砂卵石地層盾構施工穿越風險源數值模擬分析及控制措施研究

針對盾構區間沿線的建（構）筑物進行風險源的識別與風險等級劃分。并針對其中風險等級為“特別重大”的風險源，采用有限元軟件建立紅牌樓站—高升橋站區間盾構隧道施工的三維數值模型，并重點分析地表位移、下方既有隧道位移分析、對既有橋墩和樁基的影響。最后，結合數值模擬結果和工程實際條件，提出針對盾構隧道穿越風險源的一系列具有針對性的控制措施。研究結果表明：（1）盾構左右線施工完成后地表沉降的最大值位于兩條盾構隧道之間，表現為沿隧道的一條粗帶狀區域；盾構施工到距橋墩最近時，對該位置的橋墩的變形受力影響最大。（2）數值分析的橋樁基礎豎向沉降在限定控制標準相鄰墩臺的差異沉降不超過20 mm范圍內，是安全的。（3）數值結果橋樁基礎豎向沉降在限定控制標準范圍內，符合近接樁基礎水平位移控制標準允許值為6 mm的基本安全規定。

風險源； 數值模擬； 控制措施； 盾構施工； 砂卵石地層

U455.43A

［定稿日期］2022-12-30

［作者簡介］郭琪琪（1986—），男，本科，工程師，主要從事隧道及地下工程施工管理工作。

0 引 言

在隧道施工風險管理方面，作為美國隧道施工風險分析的代表人物Einstein.H.H ，研究了隧道施工風險管理理論，講解了風險管理的相關規范和不同地鐵隧道的施工技術。Vik等人以挪威諾梅瑞克斯伯頓隧道工程為案例，對其環境的風險進行了識別、分析與評價。

我國的風險管理在地下工程領域起步較晚，二十世紀末以來我國才陸續開展了地下安全風險管理工作。在中國，毛儒是最早接觸隧道風險管理理論的學者，介紹了發達國家隧道工程風險管理的經驗和發展，闡述了風險管理的理論和各種管理流程的具體實施方法。隨后眾多學者具有代表性的著作問世，邊亦海根據混凝土襯砌構件抗壓破壞目標可靠值、和抗拉目標破壞目標可靠值的要求得出當圍巖為Ⅰ～Ⅲ級時襯砌斷面的最小厚度，并且提出可以用荷載-結構模式來計算一般淺埋、深埋、偏壓隧道襯砌的可靠度。吳賢國等［1］通過R=P×C的方法確定了長江盾構隧道的施工風險等級，將對風險的抽象認識轉化為了定量的具體認識，讓風險管理的目標明確化，并且還講述了如何根據實際情況選擇合適的風險分析工具。任強通過R=P×C定級法對北京地鐵4號線砂卵石盾構施工的主要施工風險進行了定級評價，并且以土壓平衡盾構為主要分析模型，建立了盾構掘進過程中的土倉壓力、推進速度、排土量等參數的模型。Qianwei Xu等［2］以漂陽路站到曲陽路站的上海地鐵10號線盾構隧道區間穿越四平路沙徑港大橋的群樁地基為背景提出一套妥善的樁基托換技術方案來確保隧道開挖期間橋梁的正常交通功能和結構安全，同時對整個施工過程進行了一系列理論分析和數值模擬，以保證方案的合理性，降低施工風險。崔玖江分析了盾構隧道施工的主要風險，比如盾構機的適應性和可行性、盾構進出洞、隧道上浮等，并對每一種風險都提出了切實可行的規避措施，此外還對國內外盾構施工事故典型案例的產生原因進行了詳細解釋。

本項目地處成都市繁華市區，沿線建（構）筑物林立，道路車流量較大，施工外部環境復雜。盾構區間在施工過程中毗鄰既有建（構）筑物，與既有地鐵隧道長距離并行，同時本項目所處市區地下管線較多，有污水管、雨水管、給水管、電力及電信管線等，存在較多的安全風險因此，有必要針對盾構掘進過程中穿越的風險源進行辨識和風險等級劃分，并在盾構掘進通過時采取有效的控制措施以確保地面建（構）筑物及地下管線的安全。

1 工程概況

1.1 工程位置及范圍

10號線三期工程北起人民公園站，終點接入10號線一期太平園站（已建成運營），主要路線為：文翁路－武侯祠大街－高升橋路－佳靈路。左線全長約5.9 km，右線全長約5.7 km，均為地下線。共設車站5座，其中換乘站4座。10號線三期工程土建部分劃分為兩個工區，其中我單位承建土建二工區，包括三站三區間，武侯祠站（含）—高升橋站（含）—紅牌樓站（含）—太平園站（不含），工程地理位置如圖 1所示。

1.2 工程地質、水文條件

根據區域地質資料、野外調查及巖土工程勘察結果，成都地鐵10號線三期土建2工區工程沿線巖土種類較多。 巖性主要有三層結構：第四系全新統人工填土（Q4ml）：雜填土層；第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）：粉質黏土層、黏質粉土層、黏質粉土層、細砂層、中砂層、卵石層；白堊系上統灌口組（K2g）：強風化泥巖層、中等風化泥巖層等。

標段范圍內除高升橋站—紅牌樓站區間下穿肖家河外，其余無地表水系。盾構在里程ZDK25+345.730～ZDK25+373.957范圍內下穿肖家河，肖家河河寬13.84 m，河底深度1 m，隧道頂部與河底豎向凈距約9.7 m；根據成都區域水文地質資料及地下水的賦存條件，地下水主要有三種類型：一是賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系砂、卵石層的孔隙潛水，三是白堊系灌口組紫紅色泥巖中的基巖裂隙水。

1.3 風險區間線路及建筑概況

1.3.1 線路概況

（1）高升橋站—紅牌樓站區間起于武侯祠大街西側，至紅牌樓廣場附近設置的紅牌樓站。線路出站沿武侯祠大街往西南前行，于一環路附近分別上跨既有5號線、既有3號線，線路主要沿著既有道路下方敷設。左線長1 228.608 m；右線長1 227.049 m；本區間設置兩座聯絡通道。盾構段正線線路平面最小曲線半徑為700 m，最大坡度為±28‰，最小坡度為±2‰，線間距6.00～20.03 m，隧頂最小覆土深度約5.18 m，最大覆土深度約18.30 m。區間正線采用盾構法施工，聯絡通道采用礦山法施工。

（2）紅牌樓站—太平園站區間出紅牌樓站后，下穿紅牌樓站（3號線）D出入口通道，然后側穿紅牌樓廣場，并長距離與既有3號線、220KV電力隧道平行敷設，下穿紅星美凱龍家具廣場后，左線接入10號線一期太平園站盾構預留接口，右線接入盾構接收井（三期新建），10號線三期盾構接收井與10號線一期泄壓井之間采用礦山法暗挖隧道連通。線路主要沿著既有道路下方敷設。

1.3.2 建筑概況

高升橋站—紅牌樓站區間，區間由紅牌樓站小里程端頭出發后，側穿紅牌樓高架橋樁基礎，正/側穿220 kV電力隧道，側穿藍鴻大酒店，側穿城南商住樓，正穿高升橋路橋、肖家河，側穿廣福橋街32號院，側穿紅牌樓小學操場圍墻，上跨既有3號線，上跨既有5號線后達到高升橋站小里程端頭。高升橋站—紅牌樓站區間平面見圖 2。

2 模型建立及數值模擬方法

本文采用MIDAS GTS/NX有限元軟件，針對盾構掘進下穿高升橋立交橋、上跨既有地鐵5號線這一過程進行了數值模擬，并重點分析盾構掘進過程中既有橋墩結構的受力位移情況，分析所得結果對實際施工控制措施得制定具有重要的參考意義。

2.1 基本假定

本次數值計算假定：

（1）假定同一層土體是連續、均勻的且呈水平層狀分布的各向同性體。

（2）將土體簡化成理想的彈塑性體，土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型。

（3）不考慮隧道盾構施工過程中的時間效應，假定土體和其他結構的變形與受力情況只與荷載有關，忽略土體的蠕變和固結效應。

（4）假定隧道盾構開挖時堵水已完成，不考慮地下水的滲流作用的影響，只考慮地下水對土體容重的影響。

（5）土體的初始應力場只考慮自重應力，不考慮土體構造應力。

（6）假定不同土層之間不存在相對滑移現象，且它們之間位移協調，不設置接觸面參數。

（7）假定隧道襯砌與土體之間不存在脫離現象，兩者之間是協調變形的。

（8）忽略拼裝方式對襯砌管片的影響，忽略接頭效應對盾構隧道結構剛度整體的影響。

（9）將橋梁結構簡化成理想的線彈性材料，橋墩、承臺以及橋梁梁體采用實體單元模擬，樁基采用植入式梁單元模擬。

（10）將管片和盾殼簡化成理想的線彈性材料，采用板單元模擬。

2.2 計算參數

根據設計說明、施工組織報告和查閱相關資料，滿足簡化計算的需要，土體按均勻層狀分布，土體具體參數見表 1，結構參數見表 2。

2.3 數值模型建立

采用MIDAS有限元軟件模擬，其中10號線、5號線隧道直徑均為5.4 m，襯砌厚0.3 m，注漿厚0.3 m，考慮到計算時的邊界效應以及軸對稱情況，確定模型的為：83 m×30 m×55 m（長×寬×高）如圖3、圖4所示。

2.4 荷載布施

本次數值模擬中主要考慮兩部分荷載：一部分是自重；一部分是盾構施工荷載。

（1）自重荷載。

（2）盾構施工荷載。

盾構機掘進過程對掌子面產生的壓力是維持掌子面穩定的重要因素之一，為了保證隧道盾構施工的正常進行，減少對土體的擾動作用，盾構施工應維持盾構機掘進壓力與掌子面正面土壓力之間的平衡。根據施工資料，掘進壓力取值為0.34 MPa，為均布荷載，盾構隧道施工中掘進壓力的模擬形式見圖 5。

2.5 施工階段模擬

（1）土體在自身重力的作用下達到初始應力平衡狀態﹐在初始地應力運算階段后設置位移歸零。

（2）鈍化預計將開挖隧道內的土體單元并激活盾殼，開挖足夠盾構機長度后激活襯砌單元材料。開挖過程中逐步激活和鈍化掘進壓力，同時按階段要求在盾尾施加注漿壓力并鈍化盾殼，完成1環的掘進。

（3）如此往復，直至完成全部開挖。模擬步驟如圖 6所示。

3 計算結果及分析

在本工程中，主要是通過分析地表、土體的沉降、盾構隧道的位移變形、下方既有隧道的位移變形以及既有立交橋樁的各方向偏移，通過位移數據值來判斷該工程是否符合安全、穩定性要求，并且借此分析新建隧道對既有隧道、立交橋樁的影響。

3.1 地表位移分析

選取了IS、S5、S10、S15、S20、S25、S30、S31對地表沉降進行觀測，在施工過程中，整個地表的位移都與施工進程位置保持同步。在地表鄰近土體內的最大沉降為7.05 mm（S30），最大隆起為1.586 mm（S10）；最終最大沉降為5.568 mm，最終最大隆起為1.322 mm，均在安全控制范圍內，對盾構施工安全性、穩定性無重大影響。如圖 7所示。

3.2 土體位移分析

由于區間內盾構施工緊鄰既有隧道以及立交橋樁基礎，在分析盾構周圍土體位移時不僅需要考慮Z方向位移，還要考慮施工是否會對河道鄰近土體、建筑物產生影響，即水平向位移（模型中為X方向位移）。根據相關規范，將盾構周圍土體豎向位移控制范圍設定為20 mm以內，將盾構周圍土體水平位移控制范圍設定為15 mm以內。

選取了IS、S5、S10、S15、S20、S25、S30、S31對地表沉降進行觀測，圖 8為位移變化趨勢，隧道周圍土體在各階段內的水平位移均處于14～15 mm；施工過程中豎向最大沉降為17.459 mm（S30），最大隆起為18.412 mm（S10）；最終豎向最大沉降為15.236 mm，最終最大隆起為17.684 1 mm。均在安全控制范圍內，對盾構施工安全性、穩定性無重大影響。

3.3 盾構位移分析

選取了IS、S5、S10、S15、S20、S25、S30、S31，在各個施工階段中，X方向位移考慮隧道內邊緣監測點位位移，Z方向考慮拱底、拱頂位移。根據相關規范，將盾構豎向位移控制范圍設定為20 mm以內，將盾構水平位移控制范圍設定為15 mm以內。

圖9、圖 10為位移變化趨勢。可見盾構監測點位向X方向位移均處于14～15 mm；施工過程中拱頂最大沉降為-15.236 mm（S31），拱底最大隆起為18.412 mm（S10）；最終沉降為-15.236 mm，最終隆起為17.684 mm。均在安全控制范圍內，對盾構施工安全性、穩定性無重大影響。

由圖9、圖10可以看出，無論是X方向還是Z方向，前五個施工過程中，每個方向的位移變化都非常明顯。其原因是前期在開挖過程中沒有及時進行注漿支護，使得拱頂處產生較大的沉降、拱底處產生了較大的隆起，以及盾構隧道兩側也產生了較大的擠壓變形。在第五個施工階段后，各位移變形量趨于平穩，X方向位移、盾構隆起停止增大并開始減小，沉降量在最后兩個施工步驟有較大的變化，但總體趨勢變化不大。

3.4 下方既有隧道位移分析

通過分析計算結果，發現下方既有隧道在X方向、Y方向、Z方向均存在位移，但X方向、Y方向的位移在各個階段均小于0.01 mm，因此在分析過程中只考慮其Z方向位移，且隧道沉降在各個階段也均小于0.01 mm，因此只考慮Z方向隆起。根據相關規范，將下方既有隧道位移控制范圍設定為6 mm以內。

圖11為通過記錄所有施工階段的下方既有隧道Z方向隆起趨勢的折線。由圖11可見，在施工過程中，最大隆起為0.481 mm（S26），最終隆起為0.474 mm。均在安全控制范圍內，對盾構施工安全性、穩定性無重大影響。

根據圖11所示，Z方向隆起的位移總體來說是隨著施工階段的進行逐步增加，在前十個與后十個施工步驟中，位移值變化得非常平緩，前十個施工步驟所造成的位移不超過0.1 mm，而后十個施工步驟中不僅位移沒有增加，反而有輕微的減小。但在S10-S20中間的十個施工步驟中，Z方向隆起位移有一個激增的過程，從0.078 1 mm增大到了0.448 1 mm。

綜合考慮，造成該現象的原因是由于下方的既有線路與新建隧道是在空間中處于垂直的分布方式，前十個與后十個施工步驟所涉及到的開挖、注漿部分都與下方既有隧道距離較遠，影響不大。而S10-S20所涉及到的，19～40號襯砌、19～40號開挖土體距離下方既有隧道距離較近，在施工過程中的掘進壓力以及襯砌、土體的自重對下方隧道產生了影響。

3.5 既有立交橋樁位移分析

通過分析計算可發現，既有立交橋樁在施工過程中，其X、Y、Z三個方向均存在位移，且X、Y方向偏移量及其變化量較大，Z方向偏移量平均值為0.2 mm，不足X、Y方向偏移量十分之一。因此在本節中將詳細分析X、Y方向的位移的最值及變化趨勢。根據相關規范，將既有立交橋樁位移控制范圍設定為6 mm以內。

3.5.1 X方向位移分析

圖12為通過記錄所有施工階段的下方既有隧道Z方向隆起趨勢的折線。由圖12可見，在整個施工過程中，X方向存在正向與負向偏移，X方向最大負向偏移為-2.647 mm（S30），最大正向偏移為1.537 mm（S31）；最終負向偏移為2.615 mm，最大正向偏移為1.537 mm。均在安全控制范圍內，對盾構施工安全性、穩定性無重大影響。

立交橋樁的X正方向位移在32個施工步驟中總體是穩步上升的，而負方向的偏移在前15個施工步驟中穩步增加，在S15中達到了極值0.73 mm，但在之后的五個施工階段中急劇下降，在S21中降至0.148 mm.之后又急劇上升，在S30時升至最大值2.647 mm。負方向偏移整體呈現反常態勢。

結合圖形分析，根據立交橋樁與新建盾構隧道在空間中的相對位置分析，發現出現該反常態的原因在于兩側樁基礎在不同的時間段發生的偏移的不同方向。由于圖7～圖13的數據均來自于各個階段的最值，而IS-S15階段的負向最值來自于靠近右線的樁基礎，該樁基礎距離29號、30號襯砌與土體最接近，因此在第S15達到了偏移的極值。在之后的五個施工階段中，樁基礎的偏移兩側反向，因此才會出現偏移量急劇減少的趨勢。而S15之后的負向最值來自于左線附近的樁基礎，該樁基礎較為靠近左線的尾部，因此在最后十個施工階段會發生急劇上升的趨勢。由此可見，新建盾構隧道會對周圍的樁基礎產生一定影響，并且離開挖位置更近的樁基礎會產生更大的水平偏移。

3.5.2 Y方向位移分析

圖13為位移變化趨勢。根據結果分析，由圖13可見，在整個施工過程中，Y方向僅存在負向偏移，Y方向最大負向偏移量為1.697 mm（S23）；最終負向偏移為1.690 mm均在安全控制范圍內，對盾構施工安全性、穩定性無重大影響。

立交橋樁的Y負方向位移在32個施工步驟中，有少量的反常增減情況，如S15-S20，但總體是穩步上升的，由此可見，新建盾構隧道不會在開挖方向上對既有樁基礎產生太大的影響。

3.5.3 偏移角度計算

根據分析的數據，將最后一個施工步驟，既S31中X正負兩個方向、Y負方向方向的偏移數據作為基礎數據，進行偏移角的正切值計算。計算原理如圖14所示，計算數據：X負向偏移值為2.615 mm，X正向偏移值為1.537 mm，Y負向偏移值為1.690 mm，立交橋樁長度為55 m。

通過以上數據及方法，求出X負向偏移角正切值為0.000 095 2，X正向偏移角正切值為0.000 055 8，Y負向偏移角正切值為0.000 061 5；進而求得X負向偏移角為0.005 4°，X正向偏移角為0.003 1°，Y負向偏移角為0.003 5°。

通過以上計算結果可看出，三個方向的偏移角角度都非常小，符合安全、穩定的施工要求。可知該工程中新建盾構隧道施工對既有立交橋樁的擾動較小。

4 盾構施工穿越風險源控制措施

4.1 建構筑物加固措施

高升橋站—紅牌樓站區間在ZDK25+345.730～ZDK25+373.957，左右線均下穿肖家河，肖家河河寬13.84 m，河底深度1 m，河道基礎之間底部設置C15混凝土護底和C25混凝土支撐底，隧道頂部與河底豎向凈距約9.7 m，區間隧道所處地層為卵石土層，見圖15。

施工方案：

（1）盾構通過前對路橋前后3 m（河道外側）進行預注漿加固。

（2）盾構不停機通過。

（3）管片上增設注漿孔，對管片外上部180°范圍內進行3 m周邊地層進行注漿加固。

（4）加強監控測量，實行信息化施工。

4.2 穿越建構筑物應急預案

由于本工程隧道線路主要在道路下方，因此隧道上方地表出現沉陷事故或滯后沉降時，應盡量降低對地面交通、車輛、行人的安全影響。

（1）盾構嚴格按照施工組織設計及技術交底施工。

（2）當建筑物監測變形有異常情況時，應及時加強監測，掌握變形趨勢。

（3）當建筑物變形趨于惡化時，應立即啟動應急預案。

（4）一旦出現地表沉陷時，立即對地面道路進行交通疏解，避免車輛行人靠近坍坑。

（5）立即組織對坍坑進行回填處理，防止坍坑擴大。

（6）上報地鐵公司、派出所和居委會，協助疏散住戶。

（7）立即組織對建筑物地基加固。在建筑物體周圍5.0 m范圍內采用注漿進行加固土體，地面注漿材料采用純水泥漿，注漿壓力0.2～0.4 MPa，土體加固深度為8.0" m。

（8）進行洞內注漿加固采用水泥+水玻璃雙液漿，注漿壓力0.2～0.4 MPa。

盾構施工過程中，進行系統、全面的監控測量，實行信息化施工。

4.3 建（構）筑物事故應急措施

（1）當建筑物監測變形有異常情況時，應及時加強監測，掌握變形趨勢。

（2）當建筑物變形趨于惡化時，應立即啟動應急預案。

（4）立即組織對建筑物地基加固。在建筑物影響范圍內打孔注漿，地面注漿材料采用純水泥漿，注漿壓力0.2～0.4 MPa。

（5）進行洞內二次注漿加固，采用水泥+水玻璃雙液漿。注漿壓力0.2～0.4 MPa。

5 結論

針對盾構區間沿線的建（構）筑物進行風險源的識別與風險等級劃分。并針對其中風險等級為“特別重大”的風險源，采用MIDAS GTS/NX有限元軟件建立該區段盾構隧道施工高升橋站—紅牌樓站的三維數值模型，并重點分析對既有橋墩和樁基的影響。最后，結合數值模擬結果和工程實際條件，提出針對盾構隧道穿越風險源的一系列具有針對性的控制措施。主要研究結論：

（1）結合本項目，針對盾構區間沿線的建（構）筑物以及地下管線等風險源進行了識別與風險等級的劃分，其中，下穿高升橋立交橋樁基的風險等級為“特別重大”。結合數值模擬和現場施工情況，針對盾構隧道施工穿越建（構）筑物和地下管線分別提出了控制措施，以用于指導實際施工。

（2）采用數值模擬的方式模擬了盾構隧道施工高升橋站—紅牌樓站區間，并重點分析施工過程的地表沉降、樁基的變形和位移。得出了，盾構左右線施工完成后地表沉降的最大值位于兩條盾構隧道之間，表現為沿隧道的一條粗帶狀區域；盾構施工到距橋墩最近時，對該位置的橋墩的變形受力影響最大。

（3）近接樁基礎沉降控制標準按照GB 50157-2013《地鐵設計規范》取相鄰墩臺的差異沉降不超過20 mm，本次數值結果得橋樁基礎豎向沉降在限定控制標準范圍內，是安全的。

（4）近接樁基礎水平位移控制標準按照JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》取單樁水平位移允許值為6 mm。本次數值結果橋樁基礎豎向沉降在限定控制標準范圍內，符合基本安全規定。

參考文獻

［1］ 吳賢國，王鋒.R=P×C法評價水下盾構隧道施工風險［J］.華中科技大學學報（城市科學版），2005（4）：48-50+61.

［2］ Qianwei Xu，Hehua Zhu，Xianfeng Ma，et al. A case history of shield tunnel crossing through group pile foundation of a road bridge with pile underpinning technologies in Shanghai［J］. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research，2015，45.