新建盾構隧道近距離下穿既有地鐵線安全風險控制措施研究

魏兵超

（北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037）

0 引言

地鐵因其具有節省土地、減少干擾、節約能源等優點，在城市的交通出行中占據越來越高的比重，出于線路規劃的需要等原因，后續待建設的線路不可避免地要與既有線路交叉，因此會產生相互影響，尤其是對已運營線路的影響不可忽視。施工過程中稍有不當，即可能造成既有線路隧道甚至軌道變形超限，影響行車安全，造成安全事故，引發不良社會影響[1]。

合肥地鐵5號線高鐵站—祁門路站區間盾構下穿既有地鐵1號線，是合肥地鐵建設進程中首次出現待建線路下穿既有地鐵線，且距離較近（兩區間隧道最小凈距為3.244m），穿越段掘進地層為合肥地區典型的黏土層，小凈距疊交隧道施工風險大，且既有地鐵1號線的變形監測困難，總體風險突出。該區間的順利穿越對合肥地鐵建設后續出現類似線路交叉的施工安全風險控制有較好的指導借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

合肥地鐵5號線高鐵站—祁門路站區間右線SK22+593.332～SK22+641.431段（共計48.1m）斜下穿既有地鐵1 號線，左線XK22+560.596～XK22+611.346 段（共計50.75m）斜下穿1號線，線間距在9.0～15.4m范圍內變化，在既有地鐵1號線最下方時，線間距為10m，隧道頂部埋深在11.9～33.6m范圍內。在建地鐵5號線與既有地鐵1號線兩區間最小凈距為3.244m，最小高程差為2.645m，此位置最小凈距為6.933m，斜穿角度為右線15°、左線16°。區間平面位置關系示意如圖1所示。

圖1 區間平面位置關系示意

1.2 工程地質及水文地質條件

擬建區間場地屬河流二級階地，沿線地勢開闊，地形略有起伏，區域地質構造較穩定，場地內不存在能引起場地滑移、大變形和破壞等的不良地質，屬穩定場地。

該區間隧道穿越地層均為⑥2黏土層，區間覆土分為①1雜填土層與①2素填土層，相關參數如下：

（1）①1雜填土層：松散，土質不均，層厚0.50～4.50m，以黏性土為主，含大量建筑垃圾、磚渣、生活垃圾等。

（2）①2素填土層：松散，局部可塑—硬塑，土質不均，層厚0.60～3.00m，以黏性土為主，含少量碎石、磚渣等雜物。

（3）⑥2黏土層：硬塑—堅硬，中—低壓縮性，層厚22.10～31.90m，富水性及透水性均較差。

2 下穿既有線主要安全風險分析

2.1 盾構穿越既有地鐵1號線施工風險

新建地鐵5號線區間斜下穿既有地鐵1號線區間，豎向最小凈距為3.244m，最小高程差為2.645m。盾構掘進過程，中隧道周圍地層應力不斷發生變化，從而造成周圍土體產生變形和破壞。隨著隧道的不斷掘進，所影響的范圍也不斷擴大，最終傳遞到地面影響既有線結構及軌道。若下穿既有線隧道過程中未按設計要求嚴格控制沉降值及變形量，將嚴重影響列車運營安全。

2.2 黏土地層中刀盤結泥餅施工風險

盾構隧道洞身穿越地層為⑥2黏土層，掌子面的黏土受到刀具切削、刀盤擠壓后形成細小的土顆粒，在刀盤中心位置形成附著的泥餅，在高溫、高壓作用下不斷變厚變硬，最終導致刀具被渣土糊住，刀盤失去削土能力，導致掘進速度過慢，掘進過程中易出現堵艙、刀盤結餅、刀具異常損壞等情況，造成施工無法正常進行。

2.3 盾構小凈距掘進風險

根據《盾構法隧道施工與驗收規范》（GB 50446-2017），隧道凈間距小于0.7倍盾構直徑的地段統稱為小凈距地段，該區間盾構二次始發后，出高鐵站長約162m段落的隧道線間距均為9m，凈間距為9-6.2=2.8m＜0.7×6.2=4.3m。盾構隧道小凈距施工主要考慮以下幾種影響：后續盾構的推進對既有隧道的擠壓和松動效應；后續盾構的盾尾通過對既有隧道的松動效應；后續盾構的壁后注漿對既有隧道的擠壓效應；先行盾構引起的地層松弛而造成或引起后續盾構的偏移等[2]。

2.4 既有地鐵1號線區間監測困難

既有地鐵1號線望-高區間為運營線路，盾構下穿過程中不具備既有線監測條件，從而無法指導盾構施工掘進參數設定，施工過程中對既有地鐵1號線造成沉降或隆起破壞，影響列車的正常運行。

3 盾構下穿既有地鐵線安全風險控制措施

3.1 試驗段掘進

3.1.1 試驗段掘進目的

試驗段掘進參數及施工參數是下穿既有線施工過程中的重要依據。試驗段盾構掘進完全按照下穿既有地鐵1號線掘進方式進行控制，掌握相同工程地質及水文地質下盾構掘進參數與地表沉降規律。同時，以控制地表沉降為目地進行試驗掘進，對盾構機推進速度、推力、扭矩、刀盤轉速、出土量、注漿量、渣土改良等參數進行調整，總結出對地表變形影響最小的施工參數。

3.1.2 試驗段總結

試驗段掘進過程中做好掘進記錄，掘進記錄要求填寫真實、仔細，每日當班技術員需與接班人員進行崗位交接。每掘進5環，根據掘進記錄與監測報告對掘進過程及相關參數進行比選分析。對照每班掘進參數和地面沉降監測結果，根據對照結果調整施工參數，如提高同步注漿量、調整注漿壓力，降低掘進速度等，并每環進行記錄、分析和總結，將試驗成果用于下穿既有地鐵1號線施工中。

3.2 下穿掘進施工

下穿掘進施工包括盾構斜穿、正穿以及盾構機刀盤進入斜穿范圍的前10 環和盾尾脫離斜穿范圍的后10環。為確保正式穿越既有地鐵1號線過程中，盾構機能以最佳狀態穿越風險源，以及穿越過程中盾體超前注漿相關參數選取的可靠性，盾構掘進應在斜穿之前的10環位置停機維保，待設備一切運行正常，準備到位后，進行穿越既有線施工，中盾注漿應貫穿整個下穿掘進過程。

3.2.1 設備維保

在穿越既有地鐵1號線前，需停機對盾構機及后配套設備進行一次全面細致的檢查、維修及保養。停機維保重點是對盾構機的螺旋機系統、渣土改良系統、同步注漿系統、超前注漿系統、二次注漿設備、控制電路及液壓系統、電瓶車剎車及電路進行檢查，以確保設備能以最佳狀態勻速不間斷地穿越既有線。

3.2.2 盾構掘進控制

在盾構下穿前，根據前期試掘進數據和監測數據及時調整土壓力值，從而科學合理地設置土壓力值及相宜的推力、推進速度等參數，防止超挖，以減少對土體的擾動。

隧道掘進過程中，要充分結合監測數據，及時調整盾構掘進參數及注漿參數，保證掘進順利。盾構掘進施工工序主要包括：軸線控制、管片防水、管片安裝、同步注漿、盾尾油脂的壓注、泡沫劑的壓注及二次注漿等，每道工序均有成熟的程序，施工過程中需嚴格按程序進行。

盾構機掘進引發的沉降大致分為5個階段（見圖2）：

圖2 盾構掘進過程階段性地層沉降示意

（1）最初的沉降。從盾構開挖面距地面沉降觀測點還有一定距離（約3～12m）的時候開始，直至開挖面到達觀測點所產生的沉降。

（2）開挖面前方的沉降（隆起）。這種地基塑性變形是由土體應力釋放、開挖面的反向土壓力或機身周圍的摩擦力等作用而產生的。它是從開挖面距觀測點一定距離時開始至觀測點處于開挖面正上方所產生的沉降（隆起）。

（3）盾構機經過時沉降（隆起）。該沉降是在土體的擾動下，從盾構機的開挖面到達測點的正下方開始到盾構機尾部通過沉降觀測點所產生的沉降（隆起）。

（4）盾尾空隙沉降。該沉降產生于盾尾經過沉降觀測點正下方之后。管片脫離盾尾后與土體間的間隙未能及時得到補充，從而引發的沉降。

（5）固結沉降，它是一種由地基擾動所產生的殘余變形沉降。

可通過注漿加固的手段，減少各個階段的沉降。

（1）同步注漿。盾尾通過后，管片外圍和土體之間存在空隙，施工中采用同步注漿來充填這一部分空隙。施工過程中嚴格控制同步注漿量和漿液質量，為減小漿液的固結收縮，實驗室前期應根據地層的富水性、穩定性、孔隙率等條件進行配合比試驗，確定最優配合比，使漿液和易性好、泌水性小。根據盾構穿越既有地鐵1號線時易造成沉降的情況，同步注漿選用惰性漿液或者收縮率較小的漿液[3]。

（2）中盾注漿。同步注漿及二次注漿分別為了對第四與第五階段的地面沉降進行控制與預防，但不能有效控制第一、第二和第三階段的沉降。為了解決這一問題，在盾構穿越階段，通過盾構機中盾位置兩側11點鐘至1點鐘位置的注漿孔，對盾構機上方土體間隙進行超前注漿，在盾殼上部形成泥膜。中盾注漿漿液需進行專業配置，漿液注入35s后將會初凝且初凝后漿液仍具有可塑性，并能形成泥膜。

（3）二次注漿。二次注漿一般在管片與圍巖的空隙填充密實性差，隧洞變形得不到有效控制或管片襯砌出現滲漏的情況下實施。如果地表出現過大沉陷時，可以通過二次注漿進行抬升和補強。施工時采用隧道監測信息反饋，結合洞內超聲波探測管片襯砌背后有無空洞的方法，綜合判斷是否需要進行二次注漿。下穿段前后10環范圍內必須對管片背后注雙液漿，使隧道周圍土體起到加固和止水作用。

3.3 穿越后鞏固階段

由于地表沉降存在一定的滯后性，盾構機在穿越既有地鐵1號線后，仍需在后續的一段時間內對地鐵1號線進行全自動監測，根據監測值判斷既有線是否存在沉降風險，以便及時注漿封環，對新建地鐵5號線隧道進行加固，防止因管片位移對既有地鐵1號線隧道造成影響。

4 監控量測

4.1 監測方法及點位布設

4.1.1 監測方法

由于地鐵1號線為既有運營線，只有在夜間11點至次日凌晨5點的地鐵暫停運營期間可以進行人工監測作業，人工作業無法滿足監測頻次要求，故采用自動化智能監測系統進行監測，其測量原理是采用先進的壓縮感知技術進行目標位移監測，以安全信息收集塔（簡稱信息塔）作為基準點，通過信息塔和被監測點之間的相對位移數據來判斷沉降數值。安全塔周期性地向被測點發射電磁波信號，根據信號相位特征變化和測量參量矩陣來計算相對位移數據，通過壓縮感知技術進行數據校準。安全塔自身安裝有高精度電子陀螺和磁力計，可以測量自身安裝基準的微小偏角變化。各監測點測得位移數據后，利用無線自組織網絡上傳數據至后臺管理中心，通過數據分析后，將結果反饋至客戶終端[4]。

4.1.2 監測點位布置

在既有地鐵1號線下行線主要影響區間段，按5m的間距設置監測斷面，共設置20個監測斷面；一般影響區間段內，按10m的間距設置監測斷面，共設置40個監測斷面（具體斷面數以現場實際布設量為準）。每個斷面設置6個監測點，分別為：1個隧道拱頂沉降監測點、1個隧道水平收斂監測點、2 個軌道位移監測點和2 個道床沉降監測點，如圖3所示。

圖3 監測點安裝位置示意

4.2 監測預警和信息反饋

該系統采用變化量和變化速率作為“雙控”指標，共設Ⅲ級報警提示。當出現黃色監測預警時，應采取加密監測點或提高監測頻率等措施加強對各監測對象的監測；當出現橙色監測預警時，應暫停施工作業，通知業主、監理、設計及運營等相關單位到達施工現場，各方共同制定相應安全保護措施，并經組織審查后，開展后續工作；當出現紅色監測預警時，應啟動安全應急預案，立即停止盾構施工，聯系地鐵運營單位，進行風險研判，當危及行車安全時，立即封鎖線路，堅持“先防護，后處理”的原則，配合地鐵檢測維修單位，盡快搶修、調整鐵路設備，達到通車條件后，方可放行列車，在繼續進行盾構施工前，必須組織檢查相關的安全防護措施。

5 結束語

新建地鐵線路穿越既有地鐵的工程越來越多，而且風險突出，稍有不慎將可能造成運營線路停運，甚至引發人員傷亡，造成嚴重負面社會影響。合肥地鐵5號線高鐵站—祁門路站區間盾構下穿既有地鐵1 號線工程中，不僅對事前、事中、事后全過程存在的安全風險進行了分析，還采取針對性的控制措施，最終成功穿越，未對既有地鐵1號線的運營產生影響。該區間的順利穿越對類似工程建設也具有很好的指導和借鑒意義。