5 既有線監測總結

盾構穿越既有線關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測數據可知，盾構刀盤進入前，既有盾構區間略有上浮，上浮量約0.2mm。刀盤進入區間后，既有盾構區間開始呈沉降趨勢，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，既有盾構區間持續沉降，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區間沉降穩定。

根據表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發展，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沉降，并有約+0.5mm 的控制效果。

表1 土體單元參數表

表2 穿越各關鍵階段既有線沉降統計表（單位：mm）

6 風險控制措施效果分析

通過分析盾構穿越各關鍵階段既有線監測結果，總結出穿越工程風險控制措施效果如下。

（1）根據試驗段前地表沉降差異可知，通過數據反饋后優化盾構掘進參數，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，掘進參數的調整及克泥效的應用主要作用在刀盤進入及盾構通過階段，合理的盾構掘進參數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通過階段既有線沉降，是既有線最終變形控制的關鍵手段。

（2）根據既有線第三方監測總結可知，盾尾脫出后既有線沉降持續發展。此階段為沉降發展及控制的難點，沉降集中發生，但通過同步注漿，系統可以在出土間歇反復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形建筑空隙，支撐管片周圍巖體，可達到盡快穩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發展，通過預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發展的趨勢。根據既有線監測數據可知，二次補漿做為施工干預控制手段，施工干預控制精度在0.5mm 左右。

7 結論與建議

通過對既有在運營地鐵線路監測數據的總結驗證，新建盾構隧道近距離穿越在運營地鐵線路工程的成套風險控制措施可操作性強、可靠程度高，可對后續類似穿越工程提供技術及管理方面的借鑒及參考。