盾构近距离上跨既有线风险评估研究_张强.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-08-30 修回日期:2023-02-27 第一作者:张强，男，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通安全风险研究， 引用格式:张强，米保伟，王术明.盾构近距离上跨既有线风险评估研究J.都市快轨交通，2023，36(3)：22-28.ZHANG Qiang,MI Baowei,WANG Shuming.Risk assessment of shield tunnel crossing in close proximity to existing linesJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):22-28.22 城市轨道交通建设安全专辑URBAN RAPID RAIL TRANSIT doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.004 盾构近距离上跨既有线风险评估研究 张 强1,2，米保伟1,2,3，王术明1,2（1.北京安捷工程咨询有限公司，北京 100050；2.城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037；3.北京城建设计发展集团股份有限公司西安分公司，西安 710016）摘 要:为研究城市轨道交通隧道间近距离穿越工况风险，以青岛地铁 6 号线峨富区间盾构隧道上跨既有 1 号线峨石区间隧道工程为例，该工程具有超浅埋、上软下硬地层、近距离上跨既有线等工程特点，通过有限元计算分析峨富区间盾构施工对峨石区间隧道结构变形影响，提出盾构施工风险管控对策，并在实际施工过程中实时比对计算结果。研究表明：峨富区间盾构施工过程中，峨石区间隧道结构变形较小，采取地层预加固、试验段先行、自动化监测综合控制对策，盾构上跨顺利通过，过程中峨石区间隧道结构各项位移值均为正常，最大位移值约为 1 mm，为计算值的 1.5 倍。此研究成果可为今后类似工程提供参考。关键词:城市轨道交通；超浅埋盾构隧道；上软下硬地层；近距离上跨；有限元计算；控制对策 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0022-07 Risk Assessment of Shield Tunnel Crossing in Close Proximity to Existing Lines ZHANG Qiang1,2,MI Baowei1,2,3,WANG Shuming1,2(1.AGILETECH Engineering Consultant Co.,Ltd.,Beijing 100050;2.National Engineering Lab for Green&Safe Construction Technology in Urban Rail Transit,Beijing 100037;3.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.,Ltd.,Xian Branch,Xian 710016)Abstract:As the scale of urban rail transit networks expands,the number of short-distance tunnel crossings has increased.The shield tunnel for the Qingdao Metro Line 6 E-Fu section crosses the existing Line 1 E-Shi section tunnel,characterized by ultra-shallow burial,soft upper,and hard lower formations,in close proximity to the existing line.The impact of shield construction on the structural deformation of the E-Shi section tunnel was analyzed,and risk control measures for shield construction were studied via finite element analysis(FEA)method.A real-time comparison was conducted during the actual construction process.The results indicated that the structural deformation of the E-Shi section due to the shield construction of the E-Fu section was minimal.Comprehensive control measures,including stratum pre-reinforcement,first test section,and automatic monitoring,ensured a smooth shield crossing.During this process,all displacement values of the E-Shi section tunnel structure remained within the normal range,with the maximum displacement value in the approximate range of 1 mm 1.5 times the calculated value.These findings can serve as a reference for similar future projects.Keywords:urban rail transit;ultra-shallow buried shield tunnel;soft up and hard down formation;close crossing of the existing line;finite element calculation;control countermeasures 盾构近距离上跨既有线风险评估研究 23URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1 研究背景 近年来，我国城市轨道交通进入快速发展阶段，截至 2022 年底，共有 55 个城市开通城轨交通运营线路，线路总长度达 10 291.95 km1。伴随运营线路快速增加，新建线路面临的建设空间越来越局限，新建线路上跨、下穿既有线等相互交叉的现象越来越多。穿越过程中，新建地铁隧道施工不可避免地会对既有线隧道产生影响，如何确保既有线正常运营、保证地层和结构的安全稳定是科研工作的重点2-4。基于此，众多学者、专家开展了相关研究，赵宇鹏采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法，就盾构近距离上跨既有隧道施工中既有隧道变形规律、卸荷因素影响、施工因素影响及加固措施进行了研究5。张宏伟等针对深圳地铁该类工程，采用综合数值分析、现场监测等手段，确定了盾构施工对既有线的影响范围和影响度，提出了地层预加固措施、盾构掘进参数控制措施、自动化监测系统和风险应急推演管理措施等技术手段，确保盾构安全顺利施工和既有线正常运营6-7。邢慧堂等针对济南地铁 R2 线姜家庄出入场线盾构隧道上跨开源路站烈士陵园站右线区间既有隧道工程，采用有限元数值仿真对盾构近距离上跨施工组织进行合理化分析，结合实际监测数据验证模拟计算结果，讨论隧道周边预先加固的必要性，并给出适用于济南地区地质条件的盾构掘进参数建议值8。以上研究为本文提供了一定的经验借鉴，但对于耦合超浅埋、上软下硬地层盾构施工、近距离上跨既有线等工程不利因素的工程案例研究较为少见，因此，本文以青岛地铁 6 号线峨眉山路站富春江路站区间(以下简称“峨富区间”)盾构隧道上跨既有 1 号线峨眉山路站石油大学站区间(以下简称“峨石区间”)隧道为例，通过对依托工程勘察设计资料解析，识别主要风险源；采用盾构施工全过程三维有限元数值模拟，评估盾构施工对地面沉降、成型管片变形、既有线隧道结构变形的影响，提出风险控制对策，为今后类似工程提供参考。2 工程概况 如图 1 所示，峨富区间位于青岛市西海岸新区，峨富区间出峨眉山路站后(6 号线和1 号线换乘站)，沿长江西路向东敷设，右线分别上跨既有1 号线峨石区间左右线后，北拐进入江山南路，到达富春江路站。图 1 峨富区间上跨峨石区间段示意 Figure 1 Sketch map of E-Fu section crossing E-Shi section 如图2所示，峨富区间右线上跨段长度约100 m(748 环812 环)，覆土最浅处为 5.49 m，穿越土岩复合上软下硬地层(上部为粉质黏土、砾砂、强风化凝灰岩，下部为中风化凝灰岩、微风化凝灰岩)，采用土压平衡盾构施工。管片采用 C50、P10 钢筋混凝土，外径为 6 m，厚度 0.3 m，环宽 1.5 m，分块形式 1+2+3(1 个封顶块+2 个邻接块+3 个标准块)，错缝拼装，接缝采用弯螺栓连接。既有 1 号线为矿山法隧道，复合式 图 2 峨富区间上跨峨石区间相对位置关系 Figure 2 Relative position of E-Fu section crossing E-Shi section 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 24 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 衬砌，二衬为 C45、P10 模筑混凝土，厚度 400 mm。峨富区间右线盾壳与峨石区间隧道二衬最小竖向净距为 1.46 m。本工程面临超浅埋上软下硬地层盾构施工控制难、近距离上跨既有线结构安全问题，施工风险高，主要风险源概述如下：1)超浅埋上软下硬地层盾构施工风险。超浅埋盾构施工土仓压力不容易控制，欠压导致地面沉降，超压则会导致地面隆起。盾构穿越土岩复合上软下硬地层，盾构机在上软下硬的地层推进过程中，姿态较难控制，容易“抬头”，纠偏难度大；另外，刀具在软硬不均地层掘进中，造成刀盘振动大，掘进速度慢，上部地层软弱，稳定性差，地面沉降较难控制。2)近距离上跨既有线结构变形及行车安全风险。盾构施工扰动既有 1 号线结构周边地层加固体，改变了原有地层-结构受力平衡体系，另外，上软下硬地层盾构易“抬头”，向下纠偏时，势必增大上部油缸推力，降低下部油缸推力，向下挤压地层及既有隧道，易导致下卧隧道结构变形、开裂等风险，甚至影响行车安全，危及乘客生命。综上，超浅埋、上软下硬地层、近距离上跨既有线耦合作用下，盾构施工难度大、风险高，应借助信息化手段，根据实时监测信息研判，动态调整盾构施工参数，以保证盾构自身施工安全、地面隆沉及下卧隧道变形满足要求。3 盾构上跨既有线影响评估 3.1 模型建立及计算假定 采用 MIDAS GTS NX 有限元软件，建立三维地层-结构模型，地层采用实体单元，地铁采用结构单元，X向(峨石区间纵向)Y向(峨石区间横向)Z向(竖直方向)=400 m280 m40 m，如图 3 所示。模型中地层、注浆加固体采用摩尔库伦本构，管片、盾壳、二衬采用弹性模型，管片与盾壳、管片与注浆层之间设置界面单元，法向硬接触，切向摩擦接触，摩擦系数取 0.3，地层及结构物理力学参数如表 1 所示。图 3 计算模型 Figure 3 Computational model 表 1 地层及结构物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of formation and structure 类型 素填土 粉质黏土粗砾砂 7强风化凝灰岩 7中风化凝灰岩 7微风化凝灰岩 同步 注浆层 管片 C50 盾壳 钢材 隧道二衬C45 材料模型 M-C M-C M-C M-C M-C M-C M-C 弹性 弹性 弹性 容重/(kN/m3)17.5*19.9 21.0 23.0 26.0 26.1 26.5 25 78 25 泊松比 0.35*0.4 0.3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.3 0.2 弹模/MPa 15*(E)4.5(ES)20(E0)45(E0)8 000(E)20 000(E)20 000(E)27 600(E)206 000(E)33 500(E)内摩擦角/()20 15*38 43 55 65 65 注：E 为弹性模量，E0为变形模量，ES为压缩模量，*为经验值。根据盾构施工实际工况，考虑主要影响因素，同时兼顾计算效率，对模型进行适当简化，具体如下：1)根据地质纵剖，将地层分界线简化为多段线，各层厚度自上而下依次为：杂填土 3.5 m，粉质黏土 2.5 m，粗砾砂 39 m，7强风化凝灰岩 1.0 m，7中风化凝灰岩 1.0 m，以下为7微风化凝灰岩。2)管片横向采用均质圆环，依据修正惯用法对隧道横向刚度进行折减，即管片环抗弯刚度为 EI(为横向刚度有效率，EI 为均质隧道横截面抗弯刚度)，本次管片横向刚度有效率 取 0.89。3)假定施工过程均为规范施工状态，考虑盾构掘进、管片拼装、同步注浆，刀盘每切削一环土体后，停止转动，进行管片拼装，管片拼装完后，刀盘转动切削下一环土体，同时对上一环管片进行同步注浆。4)软件中具体实现方法10：盾构掘进阶段包括切削土体、同步注浆，激活千斤顶推力和土仓压力，刀盘切割钝化一环土体，盾尾脱出管片同步激活脱出管片的注浆压力和注浆层；管片拼装阶段，激活盾壳内第 2 环管片；重复、进行下一循环，如图 4所示；按实际盾构进度，右线先行，左线滞后60 环，盾构近距离上跨既有线风险评估研究 25URBAN RAPID RAIL TRANSIT按盾构掘进一个施工步、管片拼装一个施工步进行工况设置，模型范围内(左线 613883 环、右线 652915 环)共设置 531 个施工步；下一施工步在上一施工步应力位移基础上迭代计算，通过设置荷载释放系数模拟土体开挖后应力释放过程，管片掘进和拼装阶段分别释放 50%。图 4 盾构施工示意 Figure 4 Schematic of shield tunneling construction 5)计算荷载考虑初始地应力和盾构施工荷载，见表 2。表 2 计算荷载 Table 2 Calculated loads 荷载名称 荷载大小 作用范围 初始地应力 自重 地层及既有地铁结构 盾构机重力 500 t 盾壳下卧地层 土仓压力 0.5 bar 盾构前方掌子面 千斤顶推力 1 050 t 管片环侧面 同步注浆压力 2.5 bar 同步注浆圈，厚 0.15 m注：1 bar=0.1 MPa。6)既有结构仅考虑二衬，假定初始状态完好。3.2 计算结果分析 3.2.1 地面沉降 如图5 所示，盾构贯通后，地面沉降主要位于峨富区间右线正上方地表，随盾构推进，沉降同步向前扩展。整个施工阶段地表沉降最大值为 2.4 mm。图 5 地面沉降计算结果 Figure 5 Computed results of ground settlement 3.2.2 成型管片变形 如图 6 所示，已拼装完管片变形主要集中于右线隧道，以竖向位移为主，随盾构推进，变形范围同步向前扩展；刚拼装完管片受盾构机重力作用，呈沉降趋势，后方远离盾壳处管片呈上抬趋势；横截面变形模式呈竖向拱顶、拱底向洞内收敛，水平向洞外扩展的“横鸭蛋”变形模式。整个施工阶段，水平位移最大值为 0.31 mm，竖向隆起最大值为 1.18 mm。图 6 成型管片变形矢量图 Figure 6 Vectorgraph of deformation of pipe segments during formation 3.2.3 既有 1 号线结构变形 如图 7 所示，峨石区间隧道位移最大值位于盾构掌子面正对位置，以盾构上跨峨石右线为界，上跨前最大变形位于峨石区间左线，上跨后最大变形转移至峨石区间右线，随盾构推进，呈同步向前移动。如图 8 所示，总体上峨石区间隧道结构变形可分为上跨前、上跨中、上跨后 3 个阶段。上跨前(右线 678748 环)，位移发展缓慢，变形曲线平缓，最大水平位移值 0.018 mm，占总位移 3%，最大竖向隆起值 0.024 mm，占总位移 4%。上跨中(右线 748812 环)，位移快速发展，变形曲线陡升，最大水平位移值 0.42 mm，占总位移 70%，最大竖向隆起值 0.56 mm，占总位移 90%。上跨后(右线 812915都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 26 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 环)，盾构由上跨转为侧穿，水平位移略有增加，竖向位移基本趋于稳定。图 7 盾构上跨峨石区间右线工况下隧道位移云图 Figure 7 Tunnel displacement cloud map of E-Shi section under the shield crossing right line of E-Shi section 图 8 盾构施工过程中峨石区间隧道结构变形曲线 Figure 8 Structural deformation curve of E-Shi section tunnel during shield construction 整个施工阶段，峨石区间隧道结构变形值均很小，最大水平位移值0.65 mm，最大竖向隆起值0.61 mm。4 控制对策 4.1 软弱地层预加固 对于上跨区上覆软弱地层进行注浆预加固，加固范围为由结构边向两侧、拱顶向上各外延 3 m，加固长度约 120 m，如图 9 所示。加固完毕后，应对加固体进行检验，不合格者应进行补充注浆。对于加固存在的盲区，应重新钻孔调整角度，补充注浆。同时，对 1 号线区段范围内空洞进行探测，保证盾构通过时1 号线区间空洞注浆密实。图 9 地层预加固范围 Figure 9 Stratum pre-reinforcement range 4.2 分段实施，试验先行 如表 3 所列，将掘进区段划分为试验段、保护段、上跨段和保护段。表 3 掘进区段划分 Table 3 Division table of heading sections 区段划分标准 长度/m里程范围 环数 试验段刀盘进入上跨段前 70 m50 YDK35+031.082YDK34+981.082 699 环 732 环 保护段刀盘进入上跨段前 20 m20 YDK34+981.082YDK34+961.082 732 环 745 环 上跨段刀盘正式上跨既有1号线105 YDK34+961.082 YDK34+856.082 745 环 815 环 保护段盾尾脱出上跨段后 20 m20 YDK34+856.082 YDK34+836.082 815 环 828 环 汇总 195 130 环 试验段收集和确定掘进参数，以便以最佳掘进参数进行保护段和上跨段施工，确保上跨段参数切实可行；上跨段联动参建各方及外部单位协同进行管理，加强现场各项施工管控，确保上跨安全；保护段为其影响区域，可在后期对隧道管片壁后注浆进行二次补浆，确保后期壁后注浆饱满。同时，在上跨既有 1 号线区间前 30 m 时，对设备关键部件如推进系统、主驱动系统、注浆系统、密封系统、刀盘刀具及监控系统等全面检查，确保穿越过程中设备无故障、连续匀速通过。4.3 信息化施工，动态管控 上跨段施工时对地上长江西路进行交通管制，同时加强地面沉降数据监测，避免因沉降过大对交通造成影响，对地下既有隧道进行自动化监测，及时反馈给盾构管理人员和操作人员，根据实时监测信息研判，动态调整盾构参数。穿越上软下硬地层盾构姿态控制难度大，应根据监测数据适时调整推进油缸分区压力，控制姿态在盾构近距离上跨既有线风险评估研究 27URBAN RAPID RAIL TRANSIT50 mm 以内。严格控制土仓压力，对于超浅埋上软下硬地层，土仓压力的稳定控制直接影响地面的沉降隆沉，不应过低和过高，波动值应控制在0.2 bar(1 bar=0.1 MPa)。及时做好同步注浆，严格控制同步注浆质量，浆液结实率不应低于 95%，初凝时间不应超过 6 h，同步注浆压力不应超过 23 bar(1 bar=0.1 MPa)，防止地面被击穿。5 现场监测 峨富区间盾构上跨峨石区间过程中，对峨石区间隧道位移开展自动化监测，测点布设如图 10所示。图 10 峨石区间隧道结构位移测点布设 Figure 10 Layout drawing of the displacement measuring points of the tunnel structure of the E-Shi section 由现场监测数据(见图 11)可知，上跨段盾构施工工期约14 d，其间峨石区间隧道结构各项位移数据均为正常，最大位移监测值约1 mm，约为计算值的1.5 倍。图 11 上跨过程中峨石区间隧道结构位移监测数据曲线 Figure 11 Monitoring data curve of tunnel structure displacement of E-Shi section during the crossing process 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 28 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 6 结论 峨富区间盾构上跨既有峨石区间隧道结构安全影响模拟计算及控制对策研究结论如下：1)计算结果表明，随着盾构推进，地面沉降同步向前发展，成型管片呈上浮趋势，横截面呈“横鸭蛋”变形模式，峨石区间隧道位移呈“跨前缓慢发展、跨中快速升高、跨后趋于稳定”变形规律，现场监测值约为计算值 1.5 倍，验证了计算结果的合理性，该模拟方法可作为分析盾构施工对既有线变形影响的手段。2)上软下硬地层盾构推进时，由于掌子面内地层对油缸反力贡献能力不同，导致频繁纠偏，扰动既有线隧道结构围岩平衡体系，危及结构安全，同时，超浅埋盾构土仓压力对地层整体隆沉影响敏感。因此，地层预处理是前提，盾构参数控制是关键，过程实时监控是保障，进一步提出了软弱地层预加固以辅助盾构姿态控制、试验段先行以获取合理盾构掘进参数、实时监测动态调整盾构参数的综合控制对策，保证盾构施工及既有线结构安全。3)现场实施情况表明，既有线隧道结构各项监测指标正常，施工效果良好，盾构顺利通过，可为类似工程提供参考。参考文献 1 侯秀芳,冯晨,左超,等.2022 年中国内地城市轨道交通线路概况J.都市快轨交通,2023,36(1):9-13.HOU Xiufang,FENG Chen,ZUO Chao,et al.Statistical analysis of urban rail transit in Chinese mainland in 2022J.Urban rapid rail transit,2023,36(1):9-13.2 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