地铁隧道连续穿越高风险环境影响分析和保护措施

2021-09-06丁静泽

特种结构 2021年4期

丁静泽

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

近年来，我国城市轨道交通建设发展迅速，但是面临着越来越复杂的周边风险环境，地铁往往需要连续穿越多处重要风险环境，施工难度大大增加。北京地铁17 号线工程盾构隧道在北神树站—朝阳港站区间连续穿越南水北调东干渠、京津城际铁路及东南五环路等高风险环境，且存在穿越地层条件差、地表覆土浅、风险变形控制要求高等不利因素。针对地层条件及工程条件，制定了合理的施工技术措施，数值模拟计算结果及监测数据显示各项变形指标均在控制范围之内，成功对风险环境实施了连续穿越。为类似工程提供了借鉴。

1 工程概况

1.1 风险环境描述

1.各风险环境现状概述

北京地铁17 号线北神树站—朝阳港站区间线路全长约5.63km。区间采用盾构法施工，盾构区间为双洞双线隧道，隧道外径6.4m，管片厚度为0.3m。隧道在朝阳区十八里店乡康化桥附近连续穿越南水北调东干渠、京津城际铁路及东南五环路等高风险环境，穿越段起点里程右K9 ＋300.2，终点里程K9 ＋343，穿越段长度183.7m。穿越平面位置见图1。

图1 地铁隧道与风险环境平面示意Fig.1 Plane relation of subway tunnel and environmental risk

南水北调东干渠：为重力流输水，盾构法施工，一期工程采用双层衬砌结构，外层为外径6.0m，内径5.4m，C50 预制混凝土管片，内层为外径5.4m，内径4.6m，C35 二次模注防水混凝土结构。线路上穿南水北调东干渠，隧道埋深约6.46m，距离干渠顶板净距约6.93m。南水北调东干渠为一级风险环境［1，2］，如图2 所示。

京津城际铁路：为客运铁路，道床采用无砟道床，设计时速为350km／h。下穿段铁路上部结构类型为预应力混凝土连续箱梁，计算跨度为（80 ＋128 ＋80）m，盾构区间下穿高架桥128m桥跨处，平面交角40°～41°，运营墩号为281 和282。下部基础形式为4 ×6 根群桩基础，承台尺寸为14.6m ×22.6m ×4.0m，桩基采用钻孔灌注桩形式，单桩直径1.5m，281 号墩高为8.8m，桩长69m，282 号墩高8.3m，桩长68m。盾构区间右线距离282 号桩基最小距离为18.1m，区间左线距离281 号桩基最小距离为18.5m。京津城际铁路高架桥为特级风险环境［1，2］，如图2 所示。

图2 地铁隧道与风险环境剖面示意Fig.2 Profile of subway tunnel and environmental risk

东南五环路：设计速度100km／h，红线宽度80m。道路纵坡总体较为平缓，17 号线地铁隧道穿越五环路主路及两处匝道，其中主路为两幅路形式，双向六车道加连续停车带，中央分隔带宽3m，路基总宽度为35m；五环路两侧连接匝道总宽度均为9m，双向两车道。盾构区间拱顶覆土约11m，距离五环路两端匝道及主路路面高度分别为13.3m、14.1m、12.1m。东南五环路为一级风险环境［1，2］，如图2 所示。

2.风险环境特征分析

分析地层条件及风险环境特征，盾构穿越施工难度较大，主要体现在以下几方面：

（1）风险环境等级高，均为重要工程，一旦变形过大，产生影响其使用功能的损伤时，修复困难，会造成的巨大的经济损失和社会影响。

（2）连续穿越各风险，穿越距离长，盾构机中间无检修调整条件，需保证盾构机推进过程中各项施工参数调整至最优状态，对施工机械及人员操作水平要求高。

（3）穿越条件较差，地表覆土浅，最浅埋深仅为6.9m，地表变形控制难度大，且存在开挖面提供的支护力不足而产生失稳等风险［3］；穿越范围以粉细砂及粉砂层为主，粉细砂及粉砂层的黏聚力较小，自稳性差，容易受扰动，引起较大超挖，土体变形控制困难［4］。

（4）风险变形控制要求高，京津城际铁路高架桥墩台及轨道已产生较大变形，剩余可用变形量非常小，根据咨询报告建议，桥墩横向水平位移、纵向水平位移控制值仅为0.5mm，竖向位移控制值1.0mm。

1.2 工程及水文地质情况

北神树站—朝阳港站穿越段地铁隧道主要位于④3粉细砂层（标贯值N＝50）及③3粉砂层（标贯值N＝29），拱顶以上为砂质粉土、素填土等相对细颗粒地层。盾构掘进过程中对刀盘及刀具有一定的磨损，一定程度上考验刀盘刀具的耐磨性能。穿越段地层参数如表1 所示。

表1 穿越段地层参数Tab.1 Stratum parameters of crossing location

勘察钻孔最大深度56m，根据埋藏深度、动态变化特征和对工程建设的影响，勘探范围内地层中的地下水可划分为上层滞水（一）、潜水（二）、层间潜水（三）、层间潜水～承压水（四）和承压水（五）。该段勘察主要揭露层间潜水～承压水（四）标高为8.3m，位于区间隧道底板以下。

2 施工技术措施

2.1 工程筹划安排

穿越时间避开春运及重要节假日，降低社会影响。同时应避开南水北调东干渠工程检修、维护及空水状态时期。

2.2 设置试验段

盾构穿越前设置100m 的试验段，试验段有针对性地设定多种推进参数，尝试不同推进模式，掌握同类型地层的地质特性、沉降规律，并做好机械的调试、检修等，确保盾构机在正式穿越前，各项施工参数调整到最优状态实现连续穿越。

2.3 掘进施工组织及参数控制

（1）严格保证施工的连续性，做好物质及设备各项保障。严格保证穿越过程中的连续作业，确保穿越区域附近不停工、不滞留。

（2）对土仓内的土压力、控制掘进速度、出土量各项参数进行优化，严格保持掘进面的土压稳定，避免土压的过大波动。

（3）控制盾尾同步注浆，控制浆液的注入数量，最大程度地减少因充填不及时、不密实而造成的地层损失。

（4）土层改良及保压等措施，制定合理有效的渣土改良方案，确保舱内渣土的流动性、和易性和密水性，保持良好的流塑性状态。

2.4 辅助注浆措施

（1）试验段和穿越段范围内采用“克泥效”对盾构机刀盘和管片之间的空隙进行填充。“克泥效”是由合成黏土矿物、交替稳定剂和分散剂合成的一种粉剂材料，与水（形成A 液）、水玻璃（B液）混合搅拌形成双液注浆材料。该材料填注时流动性强，易对盾构机外壳外间隙进行有效填充，填注完成后形成塑性黏土，不易被水稀释，有一定承载力，能防止拱顶土体下陷；另外，克泥效泥膜与土层胶结在一起，减小了同步注浆的浆液流失，对注浆压力控制效果较好，从而有效控制拱顶沉降及因注浆造成的土体隆起。配比根据注入泵的能力适当调整，推荐比例为1∶2（A液粉剂1kg∶水2kg），A液与B液混合推荐的比例为4∶1（A 液混合液4L∶B 液1L）。A 液与B液混合后15s 内材料的黏度能达到300dPa·s～500dPa·s。

（2）京津城际铁路及五环路穿越范围内，盾构管片增设注浆孔，对区间隧道拱部及底部土体进行加固。盾构穿越后，对拱部180°、深度3m以及仰拱180°、深度1m范围进行二次深孔加强注浆，浆液采用水泥水玻璃双浆液。如图3所示。

图3 盾构注浆加固示意Fig.3 Grouting reinforcement in shield tunnel

（3）为限制土体及京津城际铁路桥桩的水平变形，在盾构外2m～5m（共3m）范围进行地面深孔注浆加固，加固深度为地面下2.5m 至盾构下方3m（共15m）范围，平面位置见图4。注浆孔为间距及排间距0.75m，单孔注浆半径不小于0.5m，注浆压建议0.3MPa～0.5MPa，梅花形布置［5］。

图4 地面注浆加固示意Fig.4 Grouting reinforcement on ground

（4）为防止地铁施工及运营阶段对东干渠与盾构隧道结构之间的夹层土体产生扰动，盾构穿越前采用地面深孔注浆加固地铁隧道与东干渠之间的土体，注浆浆液采用超细水泥，加固范围为纵向穿越段及前后各6m 范围、竖向为地铁区间底板以下5.4m 范围，加固土体与东干渠结构之间预留1m间距，如图5 所示。

图5 地面注浆加固示意Fig.5 Ground grouting reinforcement

3 计算分析

3.1 下穿京津城际铁路及东南五环路

针对盾构隧道下穿京津城际铁路高架桥桩基及东南五环路进行分析，数值计算采用MIDASGTS 软件进行计算。模型尺寸取80m ×168m ×90m。

土体采用摩尔-库仑模型，盾构管片采用板单元，弹性模型；同步注浆以及浆液与土体的作用，采用土体应力释放系数来考虑；承台采用实体单元，弹性模型；桥梁等效为荷载作用于承台；桥桩采用植入式桁架单元模型洞内二次深孔加强注浆采用实体单元提高土层参数模拟，土体力学参数见表1。计算模型见图6。地表变形计算结果见图7。下穿京津城际铁路计算结果见表2。

图6 计算模型（单位：m）Fig.6 Calculation model（unit：m）

图7 地表变形计算结果（单位：m）Fig.7 Calculation results of surface deformation（unit：m）

表2 京津城际铁路计算结果统计Tab.2 Statistics of calculation results

由结果可知，地铁穿越造成的墩台沉降为0.27mm、水平位移为0.35mm，在控制范围之内；地表沉降为5.13mm，满足京津城际铁路及五环道路沉降控制要求。

3.2 上穿南水北调东干渠

盾构隧道上穿南水北调东干渠采用MIDAS-GTS软件进行计算。计算模型尺寸80m ×50m ×50m，土体采用实体单元模拟，材料模型为摩尔-库仑模型，东干渠盾构隧洞采用板单元，材料模型为弹性模型，内衬结构采用实体单元模型，材料模型为弹性模型，隧道位置关系如图8 所示。计算结果见表3。

图8 隧道位置关系Fig.8 Plane relation of the tunnels

表3 东干渠计算结果统计Tab.3 Statistics of calculation results of East Main Canal Tunnel Donggan Canal

根据计算，东干渠内衬隧洞受地铁隧道施工影响发生回弹变形，其上浮量及地铁隧道上浮量均满足变形要求。东干渠隧洞纵向应力最大值约965kPa，位于地铁盾构隧道两线中间处；环向应力最大值约为253kPa，位于东干渠拱顶及底板位置，满足结构C35 混凝土的设计抗拉强度。地铁盾构区间在上穿掘进施工中可以保证东干渠的结构安全性。