地铁盾构隧道下穿高铁桥风险控制技术体系研究

刘瑞琪，孙捷城

（1. 济南轨道交通集团有限公司，山东济南 250101；2. 济南交通发展投资有限公司，山东济南 250101）

1 背景

在我国地铁与高速铁路（以下简称“高铁”）大规模建设发展的背景下，施工风险与工程灾害逐渐受到重视。地铁工程设计与施工受建设空间狭小、周围管线密集、临近既有建（构）筑物高大等诸多条件的限制[1-2]，尤其在地铁与高铁的交汇区域，新建地铁隧道的施工必然会对既有高铁产生扰动影响，引起高铁桥的单桩沉降超标或连续桩基不均匀沉降等现象，严重威胁工程安全。

目前，在地铁盾构隧道下穿高铁既有线安全控制及风险防控方面已经取得了较多研究成果[3-8]，但关于盾构下穿高铁桥风险识别、评估及控制技术体系方面的研究尚为匮乏，亟需建立一套风险控制技术体系，制定相应风险清单及防控措施。

本文以济南地铁1号线盾构隧道近距离下穿京沪高铁桥为工程背景，从风险识别、风险评估、风险防控、风险监控4个方面建立盾构隧道小净距下穿高铁桥风险控制体系，为类似工程的灾变预防及风险控制提供技术指导及参考经验。

2 工程概况

济南地铁1号线盾构隧道在里程K29 + 283.03～K29 + 538.74处下穿京沪高铁桥，京沪高铁沿南北走向布置，为40 m + 64 m + 40 m预应力连续梁桥，运营速度为300 km/h，桥下采用低承台群桩基础。

1号线盾构区间左、右线分别以曲率半径为300 m、310 m从104#与105#桥墩间64 m桥跨斜穿京沪高铁桥。同时，2号线盾构区间由该桥跨正穿，其下穿位置关系如图1、图2所示。

盾构隧道采用单层钢筋混凝土装配式管片，型式为平板型，管片环分为6块，1块封顶块，2块邻接块，3块标准块。隧道外径6.4 m、内径5.8 m，管片衬砌厚0.3 m，管片宽度1.2 m。

3 盾构隧道下穿高铁桥风险控制体系

结合风险分析相关理论[9-11]及该工程盾构隧道下穿高铁桥风险特征，从风险识别、风险评估、风险防控、风险监控4个方面建立盾构隧道下穿高铁桥风险控制体系，其风险要素相互关系及体系架构如图3所示。

（1）风险识别。从盾构隧道、高铁桥及周边环境的整体系统角度，分析辨识下穿施工过程中可能遇到的潜在风险源、风险发生形式、风险发生原因及风险可能导致的后果，明确影响工程安全的关键风险，形成合理可靠的风险清单。

（2）风险评估。根据既有高铁桥的运营现状、安全控制等级、周边环境重要性、新建地铁的设计要求等方面，运用风险分析方法对风险源与风险事件发生的概率及其后果做出定量或定性的评价，确定各风险因素的判别等级，拟定风险控制指标及控制标准，为风险等级划分及综合评价提供科学依据。

（3）风险防控。对盾构下穿高铁桥施工过程中存在的潜在风险源进行防护与控制，制定安全合理的盾构掘进方案及掘进参数（如隧道开挖顺序、掘进速度等），进行主动支护防范（如隔离桩加固及地层注浆加固等），采用既有桥桩加固技术（如桩基换托、桥梁结构顶升等），也可对盾构施工进行动态过程控制，实现施工风险的分阶段精细化控制。

（4）风险监控。制定合理的监测方案对下穿段施工进行全面实时测量，根据监测结果及时调整盾构掘进参数，若监测结果达到相应的预警、报警值时，自动进行报警响应，启动相应的防控措施与应急预案，确保穿越段施工安全。

4 风险控制体系实施过程

从风险识别、风险评估、风险防控、风险监控4个方面详细说明风险控制体系的实施过程。

4.1 风险识别

结合该工程施工特点，建立盾构下穿高铁桥风险识别模型如图4所示，主要从以下几个方面进行风险识别。

4.1.1 新建盾构隧道状况

该工程盾构隧道采用土压平衡式盾构施工，穿越段1号线区间左、右线曲率半径分别为300 m、310 m，盾构曲线掘进内侧超挖较大、盾尾间隙增大，容易引发地层不对称变形、地层损失严重、高架桥桩沉降过大等安全风险。1号线左、右线埋深分别为28.35 m、19.22 m；2号线区间为直线穿越，左、右线埋深均为7.57 m，盾构施工埋深较浅易引起地表大幅变形，若盾构推力过大将引起地表隆起。

穿越段盾构掘进应平稳连续进行，严格控制盾构的轴线和纠偏量；控制盾构开挖面支护压力近似等于隧道中心埋深处的静止土压力。

4.1.2 既有高铁桥结构及运营现状

（1）高铁桥结构情况。穿越段京沪高铁桥104#承台和105#承台上部尺寸为20.6 m×7.5 m×3 m，下部尺寸为26.6 m×11 m×3 m；104#承台和105#承台下分别布置21根直径1.5 m的圆桩，桩长分别为45 m和42 m。联络线承台104#-1和承台105#-1上部尺寸为7.1 m×5.5 m×1.5 m，下部尺寸为9.1 m×9.1 m×2.5 m，其下分别布置9根直径1.25 m的圆桩，桩长分别为45 m和42 m。

（2）高铁桥运营现状评估。京沪高铁设计最高速度为380 km/h，当前运营速度为300 km/h，为双线电气化铁路，铺设无砟轨道及无缝钢轨。

京沪高铁运营期间在原设计荷载下最大差异沉降量为-3.8 mm，相邻桥墩的最大累积沉降量为-3.83 mm，满足TB 10621-2014《高速铁路设计规范》[12]规定的工后差异沉降量小于5 mm的要求。

4.1.3 盾构隧道与高铁桥空间位置关系

1号、2号线区间均从京沪高铁桥104#与105#桥墩间下穿，1号线穿越时左、右线隧道呈叠落姿态，最小净距为4.332 m，属于小净距叠落隧道，施工扰动显著，右线隧道掘进施工可能会对先前施工的左线隧道进行挤压，引起近接管片轴线偏移的安全风险。

2号线穿越时左、右线位于同一水平线上，净距为5.6 m，与1号线最小净距为7.25 m，施工时要尽量减少对既有隧道的应力扰动与结构变形。

1号线区间左、右线与104#桥墩最小净距分别为10.45 m、16.48 m，与105#桥墩最小净距分别为16.31 m、10.84 m；2号线区间左、右线与104#桥墩最小净距分别为15.81 m、27.81 m，与105#桥墩最小净距分别为30.80 m、18.79 m。高铁桥桩基落在新建隧道施工的影响范围内，必须采取相应的防护加固措施以减小隧道施工对高铁桥桩的扰动变形。

4.1.4 工程地质及周边环境风险

（1）工程地质及水文地质。穿越段地貌特征主要为山前冲洪积平原，该区域地层由上至下依次为杂填土、黄土、粉质黏土、细砂、粉质黏土、黏土、卵石、粉质黏土、中风化石灰岩，第四系覆盖层厚度大于50 m。该区域含水层主要为卵石层、细砂层等，局部具微承压性，在丰水期及枯水期地下水位有所变化。济南地区典型的厚冲洪积地层地质特征具有强烈的地异性，使其他地区的下穿施工工程经验不能完全适用。盾构掘进过程中要特别注意在细砂层与卵石层中的施工控制，该地层易引发开挖面滑移失稳、突水涌砂等工程灾害。

（2）周边环境风险。穿越段位于刘长山路与党杨路交汇位置，交通流量较大，周围重要建筑物有京福高速公路桥、回迁安置房小区、京沪高铁连续桥等，周边环境敏感性要求较为严格。盾构隧道施工造成的地表沉降、土体应力传递、施工噪声及用水污染、运输车辆扬尘等问题会对周围环境产生环境风险，应严格按照规范要求将周围环境影响降低到最小程度。

4.1.5 盾构下穿高铁桥风险清单

综合上述风险因素，结合该工程下穿施工过程可能遇到的风险情况进行风险预测，整理得到施工风险清单如表1所示。在系统调研分析目前国内盾构隧道下穿高铁桥工程的风险发生概率及灾害程度的基础上，初步确定各风险因素影响级别，并通过专家调查法（德菲尔法）将所列风险清单进行问卷调查，根据统计结果进行数据处理，确定其施工风险因素权重值，取风险清单的总风险指标为100，分别乘以一、二级权重系数，得到各风险因素的单项风险指标。

由表1可知，盾构隧道穿越高铁桥施工风险清单主要分为6类，细分为32项风险因素，各风险因素之间相互关联、相互影响，每项风险事件对应的概率也存在差异。根据各风险因素的风险指标值可知，桥桩单桩沉降过大、相邻桥桩差异沉降的风险指标值分别为8.46、7.55，为整个下穿施工过程中风险控制的关键点，应着重加强该2项风险因素的控制力度，采取科学有效的加固措施来控制其风险发生概率。

表1 盾构隧道下穿高铁桥施工风险清单及指标权重

4.2 风险评估

风险评估的主要内容是判断风险的发生概率和后果严重性。目前，风险评估主要分为2种途径，一种是通过对足够的已知数据分析来确定风险因素的分布规律，从而预测其发生概率、权重及后果进行风险定级；另一种是在缺少足够数据的情况下，由决策者或行业专家对风险概率和后果严重性进行主观估计，通过整理分析确定风险等级[13]。

由于目前国内盾构隧道下穿高铁桥的工程实例为数不多，其风险评估可参考的数据相对匮乏，因此主要通过主观估计的方法进行风险评定。

4.2.1 风险判别等级

对于盾构下穿高铁桥过程中的风险因素，需要确定风险因素的接受程度，必须预先制定明确的风险等级和接受准则。

假设总风险指标量为F，总风险因素个数为n，第i项风险因素的指标值为f1，则风险指标标准值为：

4.2.2 盾构隧道下穿高铁桥风险评估

根据表2的风险分级判别方法将盾构下穿高铁桥32项风险因素进行分级，其总风险指标量F= 100，则风险指标标准值各风险因素分级如表3所示。

表2 风险因素的判别分级

表3 风险因素分级及处理原则

（1）风险清单中的Ⅴ级风险包括：开挖面土压失衡、桥桩单桩沉降过大、相邻桥桩差异沉降、高铁轨道变形。针对该类风险，必须合理控制盾构推进速度和刀盘转速，注入优良的泡沫剂以改善开挖面土体和易性，确保盾构穿越施工过程中的开挖面稳定性；采用防护加固措施尽量减少盾构开挖对高铁桥桩基及轨道的变形扰动，控制其桩基沉降在安全范围内。

（2）Ⅳ级风险包括：地层变形过大。针对该类风险，盾构掘进过后要及时采取同步注浆、二次补强注浆等措施加固周围地层，减少盾构超挖地层损失；同时，在穿越过程中加强地表沉降监测，达到报警值时立即采取加固补强措施，防止地表发生较大变形沉陷。

（3）Ⅲ级和Ⅱ级风险较多，针对该类风险，需加强监控，实时了解其风险发展情况，若风险有进一步增大的趋势，应立即实施风险管理与防护控制。

（4）Ⅰ级风险包括：施工扬尘及噪声污染、地下水断流或污染、量测仪器损坏或精度不良、施工人员安全意识淡薄。该类风险发生的可能性相对较低，对周围环境及社会影响不显著，开展日常检查即可。

4.3 风险防控

风险防控是在风险识别与风险评估的基础上，针对工程中风险等级较高、事故后果严重的风险因素进行防范与调控，尽量减少或消除风险的发生概率及后果危害，是风险控制体系中最为关键的环节。

结合该工程风险特征，提出“避、防、抗、调、补”的风险防控主要实施思想，其具体含义如下：

（1）避：在工程可行性研究与决策阶段，通过变更方案或修改线路对潜在风险源进行规避，以免除可能发生的风险事故；

（2）防：在工程施工前，通过对风险源进行一定的主动预加固或隔离（如隔离桩、地表注浆加固、降水），防范风险事故发生；

（3）抗：在工程施工过程中，通过某些加固措施和控制技术（如提高支护刚度、增大管片厚度）来抵抗风险，尽量降低风险造成的危害；

（4）调：在工程施工过程中，通过实时监测或程序控制及时调整施工方案及施工参数（如掘进参数、注浆压力、施工步序），实现风险调控缓解，尽量减轻风险对周围的影响；

（5）补：在工程风险发生之后，通过采取一系列应急方案与补偿措施，使风险造成的损失减少到最低限度，防止事故危害的进一步扩大，对事故后果进行补救补偿。

4.4 风险监控

盾构下穿高铁桥实时监测可为盾构安全施工提供有效的数据信息与判断依据。该工程监测项目主要包括：桥墩水平和竖向位移、墩柱倾斜；轨道沉降变形；周边地表沉降；盾构管片结构竖向、水平位移及净空收敛；盾构管片结构应力等。在防护措施、盾构掘进施工过程及后期运营中对上述监测项目进行24 h自动化监测。

该工程下穿施工监测点布设如图5所示，现场监测表明，1号线盾构施工引起的桥墩最大沉降为0.32 mm，2号线施工引起的桥墩最大沉降为0.41 mm，均满足高铁桥变形控制1 mm的要求，验证了该工程风险控制技术体系的合理性，确保了盾构施工安全及既有高铁运营安全。

5 结论

（1）结合盾构隧道下穿高铁桥风险特征，从风险识别、风险评估、风险防控、风险监控4个方面建立了盾构隧道下穿高铁桥风险控制体系。

（2）从新建盾构隧道状况、既有高铁桥结构及运营现状、盾构隧道与高铁桥空间位置关系、工程地质及周边环境风险4方面建立了盾构隧道下穿高铁桥的风险识别模型；盾构隧道穿越高铁桥施工风险清单主要分为6 类，细分为32项风险因素。

（3）制定了风险判别等级和相应的接受准则，将风险因素划分为5个等级，确定出风险清单中的Ⅴ级风险包括：开挖面土压失衡、桥桩单桩沉降过大、相邻桥桩差异沉降、高铁轨道变形。

（4）提出“避、防、抗、调、补”的盾构隧道下穿高铁桥风险防控主要实施思想。