盾構(gòu)隧道穿越海河影響分析及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對

孔 慧

(天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300051)

九河下梢的海河橫穿天津城區(qū)而過，地鐵建設(shè)過程中，線路不可避免與其交叉。除了已通車運(yùn)營的地鐵1號線、2號線、3號線、5號線，目前正在緊張建設(shè)中的地鐵4號線區(qū)間盾構(gòu)隧道亦將下穿海河。

1 工程、水文地質(zhì)概況

1.1 工程概況

天津地鐵4號線土壓平衡盾構(gòu)隧道在金阜橋下游約300 m處，以單圓單線雙隧道方式穿越海河，與河道交角為96°。盾構(gòu)隧道輪廓線頂距離河底最近為10.2 m，距離西岸預(yù)制鋼板樁最近約為9.033 m，距離東岸預(yù)制鋼板樁最近約為5.389 m，河面寬度約102.1 m。

穿越海河段埋深情況詳見表1。

表1 地鐵穿越海河段埋深特征值表 m

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)隧道洞身通過范圍內(nèi)，土均勻性較好。地層主要為第Ⅰ海相層⑥4粉質(zhì)粘土層、⑥5粘質(zhì)粉土層、⑥6粉質(zhì)粘土層、第Ⅱ陸相層⑦1，⑧1粉質(zhì)粘土層及⑧2砂質(zhì)粉土層、第Ⅲ陸相層⑨2粉砂土層。其中⑧2砂質(zhì)粉土層、⑨2粉砂土層透水性好，為承壓含水層。

1.3 地鐵成功穿越海河的案例

表2 地鐵盾構(gòu)穿越海河段埋深特征值對比表 m

天津市地鐵1號線、2號線、3號線、5號線區(qū)間盾構(gòu)隧道均曾成功穿越海河，并順利接收，目前盾構(gòu)隧道運(yùn)營狀況良好，為地鐵4號線區(qū)間盾構(gòu)下穿海河積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。地鐵4號線與2號線、3號線、5號線盾構(gòu)隧道穿越海河段埋深特征值對比情況[1-3]見表2。

在工程建設(shè)方案中體現(xiàn)類似盾構(gòu)隧道穿越海河工程成功案例，可為盾構(gòu)隧道穿越海河工程建設(shè)方案審查提供支持，為河道管理部門決策提供參考。

2 盾構(gòu)隧道穿越海河影響分析

地鐵4號線下穿海河采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)頂距河床底9 m以上，工程實(shí)施后不會(huì)對河道行洪、排澇造成壅水影響，不過有可能會(huì)受到洪水沖刷的影響，需進(jìn)行河道沖刷分析，保證盾構(gòu)隧道在海河設(shè)計(jì)行洪、排澇條件下的安全，即地鐵埋深應(yīng)大于河道沖刷深度。

2.1 河道沖刷分析

根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，本工程段海河河床土質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土，屬粘性土，計(jì)算采用《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》中粘性土河床沖刷計(jì)算公式進(jìn)行估算[4]。計(jì)算公式分為河槽和灘地兩部分，河槽、河灘部分計(jì)算公式分別為：

式中符號含義見TB 10017—99鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 河道沖刷深度計(jì)算表

行洪工況下，海河設(shè)計(jì)行洪流量為800 m3/s，設(shè)計(jì)水深為13.46 m；海河排澇工況下，設(shè)計(jì)排澇流量為187.8 m3/s時(shí)，設(shè)計(jì)水深為11.79 m。以上兩種工況計(jì)算沖刷后最大水深均小于設(shè)計(jì)水深，均不會(huì)對河道造成沖刷影響。因此，該段河道不會(huì)發(fā)生沖刷，沖刷線高程可視為現(xiàn)狀河底高程。

2.2 對河道泄洪及河勢穩(wěn)定影響分析

地鐵4號線盾構(gòu)隧道下穿海河，通過沖刷計(jì)算，工程段海河無一般沖刷，盾構(gòu)隧道不會(huì)被沖刷而露出河床，不會(huì)改變河道的自然行洪狀態(tài)，對河道行洪不會(huì)產(chǎn)生阻水影響，也不會(huì)改變河道水流流態(tài)，工程建成后對河道行洪、排澇沒有影響。盾構(gòu)頂距左岸護(hù)岸樁樁底超過5 m，距右岸護(hù)岸樁樁底超過9 m，工程建成后不會(huì)對堤防、護(hù)岸造成不利影響。此外，盾構(gòu)隧道建設(shè)期及運(yùn)行期均沒有改變地面交通布局，對防汛搶險(xiǎn)不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

但結(jié)合盾構(gòu)隧道穿越海河處的地理位置以及工程、水文地質(zhì)等特點(diǎn)，地鐵4號線采用盾構(gòu)掘進(jìn)過程中有可能發(fā)生河底坍塌、盾構(gòu)機(jī)擊穿河床、施工引起的地面沉降或隆起導(dǎo)致河岸失穩(wěn)等危險(xiǎn)情況，這時(shí)將可能對河道行洪排澇蓄水及河勢穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，對河道兩岸堤防護(hù)岸產(chǎn)生較大的不利影響，也將對地鐵隧道工程自身安全產(chǎn)生不利影響。

2.3 對河道兩岸管線影響分析

經(jīng)對管線圖紙核查和實(shí)地調(diào)查，地鐵4號線盾構(gòu)隧道穿越海河兩岸埋設(shè)有天然氣、輸配水、污水、電信、供電等多條管道或線路，與地鐵左右線接近垂直下穿，埋深大多在1 m～2 m范圍內(nèi)。項(xiàng)目建成運(yùn)營后不會(huì)對各條管道或線路造成影響。

但工程施工時(shí)，應(yīng)提前協(xié)調(diào)好與第三人合法水事權(quán)益的關(guān)系，避免發(fā)生糾紛。

3 工程影響防治及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施

3.1 風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)設(shè)計(jì)

根據(jù)《天津地鐵4號線地下工程安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)》，盾構(gòu)區(qū)間下穿海河處環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級識別為Ⅰ級。為使地鐵4號線盾構(gòu)隧道施工過程中順利穿越海河，同時(shí)確保地鐵自身、河道及其沿線堤防護(hù)岸的安全，進(jìn)行了地鐵4號線區(qū)間盾構(gòu)下穿海河Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)設(shè)計(jì)，提出了下穿海河風(fēng)險(xiǎn)源保護(hù)措施、盾構(gòu)施工對海河影響的變形控制指標(biāo)、海河風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)測及預(yù)警預(yù)案等。

3.2 編制專項(xiàng)施工方案

根據(jù)海河的水文地質(zhì)條件、與盾構(gòu)隧道區(qū)間的相對位置關(guān)系等情況，經(jīng)過詳細(xì)的調(diào)查研究，全面考慮盾構(gòu)機(jī)下穿海河的風(fēng)險(xiǎn)，制定經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的專項(xiàng)施工方案，最大限度減少隧道施工對海河的影響，有效控制海河及周圍的地表沉降，確保盾構(gòu)安全下穿海河。

1)設(shè)備檢修停機(jī)點(diǎn)的選擇。

根據(jù)盾構(gòu)穿越海河的周邊環(huán)境和地質(zhì)條件以及盾構(gòu)法施工特點(diǎn)，結(jié)合河道管理部門的意見和建議，盾構(gòu)機(jī)穿越海河前，停機(jī)點(diǎn)選在左線DK28+300(右線DK28+320)處。對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢查，對管路、動(dòng)力設(shè)備、傳感設(shè)備等進(jìn)行徹底的檢查和維修，以確保盾構(gòu)機(jī)在有保障的良好狀態(tài)下進(jìn)行下穿海河掘進(jìn)工作。

2)確保非汛期施工。

海河是天津市重要的行洪排澇河道，穿越海河工程施工不能跨越汛期，必須確保在非汛期進(jìn)行，以避免一旦海河行洪或排澇時(shí)盾構(gòu)施工發(fā)生河底坍塌、盾構(gòu)機(jī)擊穿河床等危險(xiǎn)情況，對海河行洪排澇蓄水以及地鐵隧道工程自身安全產(chǎn)生不利影響。該工程盾構(gòu)下穿河道范圍長度約102 m，掘進(jìn)工效按平均每天6.5 m考慮，16 d完成穿越海河。

3.3 加強(qiáng)河道風(fēng)險(xiǎn)源的監(jiān)測

盾構(gòu)隧道穿越海河范圍內(nèi)，監(jiān)測等級為一級，編制了專項(xiàng)監(jiān)測方案。主要監(jiān)測項(xiàng)目有地表沉降觀測、管片結(jié)構(gòu)豎向位移、管片結(jié)構(gòu)凈空收斂。地表沉降允許值：地表沉降30 mm，地表隆起10 mm；警戒值：地表沉降24 mm，地表隆起8 mm。

盾構(gòu)機(jī)穿越海河期間，由于河內(nèi)無法布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在監(jiān)測實(shí)施過程中將采取以下措施：

1)在盾構(gòu)機(jī)入河前加密布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)、斷面監(jiān)測，將監(jiān)測點(diǎn)一直延伸至河道岸邊，為盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)提供更可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。護(hù)岸處主測斷面測點(diǎn)布置見圖1。

2)盾構(gòu)機(jī)入河后，調(diào)整隧道內(nèi)拱頂沉降及收斂的監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測頻率(1 d 2次)。

3)加強(qiáng)該區(qū)域河面及隧道內(nèi)的日常巡視，主要觀察海河河面氣泡等情況，隧道內(nèi)主要巡視理論出土量及實(shí)際出土量的差異對監(jiān)測數(shù)據(jù)加以分析，確保盾構(gòu)機(jī)順利通過。

3.4 其他管理措施

1)合理安排施工進(jìn)度，編制地鐵工程建設(shè)期和運(yùn)行期應(yīng)急預(yù)案。2)施工過程中積極接受河道主管部門的監(jiān)督管理和現(xiàn)場檢查，盾構(gòu)掘進(jìn)期間不得影響河道的運(yùn)行和管理。

4 結(jié)語

地鐵4號線盾構(gòu)隧道穿越海河：

1)施工過程中有可能發(fā)生河底坍塌、盾構(gòu)機(jī)擊穿河床、施工引起的地面沉降或隆起導(dǎo)致河岸失穩(wěn)等的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可能對河道行洪排澇蓄水及河勢穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，對河道兩岸堤防護(hù)岸以及盾構(gòu)隧道自身安全產(chǎn)生不利影響。

2)采取進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源專項(xiàng)設(shè)計(jì)，編制專項(xiàng)施工、監(jiān)測方案，采取合理選擇停機(jī)檢修點(diǎn)、非汛期施工、加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測與信息反饋、及時(shí)與河道管理部門溝通等措施，保證河道行洪排澇蓄水安全及堤防護(hù)岸穩(wěn)定，保障盾構(gòu)機(jī)安全順利穿越海河。