新建地铁盾构近距离穿越在运营地铁线路风险控制研究

文｜北京城建设计发展集团股份有限公司 尉婧明

引言

随着北京地铁网络化的不断发展，新建盾构区间近距离下穿既有运营线盾构区间的情况逐渐增多，此类穿越工程安全控制风险高、难度大，这对轨道交通新线建设单位及既有线运营管理单位提出了更高的挑战。本文依托北京市轨道交通17 号线盾构区间近距离下穿既有机场线盾构区间工程项目，系统梳理工程风险并进行识别及数值分析，总结了整套近距离盾构下穿的风险控制措施，通过分析新建盾构穿越施工全过程既有线实测沉降数据的变形规律，研究风险控制措施的效果及作用。

1 工程概况

新建北京地铁17 号线工人体育场站～香河园站盾构区间下穿首都机场线东直门站～三元桥站段盾构区间，穿越段新建区间左线曲线半径420m，右线曲线半径350m。新建盾构区间片外径6.4m，内径6.0m，管片厚度300mm。主要穿越地层为中砂⑦1、圆砾⑦及粉质粘土⑧层。既有盾构区间管片外径6m，内径5.4m，管片厚度300mm。新建左线区间与既有区间垂直净距为2.956m，右线区间与既有区间垂直净距为2.941m。

图1 新建区间与既有地铁位置关系总平面

图2 新建隧道与既有地铁位置关系剖面图

首都机场线采用直线电机轨道结构形式,主要由整体道床、走行轨、感应板、弹性扣件组成。既有地铁机场线结构变形控制标准按轨道变形控制，相对于一般地铁线路更加严格。由于受到感应版供电系统影响，既有轨道结构无法采用护轮轨及轨距拉杆等常规的轨道加固措施。

2 穿越工程风险控制思路

本工程穿越风险控制的研究思路如图3。

3 穿越工程数值模拟分析

3.1 土体材料参数

本构模型采用D-P 弹塑性模型，参数如表1所列。

图3 穿越工程风险控制研究思路

图4 计算模型范围及模型相对位置关系图

图5 既有区间结构预测变形结果（mm）

3.2 模型建立

土体单元选用混合四面体三维实体单元。土体模型边界选用地面支承边界。模型范围为区间两侧边界土体取的4 至5 倍洞径，底部取3 倍洞径。

3.3 预测分析

既有区间竖向预测位移整体表现为下沉，变形量自邻近下穿位置至远离下穿位置两侧逐渐减小，且各部位累计沉降值随施工进行逐步增大，新建区间盾构掘进至既有线下穿部位时沉降速率明显加快，穿越过后沉降速率降低；最大沉降发生在全部施工完成后区间中部底板部位；竖向变形最大值为-1.834mm。单线穿越沉降槽范围约两侧各30m，双线穿越整体影响范围约100m。

4 盾构穿越成套风险控制措施

通过对穿越风险点的识别与数值模拟分析，针对本项目研究总结的风险控制措施如下：

（1）设置盾构穿越试验段。为总结盾构施工掘进参数、渣土改良、出土量控制、同步及二次注浆等施工参数，减小盾构施工对既有机场线造成的影响，在盾构隧道通过既有线段前进行试验段掘进，试验段施工完成后，满足设计及沉降要求再进行下穿施工。

（2）采用克泥效辅助措施。为填充盾构机开挖过程中地层与盾体之间空隙，在盾构机刀盘进入既有机场线区域范围时，通过盾体径向孔注入高黏度塑性的胶化体，对盾体前行起到润滑减阻并对盾体与土体间隙起到填充支护的作用，可有效的防止注浆填充之前盾体上部土体的沉降，从而减小既有运营线路沉降。

（3）穿越施工前，对既有线区间隧道及轨道采取第三方监测措施，建立完善的监控系统，进行系统全面的跟踪监测，密切关注区间施工对既有线的影响，达到信息化指导施工的目的。

5 既有线监测总结

盾构穿越既有线关键阶段主要包括刀盘进入、盾体通过、盾尾脱出、二次补浆四个阶段。通过分析新建17 号线左线依次穿越既有机场线上行线及下行线施工既有线监测数据可知，盾构刀盘进入前，既有盾构区间略有上浮，上浮量约0.2mm。刀盘进入区间后，既有盾构区间开始呈沉降趋势，引起既有线阶段沉降量约1.0mm。盾体通过阶段，引起既有线阶段沉降量约0.5mm。盾尾脱出后，既有盾构区间持续沉降，二次补浆跟进前阶段沉降量约1.0mm，二次补浆及时跟进后既有盾构区间沉降稳定。

根据表2可知，刀盘进入及盾体通过阶段的沉降占比约50%，盾尾脱出后沉降持续发展，二次补浆跟进前沉降占比约50%。二次补浆跟进控制可有效的遏止既有线的持续沉降，并有约+0.5mm 的控制效果。

表1 土体单元参数表

表2 穿越各关键阶段既有线沉降统计表（单位：mm）

6 风险控制措施效果分析

通过分析盾构穿越各关键阶段既有线监测结果，总结出穿越工程风险控制措施效果如下。

（1）根据试验段前地表沉降差异可知，通过数据反馈后优化盾构掘进参数，并采取克泥效填充后，地表沉降得到显著控制。对穿越既有线沉降控制而言，掘进参数的调整及克泥效的应用主要作用在刀盘进入及盾构通过阶段，合理的盾构掘进参数及克泥效对盾体前行润滑减及间隙填充，可有效的控制刀盘进入及盾构通过阶段既有线沉降，是既有线最终变形控制的关键手段。

（2）根据既有线第三方监测总结可知，盾尾脱出后既有线沉降持续发展。此阶段为沉降发展及控制的难点，沉降集中发生，但通过同步注浆，系统可以在出土间歇反复加压控制脱出沉降累计值，此时沉降波动较大，也是对既有线影响最敏感阶段。

同步注浆在脱出盾尾的管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙，支撑管片周围岩体，可达到尽快稳定地层减少扰动与下沉量的效果。

（3）盾尾脱出后既有线沉降持续发展，通过预留的球阀对已通过的管片进行二次补浆，可有效的制止沉降持续发展的趋势。根据既有线监测数据可知，二次补浆做为施工干预控制手段，施工干预控制精度在0.5mm 左右。

7 结论与建议

通过对既有在运营地铁线路监测数据的总结验证，新建盾构隧道近距离穿越在运营地铁线路工程的成套风险控制措施可操作性强、可靠程度高，可对后续类似穿越工程提供技术及管理方面的借鉴及参考。