盾构法隧道下穿既有地铁线风险及其控制措施

李 翔

1 概述

21世纪是地下工程大发展的世纪，随着中国经济的飞速发展和城市化进程的加速，我国的城市轨道交通工程建设也已逐渐进入高潮，截止到2009年，我国已有10个城市开通了31条城市轨道交通线，运营里程达到835.5km。近期国务院又批复了22个城市的地铁建设规划，至2016年我国将新建轨道交通线路89条，总建设里程为2500km，投资规模达9937.3亿元，届时建成和在建城市轨道交通总里程将接近4500km。

城市轨道交通的大规模建设必然带来各区间线路和节点车站的交叉、换乘问题。如北京地铁4，5，10号线和机场专线工程中就存在近10处穿越既有线的情况。因此可靠地解决这类工程问题便成为地下工程所面临的重要课题。

2 近接隧道位置关系及其风险研究

地铁隧道施工不可避免引起近邻既有线结构产生附加内力和变形，从而影响既有线列车的正常、安全运营。因此，依据既有线保护的要求，采取有效措施来减小变形，确保既有线的安全运营就显得非常必要。另外，由于既有线重要性高，对附加变形要求严格，使得穿越工程难度大、风险高。

隧道开挖过程中，通常上方沉降比下方围岩的上浮隆起要大，并且上方围岩受力复杂，剪切区域及压剪区域的大量分布不利围岩稳定，而下方围岩卸载回弹区分布有利于围岩稳定(见图1)［4］。因此，对于同样近距离的上、下穿越既有地铁工程问题，下穿既有地铁工程的施工风险更大。

3 盾构法隧道下穿施工引起既有地铁结构沉降计算

3.1 计算模型建立

根据北京某地铁车站结构特点及载荷、盾构施工顺序、地层情况、隧道覆土厚度等，选取一定边界范围的土体作为分析对象，采用有限元计算分析软件模拟盾构下穿施工引起的地表沉降。模型建立过程中主要考虑了以下5个方面:

1)物理模型问题特性为平面应变;2)计算方法采用弹塑性分析，屈服准则采用Mohr-Coulomb准则;3)假定计算边界处不受隧道开挖的影响，即该处为静止的原始应力状态，变形为零，用约束来模拟;4)计算宽度取5倍的隧道直径(从两洞外侧算起);计算深度为隧道地下3.0倍的隧道直径，上方为隧道实际埋深;5)考虑到时间效应，开挖过程中应力的释放率，开挖85%，支护15%。

3.2 计算结果

由图2，图3可以看出:隧道下穿过程中将产生一个沉降差，这个差值如果超限，将造成车站沉降、结构弯曲和扭曲变形、已有裂缝的扩展和错动，并由此引发轨道几何形位的改变:如钢轨顶面相对高差(轨道水平)变化、轨道中心在水平面上的平顺性(顺轨向)变化、轨道沿线路方向的竖向平顺性(前后高低)变化等。这些变化不仅会引起既有线隧道结构的内力增加，而且有可能会导致钢轨顶面水平超差、轨向平顺超差或前后高低超差。

另外，考虑到既有线的道床和基层的整体刚度不一，受变形过大的影响，道床和其基层之间将会产生脱离现象，对既有线运营产生危害。

4 基于变位控制原理的既有地铁线沉降控制措施

4.1 变位控制原理

在既有运营地铁线路下修筑隧道，其首要管理目标是保证既有线路的使用安全。由于隧道施工，尤其是大断面隧道施工是一项庞杂的系统工程，涉及到多种工艺、多道工序，自始至终都是一个动态的、不断变化的过程，每一个施工步序都会对既有结构与轨道产生不同程度的影响。而最终的影响则是每一个施工步序产生影响的累加。如果所有这些影响的累加仍然控制在既有线管理标准之内，则既有线的安全运营是有保证的。所以，既有结构变位分配原理，就是采用理论计算结合施工经验，将既有线的总变位控制值分解到每一个施工步序中，建立既有结构分步施工沉降控制标准。

4.2 地表沉降控制措施

对于盾构施工5个阶段产生的地表沉降，按照变位控制原理具体采取以下控制措施:

1)严格控制土压力。预先计算为减少开挖土体移动而必须设定土压力，在施工中严格管理，使实际土压略大于计算值。在实时监测的情况下可以根据地表隆起状况及时调整推进速度及出土量，降低正面土仓压力，达到降低地表隆起的目的。通过调整推进速度及减少出土量，提高正面土仓压力方式来控制盾构机前方地表沉降。盾构通过时的沉降是无法避免的，但是如果沉降超过设定值预警值时，可以采取控制掘进速度和出土量，调整土仓压力，控制同步注浆的压力及注浆量，从而达到有效控制地层的弹塑性变形。

2)严格控制注浆量。注浆作为盾构施工的一个关键工序，必须严格按“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则，紧密结合施工监控量测的反馈信息，不断优化注浆压力的设定，注浆量一定要保证超过理论计算值，在实际平均注浆量的合理范围内波动。

3)尽量减少盾构推进方向的改变。盾构推进过程中严格执行“勤纠偏，小纠偏”的原则，严禁大幅度纠偏，尽量减少施工原因造成的盾构推进方向的改变。当盾构机在过轨段(曲线段)推进或仰头、叩头推进过程中必须严格控制超挖方向，保证出土量在合理范围内。

4)严密观察土质变化状况。地下水位变化是盾构施工必然产生的，为确保其变化不大，施工中必须严格监控挖掘出土体的质量，杜绝水土分离的现象出现。当出土中因地层含水量较大的，通过提高设定土压力，在形成土压平衡的同时，疏干开挖面的地下水，保证出土质量。

5)减少对地层的扰动。盾构施工对地层的扰动主要是盾构机千斤顶的推力和刀盘旋转产生的，因而保证盾构机正常运转，确保盾构机的机械性能尤为重要。当土压力突变时，在分析原因的同时，采取填注泡沫的措施改良开挖土体。

6)保证拼装质量，减少管片变位/变形。隧道管片的变形量与管片拼装的质量紧密联系，在施工过程中，必须强化施工管理，保证一次紧固结实。每环掘进过程中，应适时对螺栓进行二次紧固。

7)实时监测，信息化管理。

5 结语

1)变位分配控制方法集中体现在施工阶段，但所涉及的内容却是工程各个阶段工作的总和。对于此类工程进一步的研究方向应是从工程风险的角度出发，采用系统工程的相关理论，对工程中各种风险因素赋予权重，做到统筹兼顾，重点突出，才能有效地规避风险，保证安全施工。

2)对于模型计算中土层参数的取值，尤其是开挖卸载后土层参数的取值，应进行现场实验确定。

［1］仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究［D］.成都:西南交通大学土木工程学院，2003.

［2］郭树棠.隧道的邻近施工措施［J］.科技技术通讯，1994(3):27-29.

［3］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2006.

［5］姚海波.大断面隧道浅埋暗挖法下穿既有地铁构筑物施工技术研究［D］.北京:北京交通大学土木建筑工程学院，2005.