地鐵隧道連續(xù)穿越高風(fēng)險環(huán)境影響分析和保護(hù)措施

丁靜澤

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，但是面臨著越來越復(fù)雜的周邊風(fēng)險環(huán)境，地鐵往往需要連續(xù)穿越多處重要風(fēng)險環(huán)境，施工難度大大增加。北京地鐵17 號線工程盾構(gòu)隧道在北神樹站—朝陽港站區(qū)間連續(xù)穿越南水北調(diào)東干渠、京津城際鐵路及東南五環(huán)路等高風(fēng)險環(huán)境，且存在穿越地層條件差、地表覆土淺、風(fēng)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(shù)措施，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示各項(xiàng)變形指標(biāo)均在控制范圍之內(nèi)，成功對風(fēng)險環(huán)境實(shí)施了連續(xù)穿越。為類似工程提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 風(fēng)險環(huán)境描述

1.各風(fēng)險環(huán)境現(xiàn)狀概述

北京地鐵17 號線北神樹站—朝陽港站區(qū)間線路全長約5.63km。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)區(qū)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(qū)十八里店鄉(xiāng)康化橋附近連續(xù)穿越南水北調(diào)東干渠、京津城際鐵路及東南五環(huán)路等高風(fēng)險環(huán)境，穿越段起點(diǎn)里程右K9 ＋300.2，終點(diǎn)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(fēng)險環(huán)境平面示意Fig.1 Plane relation of subway tunnel and environmental risk

南水北調(diào)東干渠：為重力流輸水，盾構(gòu)法施工，一期工程采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，外層為外徑6.0m，內(nèi)徑5.4m，C50 預(yù)制混凝土管片，內(nèi)層為外徑5.4m，內(nèi)徑4.6m，C35 二次模注防水混凝土結(jié)構(gòu)。線路上穿南水北調(diào)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(diào)東干渠為一級風(fēng)險環(huán)境［1，2］，如圖2 所示。

京津城際鐵路：為客運(yùn)鐵路，道床采用無砟道床，設(shè)計(jì)時速為350km／h。下穿段鐵路上部結(jié)構(gòu)類型為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，計(jì)算跨度為（80 ＋128 ＋80）m，盾構(gòu)區(qū)間下穿高架橋128m橋跨處，平面交角40°～41°，運(yùn)營墩號為281 和282。下部基礎(chǔ)形式為4 ×6 根群樁基礎(chǔ)，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(gòu)區(qū)間右線距離282 號樁基最小距離為18.1m，區(qū)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?yàn)樘丶夛L(fēng)險環(huán)境［1，2］，如圖2 所示。

圖2 地鐵隧道與風(fēng)險環(huán)境剖面示意Fig.2 Profile of subway tunnel and environmental risk

東南五環(huán)路：設(shè)計(jì)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(huán)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(xù)停車帶，中央分隔帶寬3m，路基總寬度為35m；五環(huán)路兩側(cè)連接匝道總寬度均為9m，雙向兩車道。盾構(gòu)區(qū)間拱頂覆土約11m，距離五環(huán)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(huán)路為一級風(fēng)險環(huán)境［1，2］，如圖2 所示。

2.風(fēng)險環(huán)境特征分析

分析地層條件及風(fēng)險環(huán)境特征，盾構(gòu)穿越施工難度較大，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）風(fēng)險環(huán)境等級高，均為重要工程，一旦變形過大，產(chǎn)生影響其使用功能的損傷時，修復(fù)困難，會造成的巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。

（2）連續(xù)穿越各風(fēng)險，穿越距離長，盾構(gòu)機(jī)中間無檢修調(diào)整條件，需保證盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中各項(xiàng)施工參數(shù)調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)，對施工機(jī)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(hù)力不足而產(chǎn)生失穩(wěn)等風(fēng)險［3］；穿越范圍以粉細(xì)砂及粉砂層為主，粉細(xì)砂及粉砂層的黏聚力較小，自穩(wěn)性差，容易受擾動，引起較大超挖，土體變形控制困難［4］。

（4）風(fēng)險變形控制要求高，京津城際鐵路高架橋墩臺及軌道已產(chǎn)生較大變形，剩余可用變形量非常小，根據(jù)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(zhì)情況

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

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

勘察鉆孔最大深度56m，根據(jù)埋藏深度、動態(tài)變化特征和對工程建設(shè)的影響，勘探范圍內(nèi)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(biāo)高為8.3m，位于區(qū)間隧道底板以下。

2 施工技術(shù)措施

2.1 工程籌劃安排

穿越時間避開春運(yùn)及重要節(jié)假日，降低社會影響。同時應(yīng)避開南水北調(diào)東干渠工程檢修、維護(hù)及空水狀態(tài)時期。

2.2 設(shè)置試驗(yàn)段

盾構(gòu)穿越前設(shè)置100m 的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段有針對性地設(shè)定多種推進(jìn)參數(shù)，嘗試不同推進(jìn)模式，掌握同類型地層的地質(zhì)特性、沉降規(guī)律，并做好機(jī)械的調(diào)試、檢修等，確保盾構(gòu)機(jī)在正式穿越前，各項(xiàng)施工參數(shù)調(diào)整到最優(yōu)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)連續(xù)穿越。

2.3 掘進(jìn)施工組織及參數(shù)控制

（1）嚴(yán)格保證施工的連續(xù)性，做好物質(zhì)及設(shè)備各項(xiàng)保障。嚴(yán)格保證穿越過程中的連續(xù)作業(yè)，確保穿越區(qū)域附近不停工、不滯留。

（2）對土倉內(nèi)的土壓力、控制掘進(jìn)速度、出土量各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，嚴(yán)格保持掘進(jìn)面的土壓穩(wěn)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(shù)量，最大程度地減少因充填不及時、不密實(shí)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(nèi)渣土的流動性、和易性和密水性，保持良好的流塑性狀態(tài)。

2.4 輔助注漿措施

（1）試驗(yàn)段和穿越段范圍內(nèi)采用“克泥效”對盾構(gòu)機(jī)刀盤和管片之間的空隙進(jìn)行填充。“克泥效”是由合成黏土礦物、交替穩(wěn)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(qiáng)，易對盾構(gòu)機(jī)外殼外間隙進(jìn)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(jié)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(jù)注入泵的能力適當(dāng)調(diào)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(nèi)材料的黏度能達(dá)到300dPa·s～500dPa·s。

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

圖3 盾構(gòu)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(gòu)外2m～5m（共3m）范圍進(jìn)行地面深孔注漿加固，加固深度為地面下2.5m 至盾構(gòu)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(yùn)營階段對東干渠與盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)之間的夾層土體產(chǎn)生擾動，盾構(gòu)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(xì)水泥，加固范圍為縱向穿越段及前后各6m 范圍、豎向?yàn)榈罔F區(qū)間底板以下5.4m 范圍，加固土體與東干渠結(jié)構(gòu)之間預(yù)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(jì)算分析

3.1 下穿京津城際鐵路及東南五環(huán)路

針對盾構(gòu)隧道下穿京津城際鐵路高架橋樁基及東南五環(huán)路進(jìn)行分析，數(shù)值計(jì)算采用MIDASGTS 軟件進(jìn)行計(jì)算。模型尺寸取80m ×168m ×90m。

土體采用摩爾-庫侖模型，盾構(gòu)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(yīng)力釋放系數(shù)來考慮；承臺采用實(shí)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(nèi)二次深孔加強(qiáng)注漿采用實(shí)體單元提高土層參數(shù)模擬，土體力學(xué)參數(shù)見表1。計(jì)算模型見圖6。地表變形計(jì)算結(jié)果見圖7。下穿京津城際鐵路計(jì)算結(jié)果見表2。

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

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

表2 京津城際鐵路計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of calculation results

由結(jié)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(nèi)；地表沉降為5.13mm，滿足京津城際鐵路及五環(huán)道路沉降控制要求。

3.2 上穿南水北調(diào)東干渠

盾構(gòu)隧道上穿南水北調(diào)東干渠采用MIDAS-GTS軟件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型尺寸80m ×50m ×50m，土體采用實(shí)體單元模擬，材料模型為摩爾-庫侖模型，東干渠盾構(gòu)隧洞采用板單元，材料模型為彈性模型，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模型，材料模型為彈性模型，隧道位置關(guān)系如圖8 所示。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖8 隧道位置關(guān)系Fig.8 Plane relation of the tunnels

表3 東干渠計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of calculation results of East Main Canal Tunnel Donggan Canal

根據(jù)計(jì)算，東干渠內(nèi)襯隧洞受地鐵隧道施工影響發(fā)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(yīng)力最大值約965kPa，位于地鐵盾構(gòu)隧道兩線中間處；環(huán)向應(yīng)力最大值約為253kPa，位于東干渠拱頂及底板位置，滿足結(jié)構(gòu)C35 混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。地鐵盾構(gòu)區(qū)間在上穿掘進(jìn)施工中可以保證東干渠的結(jié)構(gòu)安全性。

4 結(jié)語

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