某地鐵暗挖隧道與盾構(gòu)隧道并行區(qū)段安全風(fēng)險(xiǎn)管控與對(duì)策研究

袁 斌

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

城市軌道交通工程安全風(fēng)險(xiǎn)管控具有重要意義，主要有以下幾點(diǎn)：首先，可以有效遏制事故發(fā)生，消除安全隱患；其次，促進(jìn)參建單位加強(qiáng)安全生產(chǎn)工作，牢固樹(shù)立安全發(fā)展理念，緊抓現(xiàn)場(chǎng)安全隱患排查治理，制定切實(shí)有效的安全管理措施；第三，建立各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)防范和監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警機(jī)制，盡早把隱患消除在萌芽狀態(tài)，防止隱患滋生蔓延，確保施工安全可控。因此，對(duì)暗挖隧道與盾構(gòu)隧道并行區(qū)段的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、分析、評(píng)估和對(duì)策研究，為類似工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考經(jīng)驗(yàn)，制定科學(xué)經(jīng)濟(jì)可靠的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，具有理論實(shí)踐需要。

1 工程概況及施工進(jìn)展情況

1.1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)隧道穿越地層以強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及中風(fēng)化粉砂巖為主，局部為卵石。盾構(gòu)區(qū)間周邊環(huán)境存在大量老舊民房、老舊建筑，穿越停車場(chǎng)出入線暗挖隧道（拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m）以及4 次穿越排洪溝。停車場(chǎng)出入線暗挖隧道與區(qū)間盾構(gòu)隧道出口段呈平行關(guān)系，兩隧道距離較近范圍長(zhǎng)45m，與暗挖隧道開(kāi)挖輪廓線凈距為1.26～4.45m。停車場(chǎng)出入線暗挖隧道與區(qū)間盾構(gòu)隧道平面關(guān)系和暗挖隧道結(jié)構(gòu)完成情況如圖1 所示。

圖1 暗挖隧道與盾構(gòu)隧道平面關(guān)系

1.2 工程水文、地質(zhì)情況

暗挖段的地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石，局部含漂石。地下水類型為潛水，地下水埋深9.6～16.4m，含水層主要為卵石層，潛水含水層厚度為2.9～14.7m。卵石下的粉砂巖透水性較差，但強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及中風(fēng)化粉砂巖由于成巖性較差，裂隙較發(fā)育，層內(nèi)存在裂隙水，并與潛水相連通。

地質(zhì)勘探深度50m 范圍內(nèi)的地層主要為第四系人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積黃土狀土、卵石及下第三系漸新統(tǒng)粉砂巖組成。雜填土：以粉土為主，含大量建筑垃圾，生活垃圾、植物根系等，層厚0.5～6.0m；粉土素填土：主要成分以粉土為主、含零星礫石、磚屑、炭渣及白灰等，層厚0.5～7.0m；黃土狀土：主要成分為粉土，小孔隙發(fā)育，含鐵錳質(zhì)斑紋，云母碎屑，零星小結(jié)核，層厚1.0～13.5m；卵石：密實(shí)，顆粒母巖成分以花崗巖、石英巖為主，磨圓度較差，呈次圓狀～次棱角狀，分選性一般；強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，礦物成分以石英為主，巖芯破碎，成巖作用差，天然狀態(tài)力學(xué)性質(zhì)較好，浸水或擾動(dòng)易崩解呈散沙狀，暴露地表后極易風(fēng)化，層厚3.6～11.9m；中風(fēng)化粉砂巖：細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，礦物成分以石英為主，巖芯較完整，成巖作用差，浸水后崩解，暴露地表易風(fēng)化。

1.3 地下管線

公交五公司站東端主要存在燃?xì)?、給水、雨污水等管線。主要管線：燃?xì)夤蹹N200 中壓管（頂埋深1.6m）、DN200 低壓管（頂埋深1.6m）；DN600 給水管(埋深2.1m)；雨污水管DN600(埋深3.0m)；污水管DN300(埋深2.1m)；DN400 高壓管（頂埋深1.8m）。

1.4 施工進(jìn)展情況

暗挖隧道出口段中導(dǎo)洞及中隔墻襯砌已完成，右邊洞上、下臺(tái)階開(kāi)挖完成，左邊洞上臺(tái)階剩余30m 未開(kāi)挖完成、左邊洞下臺(tái)階未開(kāi)挖。暗挖隧道結(jié)構(gòu)完成情況如圖2 所示。因前期多方面影響導(dǎo)致暗挖隧道出口段右邊洞襯砌未施工完成，現(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間隧道即將穿越暗挖隧道平行段。

圖2 暗挖隧道結(jié)構(gòu)完成情況

2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析

對(duì)暗挖隧道與盾構(gòu)隧道并行區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)從工程自身風(fēng)險(xiǎn)和周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)兩個(gè)方面進(jìn)行辨識(shí)。工程自身風(fēng)險(xiǎn)主要有紅砂巖地層盾構(gòu)施工、暗挖隧道掌子面穩(wěn)定、平行區(qū)段近距離施工交互影響。紅砂巖地層裂隙較發(fā)育，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中正常擾動(dòng)易使圍巖迅速產(chǎn)生液化、呈流塑狀，易出現(xiàn)螺旋機(jī)噴涌及超方現(xiàn)象，加之復(fù)雜的周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅地面人員、建筑安全。暗挖段隧道掌子面主要為黃土狀土與卵石層，地層自穩(wěn)能力較差，且部分位于地下水位以下，隧道開(kāi)挖過(guò)程中存在滲水、坍塌風(fēng)險(xiǎn)。盾構(gòu)隧道與暗挖隧道平行約45m，間距1.26～4.45m，右線下穿停車場(chǎng)出入線暗挖隧道，拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m，盾構(gòu)隧道與暗挖隧道施工過(guò)程中可能出現(xiàn)圍巖變形過(guò)大、坍塌、相互影響。周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為地面管線破裂、市政道路沉降、周邊建筑物沉降開(kāi)裂。

通過(guò)調(diào)查研究，對(duì)紅砂巖地層盾構(gòu)施工、暗挖隧道掌子面穩(wěn)定、地面管線破裂、市政道路沉降、周邊建筑物沉降開(kāi)裂在之前的施工過(guò)程中已進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)管控，制定了科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)措施，而對(duì)平行區(qū)段近距離施工交互影響這一特殊風(fēng)險(xiǎn)研究制定對(duì)策措施是極為重要的。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

由于盾構(gòu)施工過(guò)程將引起地層移動(dòng)而導(dǎo)致不同程度的地面沉降或隆起，也會(huì)影響鄰近地面構(gòu)筑物及地下結(jié)構(gòu)物的正常使用。因前期多方面影響導(dǎo)致暗挖隧道出口段右邊洞襯砌未施工完成，盾構(gòu)區(qū)間隧道即將穿越暗挖隧道平行段。通過(guò)查閱專家意見(jiàn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，對(duì)平行區(qū)段近距離施工交互影響采用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制和暗挖隧道加固。

3.1 暗挖隧道加固

盾構(gòu)施工威脅地面建筑物及地下結(jié)構(gòu)物的安全，加之暗挖隧道未完全施工完成，因此必須采取有效的技術(shù)安全措施對(duì)暗挖隧道襯砌進(jìn)行加固，研究對(duì)平行段45m 范圍內(nèi)暗挖隧道采用徑向注漿、套拱及橫撐兩項(xiàng)加固措施。

徑向注漿：在平行段范圍內(nèi)采用徑向注漿方式對(duì)盾構(gòu)與暗挖隧道間土體進(jìn)行加固處理，注漿管長(zhǎng)度2.5m，環(huán)向間距1.2m，豎向間距1.2m，采用水泥漿注漿，注漿管采用φ32×3.25 鋼焊管。

套拱及橫撐：對(duì)已開(kāi)挖完的右線邊洞進(jìn)行套拱及恢復(fù)橫撐，中導(dǎo)洞中隔墻兩側(cè)橫撐恢復(fù)。套拱及橫撐均采用I18 工字鋼，布置間距為洞口3m 段每榀間距1m，其余段間距2m。套拱采用I18 工字鋼工廠彎制，分4 節(jié)，接頭設(shè)10mm 厚連接鋼板，4 顆22螺栓栓接。橫撐現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)長(zhǎng)度進(jìn)行切割安裝，高度與左線臨時(shí)仰拱在同一高程，間距同套拱距離。

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)堅(jiān)持“控制擾動(dòng)，安全、連續(xù)、勻速通過(guò)”的作業(yè)原則，通過(guò)控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和注漿參數(shù)來(lái)減少對(duì)地層擾動(dòng)和地層損失。本段區(qū)間隧道掌子面地層以強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及中風(fēng)化粉砂巖為主，局部為卵石，水位埋深較淺，圍巖穩(wěn)定性較差，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程應(yīng)優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)格控制推進(jìn)速度和推進(jìn)壓力，避免對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)、擠壓變形，而引起地面變形或坍塌、地面噴漿冒砂現(xiàn)象；盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整采用勤糾緩糾原則，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，避免因較大幅度糾偏對(duì)盾構(gòu)機(jī)鉸接壓力、推進(jìn)油缸推力分布、成型管片質(zhì)量、地層擾動(dòng)產(chǎn)生較大影響；嚴(yán)格出土量管理，每環(huán)出土量根據(jù)盾構(gòu)下穿地層進(jìn)行量控，做到進(jìn)尺與出渣量相匹配；通過(guò)渣土改良有效控制出渣量，加強(qiáng)同步注漿及二次注漿，保證盾體和地層之間縫隙填充飽滿，有效的控制地層沉降；在穿越卵石、粉砂巖交錯(cuò)位置時(shí)，需調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，防止偏心，嚴(yán)格控制施工中的偏差量；若有過(guò)大變形，應(yīng)及時(shí)找出原因，采取有效措施阻止變形的進(jìn)一步發(fā)展，避免出現(xiàn)重大險(xiǎn)情。

4 模擬計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

針對(duì)暗挖隧道與盾構(gòu)右線出口平行段初支結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行受力變形計(jì)算。借助有限元軟件建立包含地層、已建成左線盾構(gòu)隧道、已建成暗挖隧道和擬施工右線盾構(gòu)隧道的三維數(shù)值模型，計(jì)算時(shí)充分考慮初支內(nèi)部的鋼架配筋、套拱、橫撐等加固措施。暗挖隧道與盾構(gòu)右線出口平行段初支結(jié)構(gòu)受力計(jì)算采用abaqus 程序。整體模型、隧道模型、初支配筋模型、右洞橫撐及套拱模型和中洞橫撐模型分別建模，其中，整體模型尺寸為60m×35m×22m，開(kāi)挖方向自隧道最小凈距（1.26m）處向后取22m，考慮了三條隧道在空間上的位置關(guān)系特征。整體模型如圖3 所示、隧道結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖3 整體模型

圖4 隧道結(jié)構(gòu)

4.2 材料參數(shù)

暗挖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C25 混凝土，二次襯砌采用C45 混凝土，盾構(gòu)隧道采用C50 混凝土。初支鋼架、橫撐為鋼材，具體規(guī)格按設(shè)計(jì)要求取值。地層從上至下分別為填土、黃土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖，各土層物理力學(xué)參數(shù)按勘察設(shè)計(jì)報(bào)告取值。

4.3 掘進(jìn)參數(shù)

數(shù)值分析過(guò)程中，右線盾構(gòu)隧道第一步掘進(jìn)1.6m，剩余每步掘進(jìn)1.2m。參考既有掘進(jìn)參數(shù)記錄表，取記錄最大值13900kN 作為數(shù)值分析模型施加的盾構(gòu)掘進(jìn)推力。

4.4 計(jì)算結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，得出主要結(jié)論如下：

1）暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)Mises 應(yīng)力最大值為6.53MPa，最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）最大值為1.87MPa，最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）最大值為-7.64MPa。右線盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)受力有所減小，其中最關(guān)鍵的最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）最大值由1.87MPa 逐漸降低至1.77MPa。

2）暗挖隧道初支橫向變形最大值分別為1.881mm和-7.086mm（負(fù)號(hào)表示遠(yuǎn)離右線盾構(gòu)的方向），豎向變形最大值分別為5.685mm 和-2.445mm（負(fù)號(hào)表示豎向向下）。右線盾構(gòu)開(kāi)挖導(dǎo)致暗挖隧道受到了一定的擠壓作用，總體上表現(xiàn)為遠(yuǎn)離右線盾構(gòu)方向的變形。

3）暗挖隧道初支初支鋼架拱頂位置的Mises 應(yīng)力最大值達(dá)到401.8MPa，已達(dá)到屈服狀態(tài)，但其余部位鋼架均處于正常受力階段，未達(dá)到屈服。

4）暗挖隧道右洞套拱及橫撐的Mises 應(yīng)力最大值為143.4MPa，最大軸向壓力為320.9kN，鋼架及橫撐均處于正常受力階段，未達(dá)到屈服。

5）暗挖隧道中洞橫撐的Mises 應(yīng)力最大值為209.3MPa，最大軸向壓力為172.9kN，橫撐均處于正常受力階段，未達(dá)到屈服。

6）左線盾構(gòu)隧道的Mises 應(yīng)力最大值為15.07MPa，最大主應(yīng)力（拉應(yīng)力）最大值為4.784MPa，最小主應(yīng)力（壓應(yīng)力）最大值為-16.06MPa。右線盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)受力有所降低。

7）左線盾構(gòu)隧道橫向變形最大值分別為0.962mm和-1.923mm（負(fù)號(hào)表示遠(yuǎn)離右線盾構(gòu)的方向），豎向變形最大值分別為0.964mm 和-1.034mm（負(fù)號(hào)表示豎向向下）。右線盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中已建成左側(cè)盾構(gòu)隧道收斂變形有所減小。

總體而言，在現(xiàn)有加固方案基礎(chǔ)上進(jìn)行右線盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工時(shí)，暗挖隧道初支結(jié)構(gòu)滿足安全控制要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)掘進(jìn)施工前，通過(guò)周邊環(huán)境調(diào)查、地質(zhì)核查、專家評(píng)估等對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)一步評(píng)估，識(shí)別暗挖隧道與盾構(gòu)隧道并行區(qū)段存在的主要風(fēng)險(xiǎn)，剔除以往施工已進(jìn)行研究的風(fēng)險(xiǎn)因素，研究制定特殊地質(zhì)條件下平行區(qū)段近距離施工交互影響風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，采用模擬力學(xué)計(jì)算進(jìn)行對(duì)策有效性研究，為工程施工決策提供理論依據(jù)。通過(guò)事前、事中、事后等控制措施，采取了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制和暗挖隧道加固措施，雖發(fā)生地表沉降黃色預(yù)警和橙色預(yù)警，預(yù)警發(fā)生后通過(guò)地表預(yù)留注漿孔進(jìn)行地表深孔注漿、洞內(nèi)二次注漿及徑向環(huán)箍注漿等措施，暗挖隧道洞內(nèi)襯砌變形控制在5mm 以內(nèi)，未產(chǎn)生建（構(gòu)）物沉降、傾斜、開(kāi)裂等有風(fēng)險(xiǎn)事件，順利通過(guò)暗挖隧道并行段并安全接收。