某地铁暗挖隧道与盾构隧道并行区段安全风险管控与对策研究

袁 斌

（兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730000）

城市轨道交通工程安全风险管控具有重要意义，主要有以下几点：首先，可以有效遏制事故发生，消除安全隐患；其次，促进参建单位加强安全生产工作，牢固树立安全发展理念，紧抓现场安全隐患排查治理，制定切实有效的安全管理措施；第三，建立各项风险防范和监测预报预警机制，尽早把隐患消除在萌芽状态，防止隐患滋生蔓延，确保施工安全可控。因此，对暗挖隧道与盾构隧道并行区段的安全风险进行识别、分析、评估和对策研究，为类似工程安全风险管理提供参考经验，制定科学经济可靠的风险控制措施，具有理论实践需要。

1 工程概况及施工进展情况

1.1 工程概况

某地铁盾构隧道穿越地层以强风化粉砂岩及中风化粉砂岩为主，局部为卵石。盾构区间周边环境存在大量老旧民房、老旧建筑，穿越停车场出入线暗挖隧道（拱顶距暗挖隧道最小垂直净距为2.03m）以及4 次穿越排洪沟。停车场出入线暗挖隧道与区间盾构隧道出口段呈平行关系，两隧道距离较近范围长45m，与暗挖隧道开挖轮廓线净距为1.26～4.45m。停车场出入线暗挖隧道与区间盾构隧道平面关系和暗挖隧道结构完成情况如图1 所示。

图1 暗挖隧道与盾构隧道平面关系

1.2 工程水文、地质情况

暗挖段的地下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层主要为第四系冲积卵石，局部含漂石。地下水类型为潜水，地下水埋深9.6～16.4m，含水层主要为卵石层，潜水含水层厚度为2.9～14.7m。卵石下的粉砂岩透水性较差，但强风化粉砂岩及中风化粉砂岩由于成岩性较差，裂隙较发育，层内存在裂隙水，并与潜水相连通。

地质勘探深度50m 范围内的地层主要为第四系人工填土、第四系全新统冲积黄土状土、卵石及下第三系渐新统粉砂岩组成。杂填土：以粉土为主，含大量建筑垃圾，生活垃圾、植物根系等，层厚0.5～6.0m；粉土素填土：主要成分以粉土为主、含零星砾石、砖屑、炭渣及白灰等，层厚0.5～7.0m；黄土状土：主要成分为粉土，小孔隙发育，含铁锰质斑纹，云母碎屑，零星小结核，层厚1.0～13.5m；卵石：密实，颗粒母岩成分以花岗岩、石英岩为主，磨圆度较差，呈次圆状～次棱角状，分选性一般；强风化粉砂岩：细粒结构，层状构造，泥质胶结，矿物成分以石英为主，岩芯破碎，成岩作用差，天然状态力学性质较好，浸水或扰动易崩解呈散沙状，暴露地表后极易风化，层厚3.6～11.9m；中风化粉砂岩：细粒结构，层状构造，泥质胶结，矿物成分以石英为主，岩芯较完整，成岩作用差，浸水后崩解，暴露地表易风化。

1.3 地下管线

公交五公司站东端主要存在燃气、给水、雨污水等管线。主要管线：燃气管DN200 中压管（顶埋深1.6m）、DN200 低压管（顶埋深1.6m）；DN600 给水管(埋深2.1m)；雨污水管DN600(埋深3.0m)；污水管DN300(埋深2.1m)；DN400 高压管（顶埋深1.8m）。

1.4 施工进展情况

暗挖隧道出口段中导洞及中隔墙衬砌已完成，右边洞上、下台阶开挖完成，左边洞上台阶剩余30m 未开挖完成、左边洞下台阶未开挖。暗挖隧道结构完成情况如图2 所示。因前期多方面影响导致暗挖隧道出口段右边洞衬砌未施工完成，现盾构区间隧道即将穿越暗挖隧道平行段。

图2 暗挖隧道结构完成情况

2 风险识别与分析

对暗挖隧道与盾构隧道并行区段风险从工程自身风险和周边环境风险两个方面进行辨识。工程自身风险主要有红砂岩地层盾构施工、暗挖隧道掌子面稳定、平行区段近距离施工交互影响。红砂岩地层裂隙较发育，盾构掘进过程中正常扰动易使围岩迅速产生液化、呈流塑状，易出现螺旋机喷涌及超方现象，加之复杂的周边环境风险，严重威胁地面人员、建筑安全。暗挖段隧道掌子面主要为黄土状土与卵石层，地层自稳能力较差，且部分位于地下水位以下，隧道开挖过程中存在渗水、坍塌风险。盾构隧道与暗挖隧道平行约45m，间距1.26～4.45m，右线下穿停车场出入线暗挖隧道，拱顶距暗挖隧道最小垂直净距为2.03m，盾构隧道与暗挖隧道施工过程中可能出现围岩变形过大、坍塌、相互影响。周边环境风险为地面管线破裂、市政道路沉降、周边建筑物沉降开裂。

通过调查研究，对红砂岩地层盾构施工、暗挖隧道掌子面稳定、地面管线破裂、市政道路沉降、周边建筑物沉降开裂在之前的施工过程中已进行了风险管控，制定了科学有效的应对措施，而对平行区段近距离施工交互影响这一特殊风险研究制定对策措施是极为重要的。

3 风险控制对策

由于盾构施工过程将引起地层移动而导致不同程度的地面沉降或隆起，也会影响邻近地面构筑物及地下结构物的正常使用。因前期多方面影响导致暗挖隧道出口段右边洞衬砌未施工完成，盾构区间隧道即将穿越暗挖隧道平行段。通过查阅专家意见，结合现场实际施工情况，对平行区段近距离施工交互影响采用盾构掘进参数控制和暗挖隧道加固。

3.1 暗挖隧道加固

盾构施工威胁地面建筑物及地下结构物的安全，加之暗挖隧道未完全施工完成，因此必须采取有效的技术安全措施对暗挖隧道衬砌进行加固，研究对平行段45m 范围内暗挖隧道采用径向注浆、套拱及横撑两项加固措施。

径向注浆：在平行段范围内采用径向注浆方式对盾构与暗挖隧道间土体进行加固处理，注浆管长度2.5m，环向间距1.2m，竖向间距1.2m，采用水泥浆注浆，注浆管采用φ32×3.25 钢焊管。

套拱及横撑：对已开挖完的右线边洞进行套拱及恢复横撑，中导洞中隔墙两侧横撑恢复。套拱及横撑均采用I18 工字钢，布置间距为洞口3m 段每榀间距1m，其余段间距2m。套拱采用I18 工字钢工厂弯制，分4 节，接头设10mm 厚连接钢板，4 颗22螺栓栓接。横撑现场量测长度进行切割安装，高度与左线临时仰拱在同一高程，间距同套拱距离。

3.2 盾构掘进参数控制

盾构掘进应坚持“控制扰动，安全、连续、匀速通过”的作业原则，通过控制盾构掘进参数和注浆参数来减少对地层扰动和地层损失。本段区间隧道掌子面地层以强风化粉砂岩及中风化粉砂岩为主，局部为卵石，水位埋深较浅，围岩稳定性较差，盾构掘进过程应优化盾构掘进参数，严格控制推进速度和推进压力，避免对周围土体产生扰动、挤压变形，而引起地面变形或坍塌、地面喷浆冒砂现象；盾构姿态调整采用勤纠缓纠原则，减少盾构的超挖和欠挖，避免因较大幅度纠偏对盾构机铰接压力、推进油缸推力分布、成型管片质量、地层扰动产生较大影响；严格出土量管理，每环出土量根据盾构下穿地层进行量控，做到进尺与出渣量相匹配；通过渣土改良有效控制出渣量，加强同步注浆及二次注浆，保证盾体和地层之间缝隙填充饱满，有效的控制地层沉降；在穿越卵石、粉砂岩交错位置时，需调整盾构参数，防止偏心，严格控制施工中的偏差量；若有过大变形，应及时找出原因，采取有效措施阻止变形的进一步发展，避免出现重大险情。

4 模拟计算

4.1 计算模型

针对暗挖隧道与盾构右线出口平行段初支结构安全问题，采用地层-结构法进行受力变形计算。借助有限元软件建立包含地层、已建成左线盾构隧道、已建成暗挖隧道和拟施工右线盾构隧道的三维数值模型，计算时充分考虑初支内部的钢架配筋、套拱、横撑等加固措施。暗挖隧道与盾构右线出口平行段初支结构受力计算采用abaqus 程序。整体模型、隧道模型、初支配筋模型、右洞横撑及套拱模型和中洞横撑模型分别建模，其中，整体模型尺寸为60m×35m×22m，开挖方向自隧道最小净距（1.26m）处向后取22m，考虑了三条隧道在空间上的位置关系特征。整体模型如图3 所示、隧道结构如图4 所示。

图3 整体模型

图4 隧道结构

4.2 材料参数

暗挖隧道初期支护结构采用C25 混凝土，二次衬砌采用C45 混凝土，盾构隧道采用C50 混凝土。初支钢架、横撑为钢材，具体规格按设计要求取值。地层从上至下分别为填土、黄土、卵石、强风化砂岩和中风化砂岩，各土层物理力学参数按勘察设计报告取值。

4.3 掘进参数

数值分析过程中，右线盾构隧道第一步掘进1.6m，剩余每步掘进1.2m。参考既有掘进参数记录表，取记录最大值13900kN 作为数值分析模型施加的盾构掘进推力。

4.4 计算结论

通过数值计算分析，得出主要结论如下：

1）暗挖隧道初支结构Mises 应力最大值为6.53MPa，最大主应力（拉应力）最大值为1.87MPa，最小主应力（压应力）最大值为-7.64MPa。右线盾构开挖过程中暗挖隧道初支结构受力有所减小，其中最关键的最大主应力（拉应力）最大值由1.87MPa 逐渐降低至1.77MPa。

2）暗挖隧道初支横向变形最大值分别为1.881mm和-7.086mm（负号表示远离右线盾构的方向），竖向变形最大值分别为5.685mm 和-2.445mm（负号表示竖向向下）。右线盾构开挖导致暗挖隧道受到了一定的挤压作用，总体上表现为远离右线盾构方向的变形。

3）暗挖隧道初支初支钢架拱顶位置的Mises 应力最大值达到401.8MPa，已达到屈服状态，但其余部位钢架均处于正常受力阶段，未达到屈服。

4）暗挖隧道右洞套拱及横撑的Mises 应力最大值为143.4MPa，最大轴向压力为320.9kN，钢架及横撑均处于正常受力阶段，未达到屈服。

5）暗挖隧道中洞横撑的Mises 应力最大值为209.3MPa，最大轴向压力为172.9kN，横撑均处于正常受力阶段，未达到屈服。

6）左线盾构隧道的Mises 应力最大值为15.07MPa，最大主应力（拉应力）最大值为4.784MPa，最小主应力（压应力）最大值为-16.06MPa。右线盾构开挖过程中暗挖隧道初支结构受力有所降低。

7）左线盾构隧道横向变形最大值分别为0.962mm和-1.923mm（负号表示远离右线盾构的方向），竖向变形最大值分别为0.964mm 和-1.034mm（负号表示竖向向下）。右线盾构开挖过程中已建成左侧盾构隧道收敛变形有所减小。

总体而言，在现有加固方案基础上进行右线盾构隧道开挖施工时，暗挖隧道初支结构满足安全控制要求。

5 结束语

盾构掘进施工前，通过周边环境调查、地质核查、专家评估等对风险源进一步评估，识别暗挖隧道与盾构隧道并行区段存在的主要风险，剔除以往施工已进行研究的风险因素，研究制定特殊地质条件下平行区段近距离施工交互影响风险应对措施，采用模拟力学计算进行对策有效性研究，为工程施工决策提供理论依据。通过事前、事中、事后等控制措施，采取了盾构掘进参数控制和暗挖隧道加固措施，虽发生地表沉降黄色预警和橙色预警，预警发生后通过地表预留注浆孔进行地表深孔注浆、洞内二次注浆及径向环箍注浆等措施，暗挖隧道洞内衬砌变形控制在5mm 以内，未产生建（构）物沉降、倾斜、开裂等有风险事件，顺利通过暗挖隧道并行段并安全接收。