地鐵盾構隧道下穿高鐵橋風險控制技術體系研究

劉瑞琪，孫捷城

（1. 濟南軌道交通集團有限公司，山東濟南 250101；2. 濟南交通發展投資有限公司，山東濟南 250101）

1 背景

在我國地鐵與高速鐵路（以下簡稱“高鐵”）大規模建設發展的背景下，施工風險與工程災害逐漸受到重視。地鐵工程設計與施工受建設空間狹小、周圍管線密集、臨近既有建（構）筑物高大等諸多條件的限制[1-2]，尤其在地鐵與高鐵的交匯區域，新建地鐵隧道的施工必然會對既有高鐵產生擾動影響，引起高鐵橋的單樁沉降超標或連續樁基不均勻沉降等現象，嚴重威脅工程安全。

目前，在地鐵盾構隧道下穿高鐵既有線安全控制及風險防控方面已經取得了較多研究成果[3-8]，但關于盾構下穿高鐵橋風險識別、評估及控制技術體系方面的研究尚為匱乏，亟需建立一套風險控制技術體系，制定相應風險清單及防控措施。

本文以濟南地鐵1號線盾構隧道近距離下穿京滬高鐵橋為工程背景，從風險識別、風險評估、風險防控、風險監控4個方面建立盾構隧道小凈距下穿高鐵橋風險控制體系，為類似工程的災變預防及風險控制提供技術指導及參考經驗。

2 工程概況

濟南地鐵1號線盾構隧道在里程K29 + 283.03～K29 + 538.74處下穿京滬高鐵橋，京滬高鐵沿南北走向布置，為40 m + 64 m + 40 m預應力連續梁橋，運營速度為300 km/h，橋下采用低承臺群樁基礎。

1號線盾構區間左、右線分別以曲率半徑為300 m、310 m從104#與105#橋墩間64 m橋跨斜穿京滬高鐵橋。同時，2號線盾構區間由該橋跨正穿，其下穿位置關系如圖1、圖2所示。

盾構隧道采用單層鋼筋混凝土裝配式管片，型式為平板型，管片環分為6塊，1塊封頂塊，2塊鄰接塊，3塊標準塊。隧道外徑6.4 m、內徑5.8 m，管片襯砌厚0.3 m，管片寬度1.2 m。

3 盾構隧道下穿高鐵橋風險控制體系

結合風險分析相關理論[9-11]及該工程盾構隧道下穿高鐵橋風險特征，從風險識別、風險評估、風險防控、風險監控4個方面建立盾構隧道下穿高鐵橋風險控制體系，其風險要素相互關系及體系架構如圖3所示。

（1）風險識別。從盾構隧道、高鐵橋及周邊環境的整體系統角度，分析辨識下穿施工過程中可能遇到的潛在風險源、風險發生形式、風險發生原因及風險可能導致的后果，明確影響工程安全的關鍵風險，形成合理可靠的風險清單。

（2）風險評估。根據既有高鐵橋的運營現狀、安全控制等級、周邊環境重要性、新建地鐵的設計要求等方面，運用風險分析方法對風險源與風險事件發生的概率及其后果做出定量或定性的評價，確定各風險因素的判別等級，擬定風險控制指標及控制標準，為風險等級劃分及綜合評價提供科學依據。

（3）風險防控。對盾構下穿高鐵橋施工過程中存在的潛在風險源進行防護與控制，制定安全合理的盾構掘進方案及掘進參數（如隧道開挖順序、掘進速度等），進行主動支護防范（如隔離樁加固及地層注漿加固等），采用既有橋樁加固技術（如樁基換托、橋梁結構頂升等），也可對盾構施工進行動態過程控制，實現施工風險的分階段精細化控制。

（4）風險監控。制定合理的監測方案對下穿段施工進行全面實時測量，根據監測結果及時調整盾構掘進參數，若監測結果達到相應的預警、報警值時，自動進行報警響應，啟動相應的防控措施與應急預案，確保穿越段施工安全。

4 風險控制體系實施過程

從風險識別、風險評估、風險防控、風險監控4個方面詳細說明風險控制體系的實施過程。

4.1 風險識別

結合該工程施工特點，建立盾構下穿高鐵橋風險識別模型如圖4所示，主要從以下幾個方面進行風險識別。

4.1.1 新建盾構隧道狀況

該工程盾構隧道采用土壓平衡式盾構施工，穿越段1號線區間左、右線曲率半徑分別為300 m、310 m，盾構曲線掘進內側超挖較大、盾尾間隙增大，容易引發地層不對稱變形、地層損失嚴重、高架橋樁沉降過大等安全風險。1號線左、右線埋深分別為28.35 m、19.22 m；2號線區間為直線穿越，左、右線埋深均為7.57 m，盾構施工埋深較淺易引起地表大幅變形，若盾構推力過大將引起地表隆起。

穿越段盾構掘進應平穩連續進行，嚴格控制盾構的軸線和糾偏量；控制盾構開挖面支護壓力近似等于隧道中心埋深處的靜止土壓力。

4.1.2 既有高鐵橋結構及運營現狀

（1）高鐵橋結構情況。穿越段京滬高鐵橋104#承臺和105#承臺上部尺寸為20.6 m×7.5 m×3 m，下部尺寸為26.6 m×11 m×3 m；104#承臺和105#承臺下分別布置21根直徑1.5 m的圓樁，樁長分別為45 m和42 m。聯絡線承臺104#-1和承臺105#-1上部尺寸為7.1 m×5.5 m×1.5 m，下部尺寸為9.1 m×9.1 m×2.5 m，其下分別布置9根直徑1.25 m的圓樁，樁長分別為45 m和42 m。

（2）高鐵橋運營現狀評估。京滬高鐵設計最高速度為380 km/h，當前運營速度為300 km/h，為雙線電氣化鐵路，鋪設無砟軌道及無縫鋼軌。

京滬高鐵運營期間在原設計荷載下最大差異沉降量為-3.8 mm，相鄰橋墩的最大累積沉降量為-3.83 mm，滿足TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》[12]規定的工后差異沉降量小于5 mm的要求。

4.1.3 盾構隧道與高鐵橋空間位置關系

1號、2號線區間均從京滬高鐵橋104#與105#橋墩間下穿，1號線穿越時左、右線隧道呈疊落姿態，最小凈距為4.332 m，屬于小凈距疊落隧道，施工擾動顯著，右線隧道掘進施工可能會對先前施工的左線隧道進行擠壓，引起近接管片軸線偏移的安全風險。

2號線穿越時左、右線位于同一水平線上，凈距為5.6 m，與1號線最小凈距為7.25 m，施工時要盡量減少對既有隧道的應力擾動與結構變形。

1號線區間左、右線與104#橋墩最小凈距分別為10.45 m、16.48 m，與105#橋墩最小凈距分別為16.31 m、10.84 m；2號線區間左、右線與104#橋墩最小凈距分別為15.81 m、27.81 m，與105#橋墩最小凈距分別為30.80 m、18.79 m。高鐵橋樁基落在新建隧道施工的影響范圍內，必須采取相應的防護加固措施以減小隧道施工對高鐵橋樁的擾動變形。

4.1.4 工程地質及周邊環境風險

（1）工程地質及水文地質。穿越段地貌特征主要為山前沖洪積平原，該區域地層由上至下依次為雜填土、黃土、粉質黏土、細砂、粉質黏土、黏土、卵石、粉質黏土、中風化石灰巖，第四系覆蓋層厚度大于50 m。該區域含水層主要為卵石層、細砂層等，局部具微承壓性，在豐水期及枯水期地下水位有所變化。濟南地區典型的厚沖洪積地層地質特征具有強烈的地異性，使其他地區的下穿施工工程經驗不能完全適用。盾構掘進過程中要特別注意在細砂層與卵石層中的施工控制，該地層易引發開挖面滑移失穩、突水涌砂等工程災害。

（2）周邊環境風險。穿越段位于劉長山路與黨楊路交匯位置，交通流量較大，周圍重要建筑物有京福高速公路橋、回遷安置房小區、京滬高鐵連續橋等，周邊環境敏感性要求較為嚴格。盾構隧道施工造成的地表沉降、土體應力傳遞、施工噪聲及用水污染、運輸車輛揚塵等問題會對周圍環境產生環境風險，應嚴格按照規范要求將周圍環境影響降低到最小程度。

4.1.5 盾構下穿高鐵橋風險清單

綜合上述風險因素，結合該工程下穿施工過程可能遇到的風險情況進行風險預測，整理得到施工風險清單如表1所示。在系統調研分析目前國內盾構隧道下穿高鐵橋工程的風險發生概率及災害程度的基礎上，初步確定各風險因素影響級別，并通過專家調查法（德菲爾法）將所列風險清單進行問卷調查，根據統計結果進行數據處理，確定其施工風險因素權重值，取風險清單的總風險指標為100，分別乘以一、二級權重系數，得到各風險因素的單項風險指標。

由表1可知，盾構隧道穿越高鐵橋施工風險清單主要分為6類，細分為32項風險因素，各風險因素之間相互關聯、相互影響，每項風險事件對應的概率也存在差異。根據各風險因素的風險指標值可知，橋樁單樁沉降過大、相鄰橋樁差異沉降的風險指標值分別為8.46、7.55，為整個下穿施工過程中風險控制的關鍵點，應著重加強該2項風險因素的控制力度，采取科學有效的加固措施來控制其風險發生概率。

表1 盾構隧道下穿高鐵橋施工風險清單及指標權重

4.2 風險評估

風險評估的主要內容是判斷風險的發生概率和后果嚴重性。目前，風險評估主要分為2種途徑，一種是通過對足夠的已知數據分析來確定風險因素的分布規律，從而預測其發生概率、權重及后果進行風險定級；另一種是在缺少足夠數據的情況下，由決策者或行業專家對風險概率和后果嚴重性進行主觀估計，通過整理分析確定風險等級[13]。

由于目前國內盾構隧道下穿高鐵橋的工程實例為數不多，其風險評估可參考的數據相對匱乏，因此主要通過主觀估計的方法進行風險評定。

4.2.1 風險判別等級

對于盾構下穿高鐵橋過程中的風險因素，需要確定風險因素的接受程度，必須預先制定明確的風險等級和接受準則。

假設總風險指標量為F，總風險因素個數為n，第i項風險因素的指標值為f1，則風險指標標準值為：

4.2.2 盾構隧道下穿高鐵橋風險評估

根據表2的風險分級判別方法將盾構下穿高鐵橋32項風險因素進行分級，其總風險指標量F= 100，則風險指標標準值各風險因素分級如表3所示。

表2 風險因素的判別分級

表3 風險因素分級及處理原則

（1）風險清單中的Ⅴ級風險包括：開挖面土壓失衡、橋樁單樁沉降過大、相鄰橋樁差異沉降、高鐵軌道變形。針對該類風險，必須合理控制盾構推進速度和刀盤轉速，注入優良的泡沫劑以改善開挖面土體和易性，確保盾構穿越施工過程中的開挖面穩定性；采用防護加固措施盡量減少盾構開挖對高鐵橋樁基及軌道的變形擾動，控制其樁基沉降在安全范圍內。

（2）Ⅳ級風險包括：地層變形過大。針對該類風險，盾構掘進過后要及時采取同步注漿、二次補強注漿等措施加固周圍地層，減少盾構超挖地層損失；同時，在穿越過程中加強地表沉降監測，達到報警值時立即采取加固補強措施，防止地表發生較大變形沉陷。

（3）Ⅲ級和Ⅱ級風險較多，針對該類風險，需加強監控，實時了解其風險發展情況，若風險有進一步增大的趨勢，應立即實施風險管理與防護控制。

（4）Ⅰ級風險包括：施工揚塵及噪聲污染、地下水斷流或污染、量測儀器損壞或精度不良、施工人員安全意識淡薄。該類風險發生的可能性相對較低，對周圍環境及社會影響不顯著，開展日常檢查即可。

4.3 風險防控

風險防控是在風險識別與風險評估的基礎上，針對工程中風險等級較高、事故后果嚴重的風險因素進行防范與調控，盡量減少或消除風險的發生概率及后果危害，是風險控制體系中最為關鍵的環節。

結合該工程風險特征，提出“避、防、抗、調、補”的風險防控主要實施思想，其具體含義如下：

（1）避：在工程可行性研究與決策階段，通過變更方案或修改線路對潛在風險源進行規避，以免除可能發生的風險事故；

（2）防：在工程施工前，通過對風險源進行一定的主動預加固或隔離（如隔離樁、地表注漿加固、降水），防范風險事故發生；

（3）抗：在工程施工過程中，通過某些加固措施和控制技術（如提高支護剛度、增大管片厚度）來抵抗風險，盡量降低風險造成的危害；

（4）調：在工程施工過程中，通過實時監測或程序控制及時調整施工方案及施工參數（如掘進參數、注漿壓力、施工步序），實現風險調控緩解，盡量減輕風險對周圍的影響；

（5）補：在工程風險發生之后，通過采取一系列應急方案與補償措施，使風險造成的損失減少到最低限度，防止事故危害的進一步擴大，對事故后果進行補救補償。

4.4 風險監控

盾構下穿高鐵橋實時監測可為盾構安全施工提供有效的數據信息與判斷依據。該工程監測項目主要包括：橋墩水平和豎向位移、墩柱傾斜；軌道沉降變形；周邊地表沉降；盾構管片結構豎向、水平位移及凈空收斂；盾構管片結構應力等。在防護措施、盾構掘進施工過程及后期運營中對上述監測項目進行24 h自動化監測。

該工程下穿施工監測點布設如圖5所示，現場監測表明，1號線盾構施工引起的橋墩最大沉降為0.32 mm，2號線施工引起的橋墩最大沉降為0.41 mm，均滿足高鐵橋變形控制1 mm的要求，驗證了該工程風險控制技術體系的合理性，確保了盾構施工安全及既有高鐵運營安全。

5 結論

（1）結合盾構隧道下穿高鐵橋風險特征，從風險識別、風險評估、風險防控、風險監控4個方面建立了盾構隧道下穿高鐵橋風險控制體系。

（2）從新建盾構隧道狀況、既有高鐵橋結構及運營現狀、盾構隧道與高鐵橋空間位置關系、工程地質及周邊環境風險4方面建立了盾構隧道下穿高鐵橋的風險識別模型；盾構隧道穿越高鐵橋施工風險清單主要分為6 類，細分為32項風險因素。

（3）制定了風險判別等級和相應的接受準則，將風險因素劃分為5個等級，確定出風險清單中的Ⅴ級風險包括：開挖面土壓失衡、橋樁單樁沉降過大、相鄰橋樁差異沉降、高鐵軌道變形。

（4）提出“避、防、抗、調、補”的盾構隧道下穿高鐵橋風險防控主要實施思想。