高压富水砂层超大直径盾构隧道下穿既有地铁影响分析和控制措施

彭沉彬 郭郅威 姜瑜 刘明高

1.北京市首发高速公路建设管理有限责任公司，北京 100071；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082

1 工程概况

北京市东六环（京哈高速—潞苑北大街）入地改造工程线路全长约16.3 km，设计车速80 km/h。全线分为直接加宽段和入地改造段。其中京津公路南至潞苑二街北区段为入地改造段，该段总长约9.2 km，以分离式隧道形式布置于六环路西侧绿化带内。

拟建隧道结构主体工程采用盾构法施工，盾构段全长7 346 m，两端以明挖暗埋段（闭合框架结构）及敞口段（U形槽结构）与地面道路顺接。盾构段隧道设计为单圆断面，衬砌外径D=15.4 m，内径14.1 m，采用壁厚0.65 m、环宽2.0 m的单层平板式钢筋混凝土通用楔形管片，以斜螺栓连接、错缝拼装成环。

拟建隧道穿越沿线众多既有风险源，包括道路9条、河道3处、铁路及轨道交通3处、燃气管线与既有建筑物多处。

1.1 下穿既有地铁6号线概况

拟建隧道与地铁6号线的位置关系如图1所示。拟建隧道在K9+730—K9+760段下穿地铁6号线北运河东站—郝家府站区间。该区间属地铁6号线二期工程，于2014年12月28日正式开通运营，采用8B编组，最高运营时速100 km。北运河东站—郝家府站区间［1］长527.671 m，最大线路纵坡为22.36‰，最小纵坡为5.00‰，竖曲线半径为5 000 m；左右线隧道结构水平净距为9 m，顶覆土埋深约9 m。该隧道采用盾构法施工，结构外径6.0 m，内径5.4 m，管片厚度t=0.3 m，环宽1.2 m，分块数6块，采用错缝拼装；管片为C50钢筋混凝土，抗渗等级P10；管片连接螺栓为C级M24，性能等级5.6级。

图1 拟建隧道与地铁6号线位置关系

拟建隧道顶距离地铁6号线区间盾构结构底约20.5 m（1.3D），平面夹角约83°。

1.2 地质条件

拟建场地处于北京市通州区东部，该区域大部分位于潮白河、温榆河近代冲积平原，地形地貌较简单，地势较平坦，场地标高19.85~26.08 m，地面坡度小于8°，其上部均有较厚的新近沉积土层，以粉土及黏性土交互层为主，下部为粉砂层。地层分人工堆积层（素填土）和第四纪沉积层。根据勘察资料［2］，穿越段盾构隧道顶部地层为填土、粉土、粉质黏土、细砂、中砂层；拟建隧道位于细砂、中砂、粉质黏土层［参见图1（b）］。

①素填土。褐黄色，稍湿～饱和，稍松～中密，以亚黏土、亚砂土、细砂为主，含有少量砖渣、灰渣，局部顶层为杂填土。厚度1.20~8.60 m。

②层粉、细砂。褐黄色、灰色，灰黑色，中密～密实，潮湿～饱和。标高6 m以上，标准贯入试验锤击数较低，砾砂及卵石含量较少，密实度较差，为中密；标高6 m以下，标准贯入试验锤击数较高，砾砂及卵石含量较多，密实度较好，为密实。成分由石英、长石组成，夹有②⁃1亚黏土层。层厚21.20~37.40 m。

②⁃1亚黏土。灰色，饱和，软塑～硬塑，含有云母、有机质、姜石，局部夹有亚砂土层。层厚1.60~9.40 m。

③亚黏土。灰色，饱和，硬塑，含有云母、有机质、姜石，局部夹有亚砂土层。层厚4.40~10.00 m。

③⁃1细砂。灰色，中密～密实，饱和，由石英、长石组成，含有云母。层厚2.20~6.20 m。

④细、中砂。灰色，密实，饱和，由石英、长石组成，含有云母、砾砂、卵石。层厚5.50~8.00 m。

⑤砾砂。杂色，密实，饱和，由石英、长石组成，含有卵石、中砂，卵石最大粒径2~4 cm，卵石成分以火成岩为主，亚圆形。钻至深度60.00 m时仍为此层。

参考DB 11/1067—2014《城市轨道交通土建工程设计安全风险评估规范》，盾构下穿该地铁6号线区间段，环境风险等级为特级。

2 数值模拟

2.1 基本假定

1）假定盾构掘进过程中周围的土体相对静止，盾构每次向前推进的长度取2 m，即1个管片单元。

2）考虑到盾构的刀盘外径大于盾构机的外径，在盾构机外围有一定厚度的间隙，通过参考相关文献并考虑工程实际情况，采用开挖后隧道应力释放来模拟空隙对沉降的影响，应力释放率取20%。

3）盾构管片的拼接方式采用错缝拼接，纵向刚度较大，因此不考虑管片接头及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的影响。

2.2 模型建立

拟建隧道衬砌结构采用板单元模拟，板单元厚度为0.65 m；既有地铁6号线衬砌结构采用板单元模拟，板单元厚度为0.3 m。在有限元软件MIDAS/GTS/NX中，模拟隧道结构的板单元等效为各向同性弹性材料。考虑盾构管片接头的存在，对盾构管片的刚度进行折减，折减系数取0.85，弹性模量取30 GPa。

模型将土体简化为8层，均采用实体单元模拟，土体等效为各向同性材料，其本构模型采用D⁃P模型。根据实际地质情况并参考以往施工经验，三维计算模型上边界取到地表，竖向取70 m，宽度取140 m（盾构隧道两侧各3D），纵向取52 m（地铁6号线两侧各取约3D）；地铁6号线埋深约为9 m，拟建隧道埋深约为35 m。模型以左下角为原点，水平向右为x轴方向，沿隧道轴向向内为y轴正方向，垂直向上为z轴正方向，整个模型在x、y、z方向大小分别为140、60、70 m。模型共划分网格单元406 691个，节点72 704个。

有限元模型上表面为地表自由面，不设置约束，侧面施加水平约束，底部施加竖向约束。模型网格划分采用自动划分四面体网格。竖直方向应力按土层自重应力，水平方向应力按照自重应力的侧压力系数换算。

2.3 数值模拟步骤

模型初始平衡后，6号线衬砌在初始阶段激活，开始进行拟建盾构隧道的开挖。采用动态模拟，具体过程为：冻结需要开挖的土体单元，模拟盾构开挖；激活相应的管片单元，模拟管片衬砌。通过冻结开挖土体、激活管片单元模拟盾构机开挖过程、盾构管片拼装等关键步骤，相同步骤多次循环进行直到隧道贯通。由北向南掘进，2 m为1个开挖步，两条隧道掘进共分为52个开挖步。

3 计算结果分析

3.1 位移分析

模型中地表最大沉降处对应的横向沉降槽曲线见图2。可知，地表最大沉降为3.19 mm，横向沉降槽约为双线隧道各自中轴线两侧各30 m范围，且沉降较大范围主要集中在双线隧道各自中轴线两侧20 m范围内。

图2 地表最大沉降处的横向沉降槽曲线（单位：m）

地铁6号线衬砌横向沉降槽曲线见图3。可知，盾构隧道开挖过程中，地铁6号线区间隧道顶部产生一定沉降，右线最大沉降为3.07 mm，左线最大沉降为2.82 mm，均满足GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》既有轨道交通隧道结构变形控制要求。

图3 地铁6号线衬砌横向沉降槽曲线（单位：m）

3.2 应力分析

根据应力计算结果，开挖过程中拟建隧道周边没有出现明显的塑性区。

综上，拟建隧道下穿地铁6号线施工过程中，地表沉降及6号线衬砌结构沉降均在变形控制标准内且影响不大。

4 工程控制措施

4.1 设计原则

1）盾构法施工地下工程要严格控制施工中引起的地面沉降量。对建筑物允许产生的沉降量和次应力，应根据不同建筑物按有关规程、规范及要求予以验算。

2）通过工程类比、数值模拟、解析法等分析并制定合理的控制指标。

3）加固设计采取地面与地下相结合的原则。

4）采用信息化设计和施工方法，并建立相应的监控量测和信息反馈制度。

4.2 位移控制指标及措施

根据相关安全性分析结论及GB 50446—2017《盾构法隧道施工及验收规范》、DB 11/T 915—2012《穿越城市轨道交通设施检测评估及监测技术规范》等规范要求，提出下穿地铁6号线位移控制标准，见表1。

表1 下穿地铁6号线位移控制标准

借鉴国内尤其是北京地区盾构隧道下穿轨道交通类似条件下的成功工程实践［3-9］，在东六环改造项目拟建盾构隧道下穿既有地铁6号线的工程中，主要采用以下控制措施。

1）在盾构机穿越地铁6号线前设置一定长度的试验段，对盾构掘进参数进行全面试验与总结。同时做好监测点布设，并取得原始数据。

2）盾构隧道下穿地铁6号线及其影响段采用加强管片配筋形式，预留管片应急注浆孔。

3）严格控制盾构掘进姿态，及时调整泥水压力，减小对土体的扰动，做到连续、均衡、平稳推进。

4）通过盾构机壳体上的径向预留孔向外侧注入高浓度泥水材料及水玻璃浆液，尽可能多点同时注入以便及时填充开挖直径和盾体之间的空隙。

5）盾构施工注意控制掌子面压力，及时填充开挖断面和隧道的空隙，减少盾构掘进的影响。选取快凝、早强、渗透好、止水性强的同步注浆材料，确保很好地起到填充、隔水作用。

6）管片脱离盾尾数环起，应及时进行二次补注浆及多次补注浆，注入量及注浆压力由施工单位根据现场实际情况进行控制。

7）合理进行盾构机姿态调整，应当采取勤纠偏、小纠偏方式，降低超挖量，合理排布管片，确保盾尾与管片的间隙均匀合理，避免间隙偏差过大造成漏水。

8）加强管片拼装质量控制。主要控制管片的纵向、环向错台，控制管片的椭圆度不超差，同时注意保护管片胶条的完整。

9）开展管片背后注浆填充效果监测，注浆效果达不到设计要求时应及时补充注浆。

10）盾构掘进施工过程中，加强地铁区间结构与轨道、地表等监测，必要时进行跟踪注浆加固。

5 结论

1）拟建盾构隧道下穿地铁6号线时，地表沉降及6号线衬砌结构沉降均在变形控制标准内，且影响不大，安全风险可控。

2）参照北京地区类似工程经验，拟建盾构隧道通过设置试验段、加强中盾注浆、控制掘进姿态、加强监测、做好地铁轨道防护等措施可大幅降低相关施工风险。