地铁盾构施工区间下穿既有铁路的风险管控研究

2023-02-21何振华何国峰胡丹枫程维敬郭宏智

现代城市轨道交通 2023年2期

何振华，何国峰，胡丹枫，程维敬，丁尧，郭宏智

（1. 郑州地铁集团有限公司，河南郑州 450000；2. 中国建设基础设施有限公司，北京 100029；3. 中国建筑一局（集团）有限公司，北京 100161）

1 研究背景

地铁因其速度快、运量大、噪声小、能耗低等优点而成为推动城市高质量发展的建设重点。“十四五”规划明确提出加强城市基础设施建设，助力建设现代化交通强国，而这也与实现碳达峰碳中和目标直接相关。截至2021年底，我国运营的地铁总里程达到9 724.35 km（含港澳台）[1]，节能减排量效益明显。

随着城市地铁网的不断完善，建设中的地铁线路区间下穿既有铁路的现象也变得普遍。为保证既有铁路及地铁区间的运营与建设安全，进行合理有效的风险管控至关重要[2]。在风险评估方面，刘德兵[3]采用非线性模糊层次分析法对箱涵下穿铁路顶进施工风险建立模型，采用专家评价法和非线性模糊算子得到最终风险等级结果。唐艳[4]采用层次分析法和模糊综合评判方法将风险量化评估，再对主要风险源采取控制措施。刘仁辉等[5]采用层次分析法对地铁施工安全风险进行评估。尹紫红等[6]采用模糊综合评价方法确定风险等级。贾剑青等[7]采用层次分析法和多级模糊综合评价法对迎门滩—马滩下穿黄河隧道盾构施工风险进行评价。以上研究均对案例中的现场施工风险管理进行了有效指导。

在盾构区间下穿铁路工程采取的具体风险防范措施方面，佘才高[8]结合南京地铁2号线下穿宁芜铁路工程，采取分区注浆和旋喷加固的措施，有效减小轨道的变形。徐干成等[9]基于北京地铁14号线下穿京津城际铁路的施工模拟结果，认为对下穿段土体进行注浆加固可有效控制不均匀沉降。郑浩龙[10]在杭州地铁9号线一期工程下穿沪杭铁路框架桥的施工中，采取洞内二次注浆的措施控制持续的沉降变形。梁玉钊[11]在西安地铁5号线平村站—阿房宫站区间下穿西户铁路工程中采取调整盾构土仓压力等措施减小地表沉降。晋云雷[12]在南宁地铁3号线长堽路站—东葛路站区间盾构下穿柳南、南广铁路施工采取D型便梁+洞内注浆的措施。庞振勇[13]在南京地铁S8线下穿宁启铁路工程中采用注浆加固和“桩+板”加固的方法。马相峰等[14]针对成都地铁6号线区间小角度下穿铁路路基的工程，采取钢花管地层注浆的方式减小沉降。石舒[15]在杭州地铁1号线下穿铁路工程中采用分区注浆加固的方法，有效降低地表沉降。

通过风险评估确定风险源和风险等级并采取措施有效管控风险有利于指导施工。本文以郑州地铁6号线存在下穿铁路情况的区间为研究对象，采用层次分析法和综合指数法相结合的方式分析盾构施工的风险水平，再结合数值模拟分析确定合理的风险管控措施，为现场施工提供有效的指导和参考。

2 工程背景

郑州地铁6号线一期工程（以东北段冯湾—小营为例）线路整体呈西南至东北走向，起点位于西南部荥阳市贾峪镇，途经中原区、二七区、管城回族区，终点位于金水区郑州龙湖中环南路。此段线路包含16个区间，如图1所示。线路全长20.83 km，平均站间距约1 023.75 m，最大站间距1 680.506 m，最小站间距515.518 m，区间最小平面曲线半径350 m，最大坡度为27‰，区间最小埋深9.2 m，最大埋深37.3 m。全线16个区间均采用盾构法施工。

图1 郑州地铁6号线一期工程冯湾—小营区间图

本工程区间盾构机5处下穿既有铁路线，其中第一段（D1）：京广中路—苗圃（简称 “京—苗”）区间ZDK27 + 968～ZDK28 + 063下穿陇海铁路，下穿处隧道顶埋深30.2 m，隧道与陇海铁路竖向净距30.2 m，隧道线间距15.4 m。第二段（D2）：京—苗区间YCK28 +260～YCK28 + 283下穿京广铁路，下穿处隧道顶埋深20.21 m，隧道与京广铁路竖向净距20.21 m，隧道线间距16.2 m。第三段（D3）：京—苗区间YDK28 +506.8～YDK28 + 523下穿京广铁路路基段，隧道结构边缘与陇海铁路间的距离最小值约为16.57 m。第四段（D4）：苗圃—二里岗区间YDK29 + 098～YDK29 +187下穿陇海铁路，隧道结构边缘与陇海铁路间的距离最大值约为21.68 m。第五段（D5）：魏庄—货站街区间YDK31 + 949～YDK31 + 993下穿陇海铁路立交桥。隧道结构边缘与陇海铁路间的最小竖向距离约为 13.46 m，对应陇海铁路处为箱涵路段，盾构隧道下穿铁路示意图如图2所示。

图2 盾构区间与铁路位置示意图

3 风险评估

对本工程5处盾构区间下穿铁路情况进行风险评估，采用层次分析法确定各指标的权重，并结合综合指数法进行综合评价。

3.1 指标权重确定

基于层次分析法的原理，确定评价模型的目标层有5段下穿铁路的盾构区间的风险水平，其影响因素主要有内部风险因素和外部风险因素，各危险因素又可以分多个详细的指标。目标层A下分2个准则层，分别为内部风险因素B1和外部风险因素B2。2个准则层下分别有3个和2个因素层，如图3所示。

图3 层次分析法评价模型图

参考贾剑青等[7]应用层次分析法的案例，首先构造判断矩阵，一般通过专家评估，按照指标重要程度的1～9标度法确定各元素的数值，再确定判断矩阵及其特征向量，并引入平均随机一致性指标R.I和C.I，最后得到5处下穿既有铁路线区段的权重值，如表 1～表 5所示。

表1 第一段的指标权重值

表2 第二段的指标权重值

表3 第三段的指标权重值

表4 第四段的指标权重值

表5 第五段的指标权重值

3.2 风险综合评价

由于评价所用的指标数据的类型和量纲不同，为在同一评价体系内对不同数据进行比较和运算，需要在评价之前对数据进行标准化处理。将下穿铁路的风险等级划分为3个等级：风险较大、风险适中和风险较小。利用综合指数法将不同地段下穿铁路区间按照专家的打分，将每个区间不同的指标赋值乘以指标权重，相加后可得到风险水平的总分。根据每个区间的总分值，将得分为6～9分的划分为风险较大，3～6分的划分为风险一般，1～3分的划分为风险较小。

经计算得到的各下穿铁路区间风险综合得分如表 6所示。可见5段盾构区间中，第三段的风险较大，第二段和第五段的风险适中，第一段和第四段的风险较小。

表6 综合得分表

4 数值模拟分析

4.1 模型建立

根据评价结果，选取风险较大的第三段下穿铁路区间进行数值模拟分析。假设沿隧道开挖方向的结构和土层性质是相同的，将模型简化为二维平面模型，采用ABAQUS有限元软件对土体变形进行模拟分析，并以所得数值模拟数据指导现场施工环节，采取具有针对性的改进措施以确保安全。

假定土层为水平层理结构，开挖深度位于土层埋深28.5～34.94 m处，据钻孔资料和试验结果得到自地表至埋深60 m的土层参数如表7所示。

表7 岩土体物理力学性质

计算土层一共为8层，盾构开挖处于第六层和第七层之间。对土层第三层粉砂层采用摩尔-库伦模型，其他土层均采用修正剑桥模型。剑桥模型中的屈服面表面尺寸取默认值1，临界状态应力比从浅表层至深层约为0.5～0.575，其他参数按照默认设置。地下水位埋深为4 m，假设土层为各向同性，根据对称性简历1/2模型，模型尺寸为60 m×120 m，隧道区间采用泥水平衡式盾构工法进行施工，盾构直径为6 440 mm，管片外径为6 200 mm，内径为5 500 m，如图4所示。管片外围与开挖后的土体之间的开挖间隙通过注浆形成衬砌，衬砌初凝约为4～6 h，终凝不超过8 h，此处取8 h。管片的弹性模量为35.5 GPa[16]，衬砌的弹性模量从压力注浆至终凝分别是0.25 MPa和60 MPa。

图4 数值模型有限元网格图（单位：m）

4.2 土层变形特征

经计算，得到开始施工至终凝的累计垂直位移和水平位移如图5和图6所示。

图5 垂直位移云图（单位：mm）

图6 水平位移云图（单位：mm）

从垂直位移的角度看，最大垂直位移位于衬砌的位置。在一定时间内，垂直位移并未发展至地表。沉降量在地表位置约为1 mm，而在衬砌位置约为8 mm。这说明在衬砌位置的沉降上达地表前采取必要的措施可以一定程度上避免盾构施工产生的位移上达地表。而相较垂直位移，各个位置的水平位移均较小，影响的范围也有限。

自模型左端至右端120 m范围内，地表（埋深0 m）、埋深10 m、埋深20 m、埋深30 m、埋深40 m、埋深50 m和埋深60 m处的垂直位移和水平位移统计数据如图7和图 8所示。盾构隧道下方有少量回弹，上方最大沉降值出现在埋深30 m左右的位置。施工位置在水平方向逐渐远离盾构隧道时，垂直位移迅速减小，水平位移也迅速减小。当施工位置距离盾构隧道超过15 m时，水平位移和垂直位移均小于0.5 mm。

图7 垂直位移-距离图

图8 水平位移-距离图

根据数值模拟分析，最大沉降约为8 mm。经过一段时间后，最大沉降会上达地表，影响该处铁路的安全。由于专家一致建议将沉降值控制在5 mm以内，为减小沉降，遂决定采取这些控制措施：下穿铁路区间采用克泥效工法，及时同步注浆及二次注浆，进一步减小因注浆压力、注浆量不足产生的沉降。最终，施工结束7天后，地表轨面监测到的总沉降值约为2.0 mm，满足要求。同时也印证施工过程中采取的必要措施可以避免盾构施工产生的位移传递至地表。其他4段下穿铁路的风险区可参照上述措施处理，有效控制地面沉降。