盾构下穿既有车站风道的施工风险评估及控制研究

李晓亮，孙梓栗，李谷阳，黄 杉，王海飞，徐前卫

（1.中铁五局 电务城通公司，湖南 长沙 410205；2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

0 引言

近年来，为缓解城市交通拥堵，我国众多城市大规模地修建地铁。地铁隧道大多会穿越城市的中心区域。由于城市有密集的建筑物、街道和各种管道网，故对施工安全、施工环境的要求较高[1-2]。盾构法因其独特的优势成为城市地铁施工工程的最优选择，被广泛地运用于地铁区间的隧道修筑[3]。盾构在施工中，不可避免地会对周围地层产生一定的扰动，使得邻近建筑物有沉降、倾斜、拉伸、压缩变形等潜在风险[4-5]，浅基础建筑物往往容易因此发生破坏、倒塌，从而造成重大损失[6-7]。因此，施工中如何保证隧道安全下穿既有建筑物成为一项新的难题。

关于盾构施工对既有建筑物的影响，国内外学者开展了大量的研究。例如，Mooney等[8]通过现场数据和数值模拟研究了盾构参数对地面变形的影响；Havlíček等[9]使用三维有限元模拟研究了地铁隧道对地下通道桩墙的影响，说明过大的隧道面压力会导致地面变形；凌程建等[10]分析了基坑开挖对地铁的影响，并从安全可靠、经济合理的角度出发，提出了有针对性的措施和建议；王家祥[11]分析了盾构隧道对居民区的影响，指出施工过程中及时进行二次跟踪注浆对沉降控制极为重要；李超人等[12]研究表明盾构近期地表沉降在建筑物处明显增大，建筑物所在位置及其周围土体呈现整体倾斜变形；王锡军等[13]、姚八五[14]和汪超[15]对盾构穿越暗挖风道的施工技术与控制要点进行了简要分析，为地铁盾构穿越风道施工提供参考。

总体而言，当前国内外在相关方面的研究主要集中在地面沉降这一问题上，而就施工对邻近建筑物的影响及控制措施研究较少，需进一步系统化研究。本文将以北京地铁8号线天桥—永定门外区间隧道下穿既有风道为例，通过数值计算来模拟盾构施工对既有建筑物的影响，在此基础上提出相关风险控制措施，为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

北京地铁8号线天桥站—永定门外站区间于K34+983.011～K34+996.811处需要下穿地铁14号线永定门外车站的东南风道，风道总长约为51.96m，宽度为13.8m，高度为7.35m。隧道下穿铁路桥区段埋深约25.5～27.2m。

区间土层自上而下为：杂填土①层、粉土填土①2层、粉土③2层、粉砂～细砂③3层、粉质黏土③层、粉砂～细砂③3层、粉质黏土④层、粉土④2层、粉质黏土④层、细砂～中砂⑤2层、卵石⑤层、粉质黏土⑥层、卵石⑦层；洞身所在地层主要为卵石⑤层、粉质黏土⑥层，地层参数详见表1。区间隧道结构以上有潜水和潜水～承压水两层地下水，地下水距离隧道顶部约3.45m。该区段的局部地质剖面如图1所示。

图2、图3所示为北京地铁8号线左、右线隧道先后下穿北京地铁14号线永定门外车站东南风道。左、右两隧道间的水平距离约为18m。该风道与地铁8号线近似垂直交叉，风道与盾构顶部最小距离为3.4m。

表1 土层物理力学参数表

图1 区间地质剖面示意图

2 施工难点与风险评估

2.1 施工难点

（1）风险等级高

本工程中，隧道施工环境较差，盾构需要于K34+983.011～K34+996.811段下穿地铁14号线永定门外车站的东南风道。风道截面尺寸为13.8m×7.35m，埋深19.5m，风道底部与盾构顶部最小距离为3.4m。由于风道结构为地下浅基础，对沉降极为敏感，当盾构在其邻近或下方穿越时，盾构上方荷载容易产生较大变化且不均匀，加之盾构正面压力及推进姿态难以掌控，故受盾构隧道开挖的影响较大。

图2 地铁线路与车站平面关系示意图

图3 地铁线路与车站风道立面关系示意图

（2）地层稳定性差

由于区间隧道主要位于卵石层⑤和粉质黏土层⑥，盾构在其中推进时，正面压力及推进姿态难以掌控。若正面压力设置不当或缺少必要的渣土改良措施或盾尾密封失效，极易造成开挖面及盾尾涌砂、涌水或坍塌，并引发隧道损坏和地表较大范围沉降。

因此，本区间施工的难点是对施工过程进行控制，既要避免因正面压力及同步注浆压力不足引起的沉陷，又要防止正面压力及注浆压力过高导致地层扰动过大，最大限度地减小隧道掘进过程中土体变形与地铁风道的沉降，从而保证既有构筑物的安全。

2.2 施工风险评估

2.2.1 评估方法选择

由于城市地下隧道所处地质环境的多样性、变异性和复杂性，使得各种评价因素都存在大量的不确定性和不精确性。这种不确定性、不精确性既具有随机性，又具有模糊性，比较符合模糊综合评判理论的适用条件。因此，该综合评价问题应用模糊数学方法最为合适。此外，R=P×C定级法是一种定性与定量相结合的方法，是目前国内外应用比较广泛的一种风险评估方法。本文根据北京地铁8号线三期05标段下穿风道段盾构隧道的实际情况、评价目标、已有评价基础资料等，选择R=P×C定级法作为风险评价的主要方法，具体风险评估流程如图4所示。

图4 施工前期风险评估流程图

2.2.2 风险评估

首先对施工风险进行辨识，确定需要考虑的风险事件。

（1）掘进风险。掘进中比较容易发生坍塌、涌水和涌砂，甚至较大的地面沉降，导致建筑物基础附近土体塌陷的严重后果；在砂卵石地层中，盾构推进姿态控制困难，若轴线控制不当，容易导致隧道轴线标高偏离设计线路过多或左右偏差过大，影响隧道的使用。

（2）机械设备风险。由于盾构始发后需经过较长距离掘进才能到达风道处，故长距离盾构施工会导致刀具、刀盘磨损较大，无法正常推进。此外，盾构在推进至风道之前，需通过可塑、硬塑状的黏土类地层，当通过黏土质砂土等黏土矿物含量超过25%的地层时，极易在盾构刀盘上和出土仓内结成“泥饼”。

（3）环境风险。在8号线车站附近，盾构推进施工影响范围内有多幢多层和高层建筑，且城市道路下均埋有一定数量的地下管线，地表环境较为复杂；隧道施工过程中不可避免地要对周围环境产生不利影响，如引起地层位移与变形，可能对邻近风道结构产生不利影响，可能引起风道沉降、倾斜、开裂甚至倒塌、损毁等。

（4）盾构始发、接收风险。盾构在中间风井始发后不久须下穿东南风道，之后再进入接收井。在盾构始发时，若盾构推力过大或受千斤顶编组影响，易造成后靠受力不均匀，产生应力集中，导致后靠和负管片间的结合面不平整；洞口土体加固强度太高，使盾构推进力提高，开始时后盾管片为开口环，上部后盾支撑尚未完成安装，千斤顶无法使用，故推力集中在下部，使盾构机产生向上的趋势。

在盾构穿越施工前，通过征求专家的意见，获得各风险事件的概率和后果等级，根据风险等级标准定义各风险事件的初始风险等级，通过采取相应的控制措施，降低或规避可能存在的风险，使之落入可接受范围内，并对残余风险等级进行相应评价。若风险等级不在可接受范围内，需进一步采取风险控制措施，使得残余风险落入可接受范围内，具体等级评定如表2所示。

表2 下穿段施工过程风险等级评估表

由以上分析可知，该下穿段的初始掘进风险等级为中度，机械设备风险为高度，环境风险与始发、接收风险等级均为极高，应引起高度重视。该区间被施工方列为环境一级风险源，必须采取处理措施以降低风险并加强监测。为此，对盾构施工引发的相关结构变形和内力进行分析评估，并给出相应的施工保护措施。

3 盾构下穿风道施工模拟

3.1 计算模型

为消除模型边界效应的影响，左右及底部边界距离隧道均大于3倍洞径18m，土体水平边界长度为65m，竖向边界长度约为52.5m，纵向边界长度为45m。计算模型的竖向边界约束水平位移、水平底部边界约束竖向位移，顶部是自由面，竖向及水平边界均设为不排水。

计算模型如图5所示，其中地基土和注浆层用实体单元模拟，管片和风道结构选用shell单元模拟。地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，注浆层和管片采用各向同性弹性模型。盾构下穿铁路桥段地下水位线距离隧道顶部约3.45m。为考虑地下水渗流与土体因开挖造成的应力状态改变之间的相互影响，采用可考虑岩土体流固耦合的软件进行计算，即将岩体视作等效连续的均匀多孔介质，流体在孔隙介质中的流动符合Darcy定律，同时满足Bi⁃ot方程。土层、管片、注浆层及风道结构的计算参数分别如表3～表5所示。

图5 隧道下穿风道计算模型图

表3 土体弹塑性单元计算参数

表4 弹性实体单元计算参数

表5 结构单元计算参数

3.2 计算工况

模型中隧道长45m，分8步开挖，前7步每步开挖约6m，第8步开挖3m，考虑注浆压力及浆液由初凝到终凝的过程，每开挖一次对掌子面施加面压力，模拟盾构对开挖面的支撑力。关于开挖面支护压力的设定，通过理论计算可知，隧道顶部支护压力为140kPa，中心处压力为177kPa，变化梯度为12.3kPa/m。

计算过程中，先分8次模拟开挖右线隧道、加支护压力、施加管片和注浆，然后再分8次模拟开挖左线隧道、加支护压力、施加管片和注浆，壁后注浆压力为522kPa。关于隧道壁后注浆的模拟，张云等[16]曾提出将其概化为一均质、等厚、弹性的等代层，如图6所示。在本文的计算模型中，将注浆层亦简化为等代层，其厚度为0.12m。为模拟注浆的固化过程，可将注浆压力从初始压力减小到零，注浆层强度由初凝强度的1/4逐渐增加到初凝强度，等盾构再向前开挖12m之后变为终凝强度。

图6 等代层示意图

4 计算结果分析

4.1 土体位移结果分析

左、右线隧道开挖后地层整体竖向位移云图如图7所示，右、左线盾构掘进后，最大沉降发生在右线隧道顶部，其值为6.937mm；最大隆起发生在右线隧道底部，其值为14.50mm。在风道纵向中心线所在断面上，土体的最大沉降值为3.85mm，最大隆起值为12.45mm。综上所述，盾构施工引起的地层竖向位移相对较小，所以选用的支护压力及注浆压力是比较合理的。但是，下部隧道开挖导致风道下方出现两个比较明显的下沉区域。

图7 左、右线隧道开挖后地层整体竖向位移云图

4.2 土体应力结果分析

图8为左、右线隧道均开挖完成后地层的最大应力云图。由图可知，由于隧道的开挖，土体的应力状态发生改变，盾构隧道周围土体表现出明显的局部应力集中，且在盾构隧道顶部与风道底部之间出现两个漏斗形的应力集中区域。

图8 左、右线隧道开挖后风道所在断面最大主应力云图

4.3 塑性区分布

图9为左、右隧道均开挖完后土体的塑性区分布图。图中shear表示土体发生剪切破坏；tension表示土体发生张拉破坏；p表示单元过去曾经处于屈服面上，而现在已经离开屈服面，处于弹性范围；n表示单元正处于屈服状态。

图9 左、右线隧道开挖后土体的塑形区分布图

由图9可知，有少量土体在施工过程中达到过屈服状态，但当右、左线隧道均开挖完后，只有一小部分土体仍处于屈服状态。值得一提的是，下部隧道开挖后，将导致其正上方的风道底部土体处于局部塑性状态，这就需要在施工前对此处土体适当加固。

4.4 风道变形

图10为风道结构竖向位移及变形示意图。

图10 风道结构竖向变形图（单位：m）

由图10可以看出，隧道开挖引起的风道最大沉降值为1.39mm，最大隆起值为1.18mm。隧道开挖后，风道结构中间一段顶板下沉，底板隆起，边上两段底板和顶板均隆起，使风道结构翘曲，并且靠近起始开挖面一侧风道竖向位移值较大，尽管风道结构发生了不均匀沉降变形，但是变形值相对较小，故对结构安全影响不大。

5 控制措施及施工监测

5.1 施工控制措施

（1）注浆预加固

盾构下穿风道前，采用二次深孔注浆对土体进行加固处理。二次深孔注浆即通过加强衬砌环管片（管片主筋由C20钢筋增强至C22）的吊装孔及新增注浆孔打设钢花管进行管片壁后注浆，每环加强衬砌环管片的吊装孔及新增注浆孔共有16个，沿圆周均匀布置。注浆范围为隧道拱顶外2m。

（2）控制盾构机参数

若盾构推力过大、推速快、出土率小，会使得土仓压力增大，这将对掘削面产生挤压而使其隆起和前移，从而引起周边土体隆起；若盾构推力过小、推速慢、出土率大，会使得土仓压力变小，这将引起掘削面塌陷，从而引起周边土体沉降。因此，为了更好地减小盾构施工对周围土体的扰动，需要严格控制盾构机参数，使土仓压力在1.0～1.5bar范围内，出土量为40m3/环，推进速度在35mm/min左右。

（3）二次注浆

施工中同步注浆后，需进行二次注浆补充管片外空隙。二次注浆压力应控制小于0.2MPa。采用隔环开孔、每环开两个孔（管片12点、4点位位置）的方式进行二次注浆，开孔深度以打穿同步注浆层为宜，约40cm。每个孔位注浆量控制小于0.5m3。注浆过程中遵循注浆量和注浆压力“双控制”的原则，但以压力控制为主，当压力过大时，即停止注浆。

5.2 施工监测

（1）监测点布置。采用精度为1.0mm的水准仪监测隧道周围1倍埋深范围内的风道沉降、差异沉降及风道旁土体沉降值。风道周围监测点布置如图11所示，其中三角形为监测点。风道上部监测点从左到右编号依次为GCY-24-01～GCY-24-05。

图11 监测点布置示意图

（2）监测标准。风道沉降与地表沉降的累计变化量小于15mm，速率小于2mm/d。

（3）监测结果。图12所示为左、右线施工完毕后风道上各测点的竖向位移值。由于左线盾构先完成推进，盾构机一直位于区间内，故左线附近的GCY-24-01～GCY-24-03测点沉降大于右线附近的GCY-24-04～GCY-24-05测点。其中GCY-24-01点沉降值最大为1.91mm，满足15mm的沉降累积值控制要求。

图12 盾构施工结束后风道各测点位移值

选取变形位移最大的GCY-24-01测点进行分析，得到竖向位移如图13所示。随着右线盾构隧道逐渐接近并通过该点所在截面，GCY-24-01沉降值呈先增大后减小的趋势，盾构机开挖时沉降增大，后续注浆沉降减小，与实际数据变化相符。沉降变形最大值为1.92mm，在控制范围内，大体变化趋势与数值模拟相似。

图13 盾构施工不同阶段GCY-24-01测点累计位移值

6 结论

本文结合北京地铁8号线下穿风道的工程实例，在对其施工风险进行评估的基础上，利用有限差分软件对盾构施工过程进行动态模拟，提出了指导本工程的风险控制措施，并得到以下结论。

（1）采用R=P×C法，对盾构下穿车站风道进行风险评估，该区间段被施工方列为环境一级风险源，必须采取风险处理措施以降低风险并加强监测，保证安全施工。

（2）数值模拟结果显示，盾构在穿越期间设置开挖面上部支护压力为140kPa，中心处压力为177 kPa，变化梯度为12.3kPa/m，壁后注浆压力为522 kPa，地层竖向位移相对较小，可满足施工对沉降的要求。

（3）在盾构隧道顶部与风道底部之间出现两个漏斗形的应力集中区域，两个区域下沉比较明显，需要引起注意。靠近起始开挖面一侧风道沉降较大，最大值为1.39mm，但是不均匀沉降变形值相对较小。

（4）监测结果表明，建筑物沉降值被控制在目标值范围内，处于安全状态，说明所采用的加固土体、控制盾构参数、加强二次注浆的控制措施能够有效减小对邻近风道的影响，可为同类地层盾构施工提供参考。