新建盾構(gòu)隧道近距離下穿既有地鐵線安全風(fēng)險(xiǎn)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(jié)省土地、減少干擾、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，在城市的交通出行中占據(jù)越來(lái)越高的比重，出于線路規(guī)劃的需要等原因，后續(xù)待建設(shè)的線路不可避免地要與既有線路交叉，因此會(huì)產(chǎn)生相互影響，尤其是對(duì)已運(yùn)營(yíng)線路的影響不可忽視。施工過(guò)程中稍有不當(dāng)，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(fā)不良社會(huì)影響[1]。

合肥地鐵5號(hào)線高鐵站—祁門路站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有地鐵1號(hào)線，是合肥地鐵建設(shè)進(jìn)程中首次出現(xiàn)待建線路下穿既有地鐵線，且距離較近（兩區(qū)間隧道最小凈距為3.244m），穿越段掘進(jìn)地層為合肥地區(qū)典型的黏土層，小凈距疊交隧道施工風(fēng)險(xiǎn)大，且既有地鐵1號(hào)線的變形監(jiān)測(cè)困難，總體風(fēng)險(xiǎn)突出。該區(qū)間的順利穿越對(duì)合肥地鐵建設(shè)后續(xù)出現(xiàn)類似線路交叉的施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制有較好的指導(dǎo)借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

合肥地鐵5號(hào)線高鐵站—祁門路站區(qū)間右線SK22+593.332～SK22+641.431段（共計(jì)48.1m）斜下穿既有地鐵1 號(hào)線，左線XK22+560.596～XK22+611.346 段（共計(jì)50.75m）斜下穿1號(hào)線，線間距在9.0～15.4m范圍內(nèi)變化，在既有地鐵1號(hào)線最下方時(shí)，線間距為10m，隧道頂部埋深在11.9～33.6m范圍內(nèi)。在建地鐵5號(hào)線與既有地鐵1號(hào)線兩區(qū)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(qū)間平面位置關(guān)系示意如圖1所示。

圖1 區(qū)間平面位置關(guān)系示意

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建區(qū)間場(chǎng)地屬河流二級(jí)階地，沿線地勢(shì)開(kāi)闊，地形略有起伏，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較穩(wěn)定，場(chǎng)地內(nèi)不存在能引起場(chǎng)地滑移、大變形和破壞等的不良地質(zhì)，屬穩(wěn)定場(chǎng)地。

該區(qū)間隧道穿越地層均為⑥2黏土層，區(qū)間覆土分為①1雜填土層與①2素填土層，相關(guān)參數(shù)如下：

（1）①1雜填土層：松散，土質(zhì)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(zhì)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(jiān)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(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 盾構(gòu)穿越既有地鐵1號(hào)線施工風(fēng)險(xiǎn)

新建地鐵5號(hào)線區(qū)間斜下穿既有地鐵1號(hào)線區(qū)間，豎向最小凈距為3.244m，最小高程差為2.645m。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，中隧道周圍地層應(yīng)力不斷發(fā)生變化，從而造成周圍土體產(chǎn)生變形和破壞。隨著隧道的不斷掘進(jìn)，所影響的范圍也不斷擴(kuò)大，最終傳遞到地面影響既有線結(jié)構(gòu)及軌道。若下穿既有線隧道過(guò)程中未按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制沉降值及變形量，將嚴(yán)重影響列車運(yùn)營(yíng)安全。

2.2 黏土地層中刀盤結(jié)泥餅施工風(fēng)險(xiǎn)

盾構(gòu)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(xì)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(dǎo)致刀具被渣土糊住，刀盤失去削土能力，導(dǎo)致掘進(jìn)速度過(guò)慢，掘進(jìn)過(guò)程中易出現(xiàn)堵艙、刀盤結(jié)餅、刀具異常損壞等情況，造成施工無(wú)法正常進(jìn)行。

2.3 盾構(gòu)小凈距掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50446-2017），隧道凈間距小于0.7倍盾構(gòu)直徑的地段統(tǒng)稱為小凈距地段，該區(qū)間盾構(gòu)二次始發(fā)后，出高鐵站長(zhǎng)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(gòu)隧道小凈距施工主要考慮以下幾種影響：后續(xù)盾構(gòu)的推進(jìn)對(duì)既有隧道的擠壓和松動(dòng)效應(yīng)；后續(xù)盾構(gòu)的盾尾通過(guò)對(duì)既有隧道的松動(dòng)效應(yīng)；后續(xù)盾構(gòu)的壁后注漿對(duì)既有隧道的擠壓效應(yīng)；先行盾構(gòu)引起的地層松弛而造成或引起后續(xù)盾構(gòu)的偏移等[2]。

2.4 既有地鐵1號(hào)線區(qū)間監(jiān)測(cè)困難

既有地鐵1號(hào)線望-高區(qū)間為運(yùn)營(yíng)線路，盾構(gòu)下穿過(guò)程中不具備既有線監(jiān)測(cè)條件，從而無(wú)法指導(dǎo)盾構(gòu)施工掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定，施工過(guò)程中對(duì)既有地鐵1號(hào)線造成沉降或隆起破壞，影響列車的正常運(yùn)行。

3 盾構(gòu)下穿既有地鐵線安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施

3.1 試驗(yàn)段掘進(jìn)

3.1.1 試驗(yàn)段掘進(jìn)目的

試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)及施工參數(shù)是下穿既有線施工過(guò)程中的重要依據(jù)。試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)完全按照下穿既有地鐵1號(hào)線掘進(jìn)方式進(jìn)行控制，掌握相同工程地質(zhì)及水文地質(zhì)下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地表沉降規(guī)律。同時(shí)，以控制地表沉降為目地進(jìn)行試驗(yàn)掘進(jìn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、出土量、注漿量、渣土改良等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，總結(jié)出對(duì)地表變形影響最小的施工參數(shù)。

3.1.2 試驗(yàn)段總結(jié)

試驗(yàn)段掘進(jìn)過(guò)程中做好掘進(jìn)記錄，掘進(jìn)記錄要求填寫(xiě)真實(shí)、仔細(xì)，每日當(dāng)班技術(shù)員需與接班人員進(jìn)行崗位交接。每掘進(jìn)5環(huán)，根據(jù)掘進(jìn)記錄與監(jiān)測(cè)報(bào)告對(duì)掘進(jìn)過(guò)程及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比選分析。對(duì)照每班掘進(jìn)參數(shù)和地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，根據(jù)對(duì)照結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)，如提高同步注漿量、調(diào)整注漿壓力，降低掘進(jìn)速度等，并每環(huán)進(jìn)行記錄、分析和總結(jié)，將試驗(yàn)成果用于下穿既有地鐵1號(hào)線施工中。

3.2 下穿掘進(jìn)施工

下穿掘進(jìn)施工包括盾構(gòu)斜穿、正穿以及盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入斜穿范圍的前10 環(huán)和盾尾脫離斜穿范圍的后10環(huán)。為確保正式穿越既有地鐵1號(hào)線過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)能以最佳狀態(tài)穿越風(fēng)險(xiǎn)源，以及穿越過(guò)程中盾體超前注漿相關(guān)參數(shù)選取的可靠性，盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)在斜穿之前的10環(huán)位置停機(jī)維保，待設(shè)備一切運(yùn)行正常，準(zhǔn)備到位后，進(jìn)行穿越既有線施工，中盾注漿應(yīng)貫穿整個(gè)下穿掘進(jìn)過(guò)程。

3.2.1 設(shè)備維保

在穿越既有地鐵1號(hào)線前，需停機(jī)對(duì)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備進(jìn)行一次全面細(xì)致的檢查、維修及保養(yǎng)。停機(jī)維保重點(diǎn)是對(duì)盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)系統(tǒng)、渣土改良系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)、超前注漿系統(tǒng)、二次注漿設(shè)備、控制電路及液壓系統(tǒng)、電瓶車剎車及電路進(jìn)行檢查，以確保設(shè)備能以最佳狀態(tài)勻速不間斷地穿越既有線。

3.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

在盾構(gòu)下穿前，根據(jù)前期試掘進(jìn)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土壓力值，從而科學(xué)合理地設(shè)置土壓力值及相宜的推力、推進(jìn)速度等參數(shù)，防止超挖，以減少對(duì)土體的擾動(dòng)。

隧道掘進(jìn)過(guò)程中，要充分結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及注漿參數(shù)，保證掘進(jìn)順利。盾構(gòu)掘進(jìn)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(guò)程中需嚴(yán)格按程序進(jìn)行。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引發(fā)的沉降大致分為5個(gè)階段（見(jiàn)圖2）：

圖2 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程階段性地層沉降示意

（1）最初的沉降。從盾構(gòu)開(kāi)挖面距地面沉降觀測(cè)點(diǎn)還有一定距離（約3～12m）的時(shí)候開(kāi)始，直至開(kāi)挖面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的沉降。

（2）開(kāi)挖面前方的沉降（隆起）。這種地基塑性變形是由土體應(yīng)力釋放、開(kāi)挖面的反向土壓力或機(jī)身周圍的摩擦力等作用而產(chǎn)生的。它是從開(kāi)挖面距觀測(cè)點(diǎn)一定距離時(shí)開(kāi)始至觀測(cè)點(diǎn)處于開(kāi)挖面正上方所產(chǎn)生的沉降（隆起）。

（3）盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)沉降（隆起）。該沉降是在土體的擾動(dòng)下，從盾構(gòu)機(jī)的開(kāi)挖面到達(dá)測(cè)點(diǎn)的正下方開(kāi)始到盾構(gòu)機(jī)尾部通過(guò)沉降觀測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的沉降（隆起）。

（4）盾尾空隙沉降。該沉降產(chǎn)生于盾尾經(jīng)過(guò)沉降觀測(cè)點(diǎn)正下方之后。管片脫離盾尾后與土體間的間隙未能及時(shí)得到補(bǔ)充，從而引發(fā)的沉降。

（5）固結(jié)沉降，它是一種由地基擾動(dòng)所產(chǎn)生的殘余變形沉降。

可通過(guò)注漿加固的手段，減少各個(gè)階段的沉降。

（1）同步注漿。盾尾通過(guò)后，管片外圍和土體之間存在空隙，施工中采用同步注漿來(lái)充填這一部分空隙。施工過(guò)程中嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，為減小漿液的固結(jié)收縮，實(shí)驗(yàn)室前期應(yīng)根據(jù)地層的富水性、穩(wěn)定性、孔隙率等條件進(jìn)行配合比試驗(yàn)，確定最優(yōu)配合比，使?jié){液和易性好、泌水性小。根據(jù)盾構(gòu)穿越既有地鐵1號(hào)線時(shí)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(duì)第四與第五階段的地面沉降進(jìn)行控制與預(yù)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(wèn)題，在盾構(gòu)穿越階段，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)中盾位置兩側(cè)11點(diǎn)鐘至1點(diǎn)鐘位置的注漿孔，對(duì)盾構(gòu)機(jī)上方土體間隙進(jìn)行超前注漿，在盾殼上部形成泥膜。中盾注漿漿液需進(jìn)行專業(yè)配置，漿液注入35s后將會(huì)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(shí)性差，隧洞變形得不到有效控制或管片襯砌出現(xiàn)滲漏的情況下實(shí)施。如果地表出現(xiàn)過(guò)大沉陷時(shí)，可以通過(guò)二次注漿進(jìn)行抬升和補(bǔ)強(qiáng)。施工時(shí)采用隧道監(jiān)測(cè)信息反饋，結(jié)合洞內(nèi)超聲波探測(cè)管片襯砌背后有無(wú)空洞的方法，綜合判斷是否需要進(jìn)行二次注漿。下穿段前后10環(huán)范圍內(nèi)必須對(duì)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(gòu)機(jī)在穿越既有地鐵1號(hào)線后，仍需在后續(xù)的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)地鐵1號(hào)線進(jìn)行全自動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)值判斷既有線是否存在沉降風(fēng)險(xiǎn)，以便及時(shí)注漿封環(huán)，對(duì)新建地鐵5號(hào)線隧道進(jìn)行加固，防止因管片位移對(duì)既有地鐵1號(hào)線隧道造成影響。

4 監(jiān)控量測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方法及點(diǎn)位布設(shè)

4.1.1 監(jiān)測(cè)方法

由于地鐵1號(hào)線為既有運(yùn)營(yíng)線，只有在夜間11點(diǎn)至次日凌晨5點(diǎn)的地鐵暫停運(yùn)營(yíng)期間可以進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)作業(yè)，人工作業(yè)無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)頻次要求，故采用自動(dòng)化智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其測(cè)量原理是采用先進(jìn)的壓縮感知技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)位移監(jiān)測(cè)，以安全信息收集塔（簡(jiǎn)稱信息塔）作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)信息塔和被監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位移數(shù)據(jù)來(lái)判斷沉降數(shù)值。安全塔周期性地向被測(cè)點(diǎn)發(fā)射電磁波信號(hào)，根據(jù)信號(hào)相位特征變化和測(cè)量參量矩陣來(lái)計(jì)算相對(duì)位移數(shù)據(jù)，通過(guò)壓縮感知技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。安全塔自身安裝有高精度電子陀螺和磁力計(jì)，可以測(cè)量自身安裝基準(zhǔn)的微小偏角變化。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得位移數(shù)據(jù)后，利用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至后臺(tái)管理中心，通過(guò)數(shù)據(jù)分析后，將結(jié)果反饋至客戶終端[4]。

4.1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

在既有地鐵1號(hào)線下行線主要影響區(qū)間段，按5m的間距設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，共設(shè)置20個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；一般影響區(qū)間段內(nèi)，按10m的間距設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，共設(shè)置40個(gè)監(jiān)測(cè)斷面（具體斷面數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布設(shè)量為準(zhǔn)）。每個(gè)斷面設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為：1個(gè)隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、1個(gè)隧道水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)、2 個(gè)軌道位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和2 個(gè)道床沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝位置示意

4.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警和信息反饋

該系統(tǒng)采用變化量和變化速率作為“雙控”指標(biāo)，共設(shè)Ⅲ級(jí)報(bào)警提示。當(dāng)出現(xiàn)黃色監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，應(yīng)采取加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)或提高監(jiān)測(cè)頻率等措施加強(qiáng)對(duì)各監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)；當(dāng)出現(xiàn)橙色監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，應(yīng)暫停施工作業(yè)，通知業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)及運(yùn)營(yíng)等相關(guān)單位到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)，各方共同制定相應(yīng)安全保護(hù)措施，并經(jīng)組織審查后，開(kāi)展后續(xù)工作；當(dāng)出現(xiàn)紅色監(jiān)測(cè)預(yù)警時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)安全應(yīng)急預(yù)案，立即停止盾構(gòu)施工，聯(lián)系地鐵運(yùn)營(yíng)單位，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研判，當(dāng)危及行車安全時(shí)，立即封鎖線路，堅(jiān)持“先防護(hù)，后處理”的原則，配合地鐵檢測(cè)維修單位，盡快搶修、調(diào)整鐵路設(shè)備，達(dá)到通車條件后，方可放行列車，在繼續(xù)進(jìn)行盾構(gòu)施工前，必須組織檢查相關(guān)的安全防護(hù)措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

新建地鐵線路穿越既有地鐵的工程越來(lái)越多，而且風(fēng)險(xiǎn)突出，稍有不慎將可能造成運(yùn)營(yíng)線路停運(yùn)，甚至引發(fā)人員傷亡，造成嚴(yán)重負(fù)面社會(huì)影響。合肥地鐵5號(hào)線高鐵站—祁門路站區(qū)間盾構(gòu)下穿既有地鐵1 號(hào)線工程中，不僅對(duì)事前、事中、事后全過(guò)程存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，還采取針對(duì)性的控制措施，最終成功穿越，未對(duì)既有地鐵1號(hào)線的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響。該區(qū)間的順利穿越對(duì)類似工程建設(shè)也具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。