盾构下穿环城北路地下通道专题研究与设计

张朋娇

摘 要：针对杭州地区盾构下穿地下通道，采用摩尔库伦模型理论，对地铁盾构区间下穿地下通道进行数值分析，综合施工风险、经济性提出针对性的设计及施工应对技术措施。对今后类似工程起一定的借鉴作用。

关键词：盾构隧道、下穿地下通道

一、引言

随着城市建设的发展，地铁下穿既有地下通道的工程愈来愈多。为防止盾构在掘进过程中，造成既有地下通道区内土体下沉、道床沉降，危及行车安全。穿越节点处采取推进前对既有地下通道线路预加固和对地下通道影响范围内的隧道采用加强配筋的超深埋管片。同时在盾构推进时实行信息化动态施工，及时调整盾构掘进参数，保持盾构开挖面的稳定，管片脱出盾尾时及时采用同步注浆、二次注浆来填充盾尾建筑空隙，以保工程和地下通道行车安全。以杭州轨道交通5号线打铁关站～宝善桥站区间盾构下穿环城北路地下通道进行计算分析，证明以上措施可达到预期目标。

二、工程概况

打铁关站～宝善桥站区间位于下城区，区间采用盾构法施工，设置两座联络通道，其中一座联络通道兼泵站，在建国北路与环城北路交叉口处下穿该地下通道，形成立体交叉。

区间于YDK26+490～YDK26+530段下穿环城北路地下通道，下穿角度约70°，该处地铁区间埋深约25.8m，环城北路地下通道2015年10月通车，其北线为明挖区间，底板厚800mm，距离5号线盾构区净距约18m，南线为直径11.2m、600mm厚管片大盾构区间，距离5号线盾构区间约2.1m。为防止通道沉降（特别是南线盾构隧道），环城北路地下通道盾构隧道下方土体采用Φ800@600高压旋喷桩进行加固，加固范围为：地铁盾构隧道纵向约22m，环向不小于3m。按照目前工筹，盾构掘进期间该通道已运营。

三、工程地质及水文概况

区间段线路穿越了不同时代的地层，根据勘探孔揭露的地层结构、各岩土层分别按岩土层代号自上而下描述：①1杂填土、①2素填土、③2砂质粉土、③3砂質粉土夹粉砂、③4砂质粉土夹淤泥质粉质粘土、③5砂质粉土、③6粉砂夹砂质粉土、③7砂质粉土夹淤泥质粉质粘土、④1淤泥质粉质粘土、④2淤泥质粉质粘土⑥1淤泥质粉质粘土、⑥2淤泥质粉质粘土夹粉砂、⑦1粉质粘土、⑧2粉质粘土、⑨1粉质粘土、⑨2含砂粉质粘土、⑨3砾砂、⑩2粉质粘土夹粉砂，该段盾构底部位于⑥2淤泥质粉质粘土夹粉砂中。

场地浅层地下水属孔隙性潜水，由大气降水径流补给以及河水的侧向补给，排泄主要通过蒸发形式。由于场地地势较低，地下水与地表水水力联系较强，地下水位高程受降雨及内河水位涨落影响较大。潜水水量较大，地下水位随季节变化。水位埋深一般为1.00～4.50m，高程3.70～5.26m。

四、数值计算分析

在分析新建地下工程对既有地下结构安全性影响的过程中，目前常用的方法主要还是利用数值分析软件（如迈达斯GTS、ABAQUS、FLAC3D、ANSYS等），通过建立数值仿真模型进行计算分析从而判断新建地下工程是否会对既有结构的正常运营造成威胁。

4.1 控制标准

由于盾构下穿大盾构工程案例较少，结合《城市轨道交通监测规范》及杭州、上海及宁波等软土地区其他工程经验。盾构下穿环城北路地下通道，其结构沉降及水平位移分别为10mm和5mm。

4.2 计算模型建立

用迈达斯GTS对区间下穿在建通道进行分析。数值模型水平长120m，向下延伸60m，径向延伸70m。计算模型采用摩尔库伦模型，地下通道结构及地铁盾构管片采用板单元、土体采用实体单元进行模拟。地层参数参照《杭州地铁5号线岩土工程详勘报告》并加以合理概化。

通过数值模拟分析，杭州地铁5号线盾构下穿环城北路地下通道引起该通道最大沉降为：南线大盾构3.61mm，北线明挖区间：4.05mm；最大水平位移为：南线大盾构4.82mm，北线明挖区间：1.71mm；变形量较小，故可判定5号线盾构区间下穿环城北路地下通道施工处于安全可控状态。

五、安全保护方案及应急预案

通过以上分析，杭州地铁5号线区间盾构下穿环城北路地下通道施工安全可控，但考虑到地铁及大型地下交通工程社会影响巨大，不容有任何意外发生，因此需制定安全保护方案及应急预案。

5.1安全保护方案

保护措施主要包括以下措施：

a）地层损失率控制在5‰以内。

b）利用盾构推进的初始100m长度作为试验段，掌握盾构掘进参数与地层位移间的规律，进行智能化施工；

c）根据隧道覆土厚度、地面附加荷载等情况，结合模拟段施工时总结的最佳参数，确定最佳的穿越通道的盾构机土压平衡值；

d） 盾构推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对土体造成的扰动。

e） 在盾构机穿地下通道时，将出土量控制在理论出土值的99.5%左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起（不超过1mm），以便抵消一部分土体的后期沉降量；

5.2监测方案

穿越前（30m）、穿越中（40m）及穿越后（30m）过程中，应加强地面沉降及变形的监测。以地铁盾构下穿处为中心在环城北路地下通道两侧各30m范围内布设自动监测断面，对地层做变形量测。盾构通过期间，每10min提供一组监测数据。为保证既有地下通道的行车安全和正常运营，在盾构穿越铁路期间，必须对既有线路实施全天24小时的监控。

1）监测项目

（1）对地铁盾构隧道的监测包项目括隧道拱顶沉降和管片衬砌变形等。

（2）对地下通道的监测项目包括通道结构沉降、上浮、水平位移、裂缝观测及地表沉降等。

2）监测要求

（1）地面沉降监测点需布置纵向（沿轴线）剖面监测点和横剖面监测点，取每隔5 ～6.5米在沿轴线方向布置一个测点。

（2）监测横剖面：每隔10～15m布置一个横剖面，在横剖面上从盾构轴线由中心向两侧由近到远，按测点间距为2m；布设的范围为盾构外径的2～3倍，即线路左右各12 ～18m范围。

（3）对于轨面的监测，在每根轨道上沿轨道方向每3m设一个观测点，测点用红油漆标记，并统一编号。

（4）监测频率：盾构掘进时，地面监测频率为1次/2h，监测范围为机头前10m和后20m。

5.3施工应急措施

在施工掘进过程当地下通道的沉降及变形较大时，主要采取以下应急措施：

1）隧道内应急措施：立即停止盾构掘进，并保持土仓压力，有效控制地表继续沉降。

2）对已拼装成形的盾构隧道，在沉降区内进行管片背后补注浆，在此期间提高监测的频率，及时绘制变形曲线图，以便根据变形发展情况采取相应措施。

3）施工时还应准备好足够的抢险物资及设备，如发泡聚氨脂、盾尾油脂等，并成立行之有效的应急机构。

六、结论

经过上述分析计算，通道最大沉降约4.82mm，满足通道保护标准；同时盾构自身竖向变形及水平收敛也满足规范要求。因此，该工程方案可行，安全可控。但是考虑到地铁和大盾构都是重要市政工程一旦出现问题后果不堪设想，故建议施工采取保护措施。

参考文献：

[1] 施仲衡，张弥等.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社，2006.

[2] 中铁隧道勘测设计院有限公司.杭州市5号线打铁关站～宝善桥站区间施工图设计杭州，2015

[3] 刘建航，侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社，1991.

[4] 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道施工手册[M].北京：人民交通出版社，2005.

[5] 卿伟宸，廖红建，钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响.地下空间与工程学报.2005，