盾构隧道下穿既有线性电机隧道安全风险控制研究

2020-07-04刘卫强

现代城市轨道交通 2020年6期

刘卫强

摘要：目前各城市地铁运营线路越来越多，新建线路下穿既有线路施工安全风险成为重要研究课题。北京地铁新建 17 号线所下穿的既有机场线为线性电机盾构隧道，其供电采用感应板方式，比传统的第三軌或接触网方式对沉降控制要求更为严格，风险控制难度更大。文章通过下穿施工安全风险识别分析、既有机场线结构沉降模拟分析、施工监测分析，提出新建 17 号线下穿既有机场线安全风险控制及保障措施，以期为类似工程提供借鉴。

关键词：地铁;下穿既有线;线性电机隧道;安全风险;控制措施

中图分类号：U455.43

1 工程概况

新建北京地铁17号线工程工人体育场站—香河园站区间（以下简称工—香区间）位于北京市东二环与东三环之间，南起工人体育场站，沿新东路向北，途经大使馆区，下穿亮马河、机场线东直门站—三元桥站区间（以下简称东—三区间）、机场路高架桥后接入香河园站（图1），区间全长1970m。17 号线盾构区间下穿既有机场线区域埋深约24 m，与既有机场线最小垂直净距为2.941 m，水平交角75°，该区段左线半径420 m，右线半径350 m，盾构管片外径6.4 m，管片厚度0.3 m。施工时区间盾构机在香河园站始发，在工人体育场站前设盾构吊出井接收。

17号线主要穿越地层为中砂⑦1、圆砾⑦及粉质黏土⑧层;既有首都机场线东—三区间在穿越位置埋深约15 m，主要穿越地层为粉质黏土④及粉质黏土⑥层，隧道中心距约13 m，盾构管片外径6 m，管片厚度0.3m。

2 安全风险辨识

2.1 17号线自身安全风险

（1）工—香区间始发约160 m后即进入既有线下穿影响范围，距离较短，给盾构适应性和掘进参数确认带来很大难度。

（2）本次穿越既有机场线区段最小曲线半径为R = 350 m（右线），最大坡度为28‰下坡，对盾构机掘进时的姿态控制要求极高。

2.2 既有机场线安全风险

（1）与北京市其他地铁运营线路的传统供电制式（接触网或第三轨）不同，机场线采用感应板供电模式（图2），对道床及感应板沉降控制标准极为严苛（误差 +1/-2 mm）。

（2）在工—香区间穿越段，既有机场线列车行驶速度高（最高100km/h），动荷载大，不像在车站附近穿越，列车进出站行驶速度缓慢。

（3）既有机场线区间为盾构隧道区间，属于装配式结构，抵抗变形的刚度没有现浇的暗挖结构大，导致沉降变形控制难度增大。

2.3 相互间距安全风险

首都机场线和17号线的竖向最小净距2.94 m，穿越施工安全风险极高，并且是盾构下穿盾构，这样的成功实例极少、经验欠缺。

2.4 社会舆情风险

既有首都机场线是连接北京城市中心区与首都国际机场之间的点对点运营的唯一地铁线路，一旦停运导致旅客滞留，全国社会影响面广，乃至可能造成国际影响。

2.5 既有机场线沉降风险模拟分析

2.5.1 模型建立

盾构机本身的机械尺寸就是从刀盘（外径6640mm）、盾尾（外径6590mm）到成型管片（外径6400mm），外径由大逐渐变小，盾构机通过之后，上方必定产生一定的沉降量。考虑到17号线盾构掘进施工引起的上方土层沉降风险，结合围岩的非线性特性、17号线隧道的施工步序和开挖面空间效应所形成的三维状态，本文建立三维地层-结构模型，对既有机场线结构进行结构变形模拟计算分析，确认17号线盾构穿越机场线施工技术风险。模型中土层及注浆体采用实体单元，盾构管片结构采用板壳单元进行模拟;区间两侧边界土体取4～5倍洞径，底部取3倍洞径，共划分 152448个单元，61 596个节点;采用固定位移边界，上边界取至地面，为自由面，4个侧面地层边界限制水平位移，下部边界限制竖向位移;地面超载取20 kPa（图 3）。模拟计算步骤按照隧道施工顺序进行，左右线各分4个步序（左线CS1～CS4，右线CS5～CS8）进行开挖，每步施工分2个阶段，即盾构掘进→安装盾构管片+注浆（图4）。

2.5.2 沉降风险模拟结果分析

（1）图5给出了新建17号线下穿施工引起既有机场线结构沉降模拟计算结果，由图可知，既有机场线结构表现为下沉，下沉量自邻近下穿位置至远离下穿位置逐渐减小，盾构掘进至既有机场线下穿部位时沉降速率明显加快，穿越过后沉降速率降低，最大沉降发生在全部施工完成后的既有机场线左线，最大沉降为1.83mm，右线最大沉降为1.72 mm，满足QB（J）BDY（A）XL003-2015《北京市地铁运营有限公司企业标准——工务维修规则》所规定的感应板竖向变形+1/-2 mm综合维修轨道变形要求。

（2）通过既有机场线结构变形模拟计算分析及对其周边环境和工程自身安全风险研判、识别和评估后，认为17号线穿越既有机场线理论上可行，但存在的安全风险不容小觑。根据《北京轨道交通工程安全风险管理体系》，对此次盾构穿越既有线施工定性为特级风险源，穿越时仍需要采取针对性的安全风险控制措施。

3 安全风险控制及保障措施

（1）克泥效控制。采用浓度为400kg/m3的克泥效溶液，每环注入量控制在0.4 m3，注入压力控制为0.4MPa。主要填充盾构机开挖过程中地层与盾体之间空隙，起到填充支护的作用，可有效防止注浆填充之前盾体上部土体的沉降，同时对盾体前行起到润滑减阻作用（图6）。

（2）渣土改良控制。对于土仓渣土，利用泡沫剂改良，其溶度根据实际情况优化调整。在渣土明显干燥时，通过刀盘中心加水控制，若发现螺旋机出渣口渣土较稀时，立即调小刀盘中心加水流量。

（3）同步注浆控制。盾尾脱出后，通过同步注浆有效控制盾尾脱出后的沉降，保证同步浆液注入后及时起到填充作用，弥补地层损失（图7）。同步浆液在地面初凝时间控制在2 h内，井下初凝时间控制在4 h内，固结率保持在96%以上，注浆压力控制在0.2～0.5 MPa，注入量控制在5 m3左右。

（4）二次注浆控制。为有效控制盾尾脱出后的沉降，在管片脱出盾尾3～5环后及时进行二次注浆（图 7），注浆频率为每环1次，注浆点位调整为1点、11点，交替进行，注浆压力控制在0.5 MPa以内。二次注浆材料为P.O42.5级普通硅酸盐水泥及水玻璃，配合比为水泥：水= 1 ： 1（质量比），水泥浆：水玻璃= 2 ： 1（体积比）。

（5）径向注浆控制。为有效控制盾构通过后期的二次沉降，注浆位置选取管片脱出盾尾后15环，注浆点位主要集中在3点、9点以上，预埋注浆球阀，多频低压多次注浆（图7）。注浆材料选择P.O42.5级普通硅酸盐水泥，配比为水泥：水= 1 ： 1（质量比），压力控制在0.5MPa之内。

（6）人员组织保障。由建设单位牵头，组织运营单位及设计、监测、监理和施工等参建单位，并邀请行内专家成立盾构穿越既有线工作组，主要负责穿越过程中的技术支持、施工控制、实时监测和应急联动等工作。要求穿越施工期间各单位派人进行现场值守，保障盾构穿越既有线期间现场安全可控。

（7）机械设备保障。由机电设备部门安排专人负责对龙门吊、电瓶车、搅拌机和盾构机等设备的检查和保养工作，提前排除隐患，储备易损备件;联系制造厂家安排维保人员提前驻场，保障盾构穿越既有线期间设备运转正常;同时，保证左右线内的机械备品备件能够相互调用。

（8）物资材料保障。盾构穿越前，物资部门召集各供应商召开联动会议，要求各供应商对物资的供应进行确定，保障现场材料质量合格、储备充足，包括盾尾油脂、泡沫剂、水玻璃、水泥、砂、膨润土、同步注浆料等消耗型材料，以及水管、钢轨、走道板、钢枕、走道板支架等周转材料。

4 下穿施工监测

4.1 监测点布设及数据采集

在盾构下穿既有线前，在既有机场线隧道内布置静力水准测点，进行动态监测并及时反馈信息，以便有针对性地采取安全防控措施，及时调整盾构掘进参数，做到信息化施工，保障既有线运营安全（图8）。

4.2 左线监测

根据试验段确定的掘进参数，17号线在2019年7 月18日进行连续下穿，既有线左线结构最终沉降值为1.39 mm。下穿施工过程中主要采取的技术措施及监测结果如下（图9）。

（1）根据理论计算及前期试验段成果，在刀盘进入既有線前适当提高土压约0.4 bar，此时既有线左线结构出现约+ 0.3 mm的隆起。

（2）盾构通过时，从盾体上方径向孔注入克泥效溶液，压力和注入量与试验段相同;密切关注泡沫浓度及加水量，做好渣土改良，控制出土量。此时既有线左线结构出现约-1.1 mm的沉降。

（3）盾尾刚刚脱出时进行同步注浆，注浆量及注入压力与试验段相同。盾尾完全脱出后，既有线左线结构出现约-2.0 mm的沉降。

（4）盾尾脱出3环后及时进行二次注浆，注浆位置为1点、11点，注浆频率为每环1次，交替注入，压力控制在0.5 MPa以内，与试验段相同。二次注浆后，既有线左线结构出现约1.1 mm的隆起。

（5）根据后期沉降情况及时进行径向注浆，注浆方式调整为小压力、多频次注浆，使沉降趋于稳定。盾构完全通过后，通过径向注浆，既有线左线结构最终累计沉降为-1.39 mm。

4.3 右线监测

通过对左线穿越的经验进行及时总结分析和调整优化，使对右线结构沉降控制比左线结构更好，最终沉降值为1.3 mm。下穿施工过程中主要采取的技术措施及监测结果如下（图10）。

（1）根据理论计算及盾构穿越左线经验，在刀盘进入右线前适当提高土压约0.4 bar，此时既有线右线结构出现约+ 0.3 mm的隆起。

（2）盾构通过时，从盾体上方径向孔注入克泥效溶液，压力和注入量与左线相同;密切关注泡沫浓度及加水量，做好渣土改良，控制出土量。此时既有线右线结构出现约-1.0mm的沉降。

（3）盾尾刚刚脱出时，进行同步注浆，减小沉降趋势，注浆量为5～6 m3，注入压力为0.5～0.6 MPa。盾尾完全脱出后，既有线右线结构出现约-1.7 mm的沉降。

（4）盾尾脱出后3环及时进行二次注浆，注浆位置为1点、11点，注浆频率为每环1次，交替注入，压力控制在0.5 MPa以内，与左线相同。二次注浆后既有线右线结构出现约+ 0.5 mm的隆起。

（5）根据后续沉降情况及时进行径向注浆，注浆采用小压力、多频次注浆，使沉降趋于稳定。通过径向注浆，既有线右线结构最终累计沉降约为-1.3 mm。

5 结论

（1）本次17号线下穿既有机场线过程中通过实时监测数据的反馈，及时调整掘进参数和控制措施，使得穿越对既有线及周边环境影响较小，其中盾构穿过既有线左线后造成既有线左线结构最大沉降约-1.39 mm，盾构穿过既有线右线后，既有线右线结构沉降最终稳定在-1.3 mm;盾构下穿过程中掘进参数平稳正常，掘进姿态良好，未发生监测预警;晚上停运时段对隧道结构竖向和收敛、轨道结构竖向和轨道静态几何尺寸、管片错台等进行了人工测量检查和现场巡视，均未发现异常情况。

（2）本次下穿施工采取事前控制的措施，着眼于安全风险辨识，在下穿掘进时及时反馈监测信息并进行动态调整，真正做到了“预防预控、过程管理”，最终实现施工安全风险控制目标。

参考文献

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