某地鐵暗挖隧道與盾構隧道并行區段安全風險管控與對策研究

袁 斌

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

城市軌道交通工程安全風險管控具有重要意義，主要有以下幾點：首先，可以有效遏制事故發生，消除安全隱患；其次，促進參建單位加強安全生產工作，牢固樹立安全發展理念，緊抓現場安全隱患排查治理，制定切實有效的安全管理措施；第三，建立各項風險防范和監測預報預警機制，盡早把隱患消除在萌芽狀態，防止隱患滋生蔓延，確保施工安全可控。因此，對暗挖隧道與盾構隧道并行區段的安全風險進行識別、分析、評估和對策研究，為類似工程安全風險管理提供參考經驗，制定科學經濟可靠的風險控制措施，具有理論實踐需要。

1 工程概況及施工進展情況

1.1 工程概況

某地鐵盾構隧道穿越地層以強風化粉砂巖及中風化粉砂巖為主，局部為卵石。盾構區間周邊環境存在大量老舊民房、老舊建筑，穿越停車場出入線暗挖隧道（拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m）以及4 次穿越排洪溝。停車場出入線暗挖隧道與區間盾構隧道出口段呈平行關系，兩隧道距離較近范圍長45m，與暗挖隧道開挖輪廓線凈距為1.26～4.45m。停車場出入線暗挖隧道與區間盾構隧道平面關系和暗挖隧道結構完成情況如圖1 所示。

圖1 暗挖隧道與盾構隧道平面關系

1.2 工程水文、地質情況

暗挖段的地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石，局部含漂石。地下水類型為潛水，地下水埋深9.6～16.4m，含水層主要為卵石層，潛水含水層厚度為2.9～14.7m。卵石下的粉砂巖透水性較差，但強風化粉砂巖及中風化粉砂巖由于成巖性較差，裂隙較發育，層內存在裂隙水，并與潛水相連通。

地質勘探深度50m 范圍內的地層主要為第四系人工填土、第四系全新統沖積黃土狀土、卵石及下第三系漸新統粉砂巖組成。雜填土：以粉土為主，含大量建筑垃圾，生活垃圾、植物根系等，層厚0.5～6.0m；粉土素填土：主要成分以粉土為主、含零星礫石、磚屑、炭渣及白灰等，層厚0.5～7.0m；黃土狀土：主要成分為粉土，小孔隙發育，含鐵錳質斑紋，云母碎屑，零星小結核，層厚1.0～13.5m；卵石：密實，顆粒母巖成分以花崗巖、石英巖為主，磨圓度較差，呈次圓狀～次棱角狀，分選性一般；強風化粉砂巖：細粒結構，層狀構造，泥質膠結，礦物成分以石英為主，巖芯破碎，成巖作用差，天然狀態力學性質較好，浸水或擾動易崩解呈散沙狀，暴露地表后極易風化，層厚3.6～11.9m；中風化粉砂巖：細粒結構，層狀構造，泥質膠結，礦物成分以石英為主，巖芯較完整，成巖作用差，浸水后崩解，暴露地表易風化。

1.3 地下管線

公交五公司站東端主要存在燃氣、給水、雨污水等管線。主要管線：燃氣管DN200 中壓管（頂埋深1.6m）、DN200 低壓管（頂埋深1.6m）；DN600 給水管(埋深2.1m)；雨污水管DN600(埋深3.0m)；污水管DN300(埋深2.1m)；DN400 高壓管（頂埋深1.8m）。

1.4 施工進展情況

暗挖隧道出口段中導洞及中隔墻襯砌已完成，右邊洞上、下臺階開挖完成，左邊洞上臺階剩余30m 未開挖完成、左邊洞下臺階未開挖。暗挖隧道結構完成情況如圖2 所示。因前期多方面影響導致暗挖隧道出口段右邊洞襯砌未施工完成，現盾構區間隧道即將穿越暗挖隧道平行段。

圖2 暗挖隧道結構完成情況

2 風險識別與分析

對暗挖隧道與盾構隧道并行區段風險從工程自身風險和周邊環境風險兩個方面進行辨識。工程自身風險主要有紅砂巖地層盾構施工、暗挖隧道掌子面穩定、平行區段近距離施工交互影響。紅砂巖地層裂隙較發育，盾構掘進過程中正常擾動易使圍巖迅速產生液化、呈流塑狀，易出現螺旋機噴涌及超方現象，加之復雜的周邊環境風險，嚴重威脅地面人員、建筑安全。暗挖段隧道掌子面主要為黃土狀土與卵石層，地層自穩能力較差，且部分位于地下水位以下，隧道開挖過程中存在滲水、坍塌風險。盾構隧道與暗挖隧道平行約45m，間距1.26～4.45m，右線下穿停車場出入線暗挖隧道，拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m，盾構隧道與暗挖隧道施工過程中可能出現圍巖變形過大、坍塌、相互影響。周邊環境風險為地面管線破裂、市政道路沉降、周邊建筑物沉降開裂。

通過調查研究，對紅砂巖地層盾構施工、暗挖隧道掌子面穩定、地面管線破裂、市政道路沉降、周邊建筑物沉降開裂在之前的施工過程中已進行了風險管控，制定了科學有效的應對措施，而對平行區段近距離施工交互影響這一特殊風險研究制定對策措施是極為重要的。

3 風險控制對策

由于盾構施工過程將引起地層移動而導致不同程度的地面沉降或隆起，也會影響鄰近地面構筑物及地下結構物的正常使用。因前期多方面影響導致暗挖隧道出口段右邊洞襯砌未施工完成，盾構區間隧道即將穿越暗挖隧道平行段。通過查閱專家意見，結合現場實際施工情況，對平行區段近距離施工交互影響采用盾構掘進參數控制和暗挖隧道加固。

3.1 暗挖隧道加固

盾構施工威脅地面建筑物及地下結構物的安全，加之暗挖隧道未完全施工完成，因此必須采取有效的技術安全措施對暗挖隧道襯砌進行加固，研究對平行段45m 范圍內暗挖隧道采用徑向注漿、套拱及橫撐兩項加固措施。

徑向注漿：在平行段范圍內采用徑向注漿方式對盾構與暗挖隧道間土體進行加固處理，注漿管長度2.5m，環向間距1.2m，豎向間距1.2m，采用水泥漿注漿，注漿管采用φ32×3.25 鋼焊管。

套拱及橫撐：對已開挖完的右線邊洞進行套拱及恢復橫撐，中導洞中隔墻兩側橫撐恢復。套拱及橫撐均采用I18 工字鋼，布置間距為洞口3m 段每榀間距1m，其余段間距2m。套拱采用I18 工字鋼工廠彎制，分4 節，接頭設10mm 厚連接鋼板，4 顆22螺栓栓接。橫撐現場量測長度進行切割安裝，高度與左線臨時仰拱在同一高程，間距同套拱距離。

3.2 盾構掘進參數控制

盾構掘進應堅持“控制擾動，安全、連續、勻速通過”的作業原則，通過控制盾構掘進參數和注漿參數來減少對地層擾動和地層損失。本段區間隧道掌子面地層以強風化粉砂巖及中風化粉砂巖為主，局部為卵石，水位埋深較淺，圍巖穩定性較差，盾構掘進過程應優化盾構掘進參數，嚴格控制推進速度和推進壓力，避免對周圍土體產生擾動、擠壓變形，而引起地面變形或坍塌、地面噴漿冒砂現象；盾構姿態調整采用勤糾緩糾原則，減少盾構的超挖和欠挖，避免因較大幅度糾偏對盾構機鉸接壓力、推進油缸推力分布、成型管片質量、地層擾動產生較大影響；嚴格出土量管理，每環出土量根據盾構下穿地層進行量控，做到進尺與出渣量相匹配；通過渣土改良有效控制出渣量，加強同步注漿及二次注漿，保證盾體和地層之間縫隙填充飽滿，有效的控制地層沉降；在穿越卵石、粉砂巖交錯位置時，需調整盾構參數，防止偏心，嚴格控制施工中的偏差量；若有過大變形，應及時找出原因，采取有效措施阻止變形的進一步發展，避免出現重大險情。

4 模擬計算

4.1 計算模型

針對暗挖隧道與盾構右線出口平行段初支結構安全問題，采用地層-結構法進行受力變形計算。借助有限元軟件建立包含地層、已建成左線盾構隧道、已建成暗挖隧道和擬施工右線盾構隧道的三維數值模型，計算時充分考慮初支內部的鋼架配筋、套拱、橫撐等加固措施。暗挖隧道與盾構右線出口平行段初支結構受力計算采用abaqus 程序。整體模型、隧道模型、初支配筋模型、右洞橫撐及套拱模型和中洞橫撐模型分別建模，其中，整體模型尺寸為60m×35m×22m，開挖方向自隧道最小凈距（1.26m）處向后取22m，考慮了三條隧道在空間上的位置關系特征。整體模型如圖3 所示、隧道結構如圖4 所示。

圖3 整體模型

圖4 隧道結構

4.2 材料參數

暗挖隧道初期支護結構采用C25 混凝土，二次襯砌采用C45 混凝土，盾構隧道采用C50 混凝土。初支鋼架、橫撐為鋼材，具體規格按設計要求取值。地層從上至下分別為填土、黃土、卵石、強風化砂巖和中風化砂巖，各土層物理力學參數按勘察設計報告取值。

4.3 掘進參數

數值分析過程中，右線盾構隧道第一步掘進1.6m，剩余每步掘進1.2m。參考既有掘進參數記錄表，取記錄最大值13900kN 作為數值分析模型施加的盾構掘進推力。

4.4 計算結論

通過數值計算分析，得出主要結論如下：

1）暗挖隧道初支結構Mises 應力最大值為6.53MPa，最大主應力（拉應力）最大值為1.87MPa，最小主應力（壓應力）最大值為-7.64MPa。右線盾構開挖過程中暗挖隧道初支結構受力有所減小，其中最關鍵的最大主應力（拉應力）最大值由1.87MPa 逐漸降低至1.77MPa。

2）暗挖隧道初支橫向變形最大值分別為1.881mm和-7.086mm（負號表示遠離右線盾構的方向），豎向變形最大值分別為5.685mm 和-2.445mm（負號表示豎向向下）。右線盾構開挖導致暗挖隧道受到了一定的擠壓作用，總體上表現為遠離右線盾構方向的變形。

3）暗挖隧道初支初支鋼架拱頂位置的Mises 應力最大值達到401.8MPa，已達到屈服狀態，但其余部位鋼架均處于正常受力階段，未達到屈服。

4）暗挖隧道右洞套拱及橫撐的Mises 應力最大值為143.4MPa，最大軸向壓力為320.9kN，鋼架及橫撐均處于正常受力階段，未達到屈服。

5）暗挖隧道中洞橫撐的Mises 應力最大值為209.3MPa，最大軸向壓力為172.9kN，橫撐均處于正常受力階段，未達到屈服。

6）左線盾構隧道的Mises 應力最大值為15.07MPa，最大主應力（拉應力）最大值為4.784MPa，最小主應力（壓應力）最大值為-16.06MPa。右線盾構開挖過程中暗挖隧道初支結構受力有所降低。

7）左線盾構隧道橫向變形最大值分別為0.962mm和-1.923mm（負號表示遠離右線盾構的方向），豎向變形最大值分別為0.964mm 和-1.034mm（負號表示豎向向下）。右線盾構開挖過程中已建成左側盾構隧道收斂變形有所減小。

總體而言，在現有加固方案基礎上進行右線盾構隧道開挖施工時，暗挖隧道初支結構滿足安全控制要求。

5 結束語

盾構掘進施工前，通過周邊環境調查、地質核查、專家評估等對風險源進一步評估，識別暗挖隧道與盾構隧道并行區段存在的主要風險，剔除以往施工已進行研究的風險因素，研究制定特殊地質條件下平行區段近距離施工交互影響風險應對措施，采用模擬力學計算進行對策有效性研究，為工程施工決策提供理論依據。通過事前、事中、事后等控制措施，采取了盾構掘進參數控制和暗挖隧道加固措施，雖發生地表沉降黃色預警和橙色預警，預警發生后通過地表預留注漿孔進行地表深孔注漿、洞內二次注漿及徑向環箍注漿等措施，暗挖隧道洞內襯砌變形控制在5mm 以內，未產生建（構）物沉降、傾斜、開裂等有風險事件，順利通過暗挖隧道并行段并安全接收。