北京地铁盾构隧道安全风险组段划分方法研究

杨志勇,江玉生,江 华,钱丹丹,谭 雪

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083)

1 概述

盾构施工过程中存在着大量的风险因素需要控制,例如盾构施工参数设置不当导致地表塌陷,盾构操作不当导致盾构刀具剧烈磨损、崩齿等[1-2],这些由于盾构施工过程中施工参数控制不当、操作失误或者判断错误所导致的风险随时可能发生,而且防不胜防。目前国内外针对盾构隧道施工的安全风险管理的研究大多集中在风险评估和风险识别方面,对于如何控制盾构施工过程中的安全风险的研究尚不多见。盾构施工过程的有效管理和风险控制很大程度上依赖于盾构施工参数设定的合理性[3-4]。如何根据盾构隧道的地层条件、施工环境条件等确定隧道穿越不同区段内主要施工参数的合理控制范围是实现盾构施工过程安全风险控制的基础。因此,寻求一种既能够考虑盾构隧道围岩特性,又能考虑到环境风险条件的盾构隧道安全风险组段划分方法,对盾构施工过程的安全风险控制有着重要的意义。

国内外地铁隧道工程方面关于隧道分类或者分区的相关研究很少。2004年，侯景岩提出了北京地区隧道及地铁工程地质条件分区,该分区考虑了北京地区岩土特性、地下水分布特性,将北京地区分为：富水区(Ⅰ区)、较富水区(Ⅱ区)、中等富水区(Ⅲ区)、弱富水区(Ⅳ区)和贫水区(Ⅴ区)[5]。2006年廖建三,彭卫平,林本海在充分考虑土体工程性质、地下水情况、岩溶、断裂带等情况下,将广州市划分为4个大区：Ⅰ区为地下空间开发利用适宜区,Ⅱ区为地下空间开发利用较适宜区,Ⅲ区为地下空间开发利用适宜性差区,Ⅳ区为地下空间开发利用不适宜区[6]。2010年同济大学孙玉永,周顺华,向科等对近距离下穿既有隧道的盾构施工参数进行了研究,提出近距离下穿既有隧道的盾构施工参数设定应分为3个区(接近区、下穿区和脱出区),并给出各区长度和施工参数建议设定值的计算公式[3]

目前对于城市地铁隧道的地层分类刚刚起步,只是根据城市的工程地质、水文地质情况进行了相关的分区,并没有涉及到盾构隧道地层的分类,也没有将盾构隧道分类和施工环境风险工程分级结合起来进行综合分类。

本文根据北京地区地层条件和施工环境条件的特点,进行盾构隧道安全风险组段划分方法的研究,建立了组段划分的方法,并成功的应用于实际工程中。研究结果表明,该方法充分考虑了盾构隧道围岩特性和施工环境风险条件,划分方法合理,便于合理的确定各个组段内的施工参数控制范围,使盾构施工过程的安全风险控制成为可能。

2 组段划分方法

盾构隧道安全风险组段主要根据以下两点来划分。

(1)盾构隧道穿越的地层性质：盾构施工参数确定的基本原则主要是依据盾构开挖地层情况。

(2)盾构施工环境条件的组合影响：除考虑盾构隧道穿越的地层情况外,还须充分考虑盾构施工环境条件的组合效应,亦即盾构隧道上方地层情况及是否有重要管线,盾构隧道上方地面和地下建构筑物存在与否,盾构隧道下方地下建构筑物存在与否,地面沉降控制要求,盾构隧道穿越特殊地层条件,如巨形漂石、水体下穿越等,都会影响到盾构隧道组段的划分。

盾构隧道组段划分的原则是根据盾构掘进过程中穿越的地层，并且综合考虑盾构施工环境的组合风险来进行组段的划分。

2.1 根据盾构穿越地层的组段划分

北京地区处于平原与山区相连接的地带,城区位于平原地区的边缘,北部和西部靠山,东部和南部连接华北平原,是一个不完整的盆地地区,土层主要是第四系冲洪积层/河流相的沙、沙砾石、沙卵石以及黏土、粉土、黏质粉土和粉质黏土等黏性土的互层,其地质沉积层的“相变”十分明显[5]。就一般而言,西部的粗大颗粒沉积物向东逐渐变为细小的颗粒沉积物,且地层互层现象十分明显。就北京广大地区而言,存在着如下3种典型土层：沙砾石/沙卵石地层、粉细沙/中～粗沙地层和粉土/黏土地层,盾构隧道穿越的地层主要是这3种土层,以及这3种土层组成的混层[7],极少数地区存在土岩混合地层。因此,结合北京地区的土层情况,将盾构施工区间隧道穿越的地层划分为如下6个组段。

A段：盾构穿越的地层为黏土、粉质黏土、黏质粉土和粉土以及这4种土层组成的复合地层；

B段：盾构穿越的地层为沙层,包括粉沙、细沙、中沙和粗沙；

C段：盾构穿越的地层为砾石(卵石)层；

D段：盾构穿越的地层为土与沙的复合土层；

E段：盾构穿越的地层为土、沙、砾石(卵石)的复合地层；

F段：盾构穿越的地层为土岩混合地层。

2.2 盾构施工环境的组合风险分级

盾构施工环境的组合风险分级主要考虑以下几点因素：

(1)隧道的埋深；

图3为电剖面曲线，曲线形态大致为中间低两端高的“凹”形曲线，中间260-300号区域电阻率相对较低，呈“V”形低阻异常，其中280号点的电阻率变化较大，推断这个区域极可能是破碎带或者岩性变化强烈区域。

(2)地面和地下环境条件(建筑基础、管线、既有轨道线路)；

(3)特殊地质情况(漂石、隧道上方有河流等水体)；

(4)盾构穿越的地层上覆土层的情况。

在考虑这些风险因素后,将盾构施工环境的组合风险分为以下3级[8]。

Ⅰ级：盾构下穿或上穿既有轨道线路,或下穿或者临近重要建(构)筑物,或下穿重要市政管线和河流工程,或土层中有漂石、孤石等特殊地质情况,或隧道埋深小于9 m的浅埋隧道,或以上2种及以上情况的组合。

Ⅱ级：隧道埋深大于9 m,或隧道上方地层中有一般的市政管线,或隧道临近或者下穿一般建筑物,或下穿重要市政道路,或地层中的不良地质情况对盾构施工影响较小并没有特殊地质情况。

2.3 盾构施工区间隧道组段的综合划分

盾构隧道组段的综合划分是在盾构穿越地层组段划分的基础上，按照盾构施工环境的组合安全风险级别对各个组段进行更详细的划分,将A、B、C、…F 6个地层组段划分为AⅠ、AⅡ、AⅢ、BⅠ、BⅡ、BⅢ、CⅠ、CⅡ、CⅢ、…FⅠ、FⅡ、FⅢ等18个组段,即将每个地层组段按照盾构施工环境安全风险级别划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个组段。盾构施工区间隧道组段的综合划分见图1。对北京地铁任何一个盾构隧道而言,都是由以上18种组段中的一种或几种组段组合而成。

图1 盾构隧道安全风险组段的综合划分示意

3 工程实例

3.1 工程简介

北京地铁大兴线01标黄村火车站站—义和庄站盾构区间,隧道埋深在10～14 m,盾构穿越的主要地层为粉质黏土层、粉土层、粉细沙层以及这3种地层的混层。盾构穿越/临近的主要风险工程有京山、京沪铁路，黄村火车站站房，义和庄北里(六层楼房)，北京兴鑫电力设备安装有限责任公司厂房楼群，小龙河等[9]。

3.2 组段划分

根据黄村火车站站—义和庄站区间详勘图、总平面图和现场考察,对该区间进行了组段划分,组段划分过程见图2,组段划分结果见表1。

图2 组段划分过程示意

表1 北京地铁大兴线01标黄村火车站站—义和庄站盾构隧道安全风险组段

3.3 参数控制范围

根据划分的安全风险组段和盾构设备情况,确定黄村火车站站—义和庄站区间各个组段内的盾构主要施工参数控制范围,确定的控制范围见表2。

黄村火车站站—义和庄站盾构区间施工时,根据先前做好的组段划分工作,确保主要盾构施工参数在各个组段的参数控制范围内变化,区间盾构施工没有发生安全风险事故,并且安全、顺利地下穿了京山/京九铁路,取得了较好的安全风险管控效果。

表2 北京地铁大兴线01标黄村火车站站—义和庄站区间盾构施工参数控制范围

4 结论

结合北京地区地层特点和盾构施工环境风险情况，对盾构隧道安全风险组段划分方法进行了研究,并将该方法成功应用于北京地铁大兴线01标黄村火车站站—义和庄站盾构隧道,研究结果表明：(1)该方法充分考虑了盾构隧道围岩特性和施工环境风险条件,划分方法合理,操作性强,满足实际工程的需要；(2)通过对盾构隧道进行安全风险组段划分,并结合盾构设备情况,确定盾构隧道穿越各个组段内主要施工参数的合理控制范围,在盾构施工过程中确保盾构施工参数在各个组段的参数控制范围内,可以有效控制、规避盾构施工过程中的安全风险；(3)盾构隧道安全风险组段划分方法为盾构施工安全风险管理提供了新的思路,为盾构施工过程的安全风险控制提供了新方法。

盾构隧道安全风险组段划分理论必须与该地区的地层情况相结合,结合北京地区的工程地质情况进行了相关研究,在其他地区(如：广深地区、上海地区)进行组段划分研究时应结合该地区的工程地质情况对隧道穿越地层的组段划分重新进行研究,盾构施工环境风险分级也应根据该地区实际情况进行相应调整。

[1] 崔玖江.盾构隧道施工风险与规避对策[J].隧道建设,2009,29(4):377-396.

[2] 周洪波,何锡兴,蒋建军,等.地铁盾构法隧道工程建设风险识别与应对[J].地下空间与工程学报,2006,2(3):475-479.

[3] 孙玉永,周顺华,向科,等.近距离下穿既有隧道的盾构施工参数研究[J].中国铁道科学,2010,31(1):54-58.

[4] 朱合华,徐前卫,郑七振,等.软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究[J].土木工程学报,2007,40(9):87-94.

[5] 侯景岩.北京地铁隧道、深基础岩土工程特征及地铁工程地质条件分区[J]. 市政技术,2004,22(S):216-218.

[6] 廖建三,彭卫平,林本海.影响广州市浅层地下空间开发利用的地质因素分析及分区评价[J].岩石力学与工程学报,2006(S2):3357-3362.

[7] 乐贵平,江玉生.北京地区盾构施工技术[J].都市快轨交通,2006,19(2):45-49.

[8] 北京市轨道交通建设管理有限公司.北京市轨道交通工程建设安全风险管理体系[R].北京:北京市轨道交通建设管理有限公司,2008.

[9] 北京市市政工程设计研究总院.北京地铁大兴线01标黄村火车站站—义和庄站区间设计说明[R].北京：北京市市政设计研究总院,2007.