地鐵隧道連續穿越高風險環境影響分析和保護措施

丁靜澤

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

近年來，我國城市軌道交通建設發展迅速，但是面臨著越來越復雜的周邊風險環境，地鐵往往需要連續穿越多處重要風險環境，施工難度大大增加。北京地鐵17 號線工程盾構隧道在北神樹站—朝陽港站區間連續穿越南水北調東干渠、京津城際鐵路及東南五環路等高風險環境，且存在穿越地層條件差、地表覆土淺、風險變形控制要求高等不利因素。針對地層條件及工程條件，制定了合理的施工技術措施，數值模擬計算結果及監測數據顯示各項變形指標均在控制范圍之內，成功對風險環境實施了連續穿越。為類似工程提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 風險環境描述

1.各風險環境現狀概述

北京地鐵17 號線北神樹站—朝陽港站區間線路全長約5.63km。區間采用盾構法施工，盾構區間為雙洞雙線隧道，隧道外徑6.4m，管片厚度為0.3m。隧道在朝陽區十八里店鄉康化橋附近連續穿越南水北調東干渠、京津城際鐵路及東南五環路等高風險環境，穿越段起點里程右K9 ＋300.2，終點里程K9 ＋343，穿越段長度183.7m。穿越平面位置見圖1。

圖1 地鐵隧道與風險環境平面示意Fig.1 Plane relation of subway tunnel and environmental risk

南水北調東干渠：為重力流輸水，盾構法施工，一期工程采用雙層襯砌結構，外層為外徑6.0m，內徑5.4m，C50 預制混凝土管片，內層為外徑5.4m，內徑4.6m，C35 二次模注防水混凝土結構。線路上穿南水北調東干渠，隧道埋深約6.46m，距離干渠頂板凈距約6.93m。南水北調東干渠為一級風險環境［1，2］，如圖2 所示。

京津城際鐵路：為客運鐵路，道床采用無砟道床，設計時速為350km／h。下穿段鐵路上部結構類型為預應力混凝土連續箱梁，計算跨度為（80 ＋128 ＋80）m，盾構區間下穿高架橋128m橋跨處，平面交角40°～41°，運營墩號為281 和282。下部基礎形式為4 ×6 根群樁基礎，承臺尺寸為14.6m ×22.6m ×4.0m，樁基采用鉆孔灌注樁形式，單樁直徑1.5m，281 號墩高為8.8m，樁長69m，282 號墩高8.3m，樁長68m。盾構區間右線距離282 號樁基最小距離為18.1m，區間左線距離281 號樁基最小距離為18.5m。京津城際鐵路高架橋為特級風險環境［1，2］，如圖2 所示。

圖2 地鐵隧道與風險環境剖面示意Fig.2 Profile of subway tunnel and environmental risk

東南五環路：設計速度100km／h，紅線寬度80m。道路縱坡總體較為平緩，17 號線地鐵隧道穿越五環路主路及兩處匝道，其中主路為兩幅路形式，雙向六車道加連續停車帶，中央分隔帶寬3m，路基總寬度為35m；五環路兩側連接匝道總寬度均為9m，雙向兩車道。盾構區間拱頂覆土約11m，距離五環路兩端匝道及主路路面高度分別為13.3m、14.1m、12.1m。東南五環路為一級風險環境［1，2］，如圖2 所示。

2.風險環境特征分析

分析地層條件及風險環境特征，盾構穿越施工難度較大，主要體現在以下幾方面：

（1）風險環境等級高，均為重要工程，一旦變形過大，產生影響其使用功能的損傷時，修復困難，會造成的巨大的經濟損失和社會影響。

（2）連續穿越各風險，穿越距離長，盾構機中間無檢修調整條件，需保證盾構機推進過程中各項施工參數調整至最優狀態，對施工機械及人員操作水平要求高。

（3）穿越條件較差，地表覆土淺，最淺埋深僅為6.9m，地表變形控制難度大，且存在開挖面提供的支護力不足而產生失穩等風險［3］；穿越范圍以粉細砂及粉砂層為主，粉細砂及粉砂層的黏聚力較小，自穩性差，容易受擾動，引起較大超挖，土體變形控制困難［4］。

（4）風險變形控制要求高，京津城際鐵路高架橋墩臺及軌道已產生較大變形，剩余可用變形量非常小，根據咨詢報告建議，橋墩橫向水平位移、縱向水平位移控制值僅為0.5mm，豎向位移控制值1.0mm。

1.2 工程及水文地質情況

北神樹站—朝陽港站穿越段地鐵隧道主要位于④3粉細砂層（標貫值N＝50）及③3粉砂層（標貫值N＝29），拱頂以上為砂質粉土、素填土等相對細顆粒地層。盾構掘進過程中對刀盤及刀具有一定的磨損，一定程度上考驗刀盤刀具的耐磨性能。穿越段地層參數如表1 所示。

表1 穿越段地層參數Tab.1 Stratum parameters of crossing location

勘察鉆孔最大深度56m，根據埋藏深度、動態變化特征和對工程建設的影響，勘探范圍內地層中的地下水可劃分為上層滯水（一）、潛水（二）、層間潛水（三）、層間潛水～承壓水（四）和承壓水（五）。該段勘察主要揭露層間潛水～承壓水（四）標高為8.3m，位于區間隧道底板以下。

2 施工技術措施

2.1 工程籌劃安排

穿越時間避開春運及重要節假日，降低社會影響。同時應避開南水北調東干渠工程檢修、維護及空水狀態時期。

2.2 設置試驗段

盾構穿越前設置100m 的試驗段，試驗段有針對性地設定多種推進參數，嘗試不同推進模式，掌握同類型地層的地質特性、沉降規律，并做好機械的調試、檢修等，確保盾構機在正式穿越前，各項施工參數調整到最優狀態實現連續穿越。

2.3 掘進施工組織及參數控制

（1）嚴格保證施工的連續性，做好物質及設備各項保障。嚴格保證穿越過程中的連續作業，確保穿越區域附近不停工、不滯留。

（2）對土倉內的土壓力、控制掘進速度、出土量各項參數進行優化，嚴格保持掘進面的土壓穩定，避免土壓的過大波動。

（3）控制盾尾同步注漿，控制漿液的注入數量，最大程度地減少因充填不及時、不密實而造成的地層損失。

（4）土層改良及保壓等措施，制定合理有效的渣土改良方案，確保艙內渣土的流動性、和易性和密水性，保持良好的流塑性狀態。

2.4 輔助注漿措施

（1）試驗段和穿越段范圍內采用“克泥效”對盾構機刀盤和管片之間的空隙進行填充。“克泥效”是由合成黏土礦物、交替穩定劑和分散劑合成的一種粉劑材料，與水（形成A 液）、水玻璃（B液）混合攪拌形成雙液注漿材料。該材料填注時流動性強，易對盾構機外殼外間隙進行有效填充，填注完成后形成塑性黏土，不易被水稀釋，有一定承載力，能防止拱頂土體下陷；另外，克泥效泥膜與土層膠結在一起，減小了同步注漿的漿液流失，對注漿壓力控制效果較好，從而有效控制拱頂沉降及因注漿造成的土體隆起。配比根據注入泵的能力適當調整，推薦比例為1∶2（A液粉劑1kg∶水2kg），A液與B液混合推薦的比例為4∶1（A 液混合液4L∶B 液1L）。A 液與B液混合后15s 內材料的黏度能達到300dPa·s～500dPa·s。

（2）京津城際鐵路及五環路穿越范圍內，盾構管片增設注漿孔，對區間隧道拱部及底部土體進行加固。盾構穿越后，對拱部180°、深度3m以及仰拱180°、深度1m范圍進行二次深孔加強注漿，漿液采用水泥水玻璃雙漿液。如圖3所示。

圖3 盾構注漿加固示意Fig.3 Grouting reinforcement in shield tunnel

（3）為限制土體及京津城際鐵路橋樁的水平變形，在盾構外2m～5m（共3m）范圍進行地面深孔注漿加固，加固深度為地面下2.5m 至盾構下方3m（共15m）范圍，平面位置見圖4。注漿孔為間距及排間距0.75m，單孔注漿半徑不小于0.5m，注漿壓建議0.3MPa～0.5MPa，梅花形布置［5］。

圖4 地面注漿加固示意Fig.4 Grouting reinforcement on ground

（4）為防止地鐵施工及運營階段對東干渠與盾構隧道結構之間的夾層土體產生擾動，盾構穿越前采用地面深孔注漿加固地鐵隧道與東干渠之間的土體，注漿漿液采用超細水泥，加固范圍為縱向穿越段及前后各6m 范圍、豎向為地鐵區間底板以下5.4m 范圍，加固土體與東干渠結構之間預留1m間距，如圖5 所示。

圖5 地面注漿加固示意Fig.5 Ground grouting reinforcement

3 計算分析

3.1 下穿京津城際鐵路及東南五環路

針對盾構隧道下穿京津城際鐵路高架橋樁基及東南五環路進行分析，數值計算采用MIDASGTS 軟件進行計算。模型尺寸取80m ×168m ×90m。

土體采用摩爾-庫侖模型，盾構管片采用板單元，彈性模型；同步注漿以及漿液與土體的作用，采用土體應力釋放系數來考慮；承臺采用實體單元，彈性模型；橋梁等效為荷載作用于承臺；橋樁采用植入式桁架單元模型洞內二次深孔加強注漿采用實體單元提高土層參數模擬，土體力學參數見表1。計算模型見圖6。地表變形計算結果見圖7。下穿京津城際鐵路計算結果見表2。

圖6 計算模型（單位：m）Fig.6 Calculation model（unit：m）

圖7 地表變形計算結果（單位：m）Fig.7 Calculation results of surface deformation（unit：m）

表2 京津城際鐵路計算結果統計Tab.2 Statistics of calculation results

由結果可知，地鐵穿越造成的墩臺沉降為0.27mm、水平位移為0.35mm，在控制范圍之內；地表沉降為5.13mm，滿足京津城際鐵路及五環道路沉降控制要求。

3.2 上穿南水北調東干渠

盾構隧道上穿南水北調東干渠采用MIDAS-GTS軟件進行計算。計算模型尺寸80m ×50m ×50m，土體采用實體單元模擬，材料模型為摩爾-庫侖模型，東干渠盾構隧洞采用板單元，材料模型為彈性模型，內襯結構采用實體單元模型，材料模型為彈性模型，隧道位置關系如圖8 所示。計算結果見表3。

圖8 隧道位置關系Fig.8 Plane relation of the tunnels

表3 東干渠計算結果統計Tab.3 Statistics of calculation results of East Main Canal Tunnel Donggan Canal

根據計算，東干渠內襯隧洞受地鐵隧道施工影響發生回彈變形，其上浮量及地鐵隧道上浮量均滿足變形要求。東干渠隧洞縱向應力最大值約965kPa，位于地鐵盾構隧道兩線中間處；環向應力最大值約為253kPa，位于東干渠拱頂及底板位置，滿足結構C35 混凝土的設計抗拉強度。地鐵盾構區間在上穿掘進施工中可以保證東干渠的結構安全性。

4 結語

本文地鐵隧道連續穿越南水北調東干渠、京津城際鐵路高架橋及東南五環路等風險環境，通過對地層條件及風險環境特征進行分析，有針對性地采取合理的施工技術措施，數值模擬計算分析顯示隧道穿越對各風險環境的影響在可控范圍內，保證了穿越過程中各風險環境的安全，各項措施合理可靠，為后續類似穿越工程提供了借鑒。