盾构近距离上跨既有线风险评估研究_张强.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-08-30 修回日期:2023-02-27 第一作者:张强，男，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通安全风险研究， 引用格式:张强，米保伟，王术明.盾构近距离上跨既有线风险评估研究J.都市快轨交通，2023，36(3)：22-28.ZHANG Qiang,MI Baowei,WANG Shuming.Risk assessment of shield tunnel crossing in close proximity to existing linesJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):22-28.22 城市轨道交通建设安全专辑URBAN RAPID RAIL TRANSIT doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.004 盾构近距离上跨既有线风险评估研究 张 强1,2，米保伟1,2,3，王术明1,2（1.北京安捷工程咨询有限公司，北京 100050；2.城市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室，北京 100037；3.北京城建设计发展集团股份有限公司西安分公司，西安 710016）摘 要:为研究城市轨道交通隧道间近距离穿越工况风险，以青岛地铁 6 号线峨富区间盾构隧道上跨既有 1 号线峨石区间隧道工程为例，该工程具有超浅埋、上软下硬地层、近距离上跨既有线等工程特点，通过有限元计算分析峨富区间盾构施工对峨石区间隧道结构变形影响，提出盾构施工风险管控对策，并在实际施工过程中实时比对计算结果。研究表明：峨富区间盾构施工过程中，峨石区间隧道结构变形较小，采取地层预加固、试验段先行、自动化监测综合控制对策，盾构上跨顺利通过，过程中峨石区间隧道结构各项位移值均为正常，最大位移值约为 1 mm，为计算值的 1.5 倍。此研究成果可为今后类似工程提供参考。关键词:城市轨道交通；超浅埋盾构隧道；上软下硬地层；近距离上跨；有限元计算；控制对策 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0022-07 Risk Assessment of Shield Tunnel Crossing in Close Proximity to Existing Lines ZHANG Qiang1,2,MI Baowei1,2,3,WANG Shuming1,2(1.AGILETECH Engineering Consultant Co.,Ltd.,Beijing 100050;2.National Engineering Lab for Green&Safe Construction Technology in Urban Rail Transit,Beijing 100037;3.Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.,Ltd.,Xian Branch,Xian 710016)Abstract:As the scale of urban rail transit networks expands,the number of short-distance tunnel crossings has increased.The shield tunnel for the Qingdao Metro Line 6 E-Fu section crosses the existing Line 1 E-Shi section tunnel,characterized by ultra-shallow burial,soft upper,and hard lower formations,in close proximity to the existing line.The impact of shield construction on the structural deformation of the E-Shi section tunnel was analyzed,and risk control measures for shield construction were studied via finite element analysis(FEA)method.A real-time comparison was conducted during the actual construction process.The results indicated that the structural deformation of the E-Shi section due to the shield construction of the E-Fu section was minimal.Comprehensive control measures,including stratum pre-reinforcement,first test section,and automatic monitoring,ensured a smooth shield crossing.During this process,all displacement values of the E-Shi section tunnel structure remained within the normal range,with the maximum displacement value in the approximate range of 1 mm 1.5 times the calculated value.These findings can serve as a reference for similar future projects.Keywords:urban rail transit;ultra-shallow buried shield tunnel;soft up and hard down formation;close crossing of the existing line;finite element calculation;control countermeasures 盾构近距离上跨既有线风险评估研究 23URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1 研究背景 近年来，我国城市轨道交通进入快速发展阶段，截至 2022 年底，共有 55 个城市开通城轨交通运营线路，线路总长度达 10 291.95 km1。伴随运营线路快速增加，新建线路面临的建设空间越来越局限，新建线路上跨、下穿既有线等相互交叉的现象越来越多。穿越过程中，新建地铁隧道施工不可避免地会对既有线隧道产生影响，如何确保既有线正常运营、保证地层和结构的安全稳定是科研工作的重点2-4。基于此，众多学者、专家开展了相关研究，赵宇鹏采用理论分析与数值模拟相结合的研究方法，就盾构近距离上跨既有隧道施工中既有隧道变形规律、卸荷因素影响、施工因素影响及加固措施进行了研究5。张宏伟等针对深圳地铁该类工程，采用综合数值分析、现场监测等手段，确定了盾构施工对既有线的影响范围和影响度，提出了地层预加固措施、盾构掘进参数控制措施、自动化监测系统和风险应急推演管理措施等技术手段，确保盾构安全顺利施工和既有线正常运营6-7。邢慧堂等针对济南地铁 R2 线姜家庄出入场线盾构隧道上跨开源路站烈士陵园站右线区间既有隧道工程，采用有限元数值仿真对盾构近距离上跨施工组织进行合理化分析，结合实际监测数据验证模拟计算结果，讨论隧道周边预先加固的必要性，并给出适用于济南地区地质条件的盾构掘进参数建议值8。以上研究为本文提供了一定的经验借鉴，但对于耦合超浅埋、上软下硬地层盾构施工、近距离上跨既有线等工程不利因素的工程案例研究较为少见，因此，本文以青岛地铁 6 号线峨眉山路站富春江路站区间(以下简称“峨富区间”)盾构隧道上跨既有 1 号线峨眉山路站石油大学站区间(以下简称“峨石区间”)隧道为例，通过对依托工程勘察设计资料解析，识别主要风险源；采用盾构施工全过程三维有限元数值模拟，评估盾构施工对地面沉降、成型管片变形、既有线隧道结构变形的影响，提出风险控制对策，为今后类似工程提供参考。2 工程概况 如图 1 所示，峨富区间位于青岛市西海岸新区，峨富区间出峨眉山路站后(6 号线和1 号线换乘站)，沿长江西路向东敷设，右线分别上跨既有1 号线峨石区间左右线后，北拐进入江山南路，到达富春江路站。图 1 峨富区间上跨峨石区间段示意 Figure 1 Sketch map of E-Fu section crossing E-Shi section 如图2所示，峨富区间右线上跨段长度约100 m(748 环812 环)，覆土最浅处为 5.49 m，穿越土岩复合上软下硬地层(上部为粉质黏土、砾砂、强风化凝灰岩，下部为中风化凝灰岩、微风化凝灰岩)，采用土压平衡盾构施工。管片采用 C50、P10 钢筋混凝土，外径为 6 m，厚度 0.3 m，环宽 1.5 m，分块形式 1+2+3(1 个封顶块+2 个邻接块+3 个标准块)，错缝拼装，接缝采用弯螺栓连接。既有 1 号线为矿山法隧道，复合式 图 2 峨富区间上跨峨石区间相对位置关系 Figure 2 Relative position of E-Fu section crossing E-Shi section 都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 24 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 衬砌，二衬为 C45、P10 模筑混凝土，厚度 400 mm。峨富区间右线盾壳与峨石区间隧道二衬最小竖向净距为 1.46 m。本工程面临超浅埋上软下硬地层盾构施工控制难、近距离上跨既有线结构安全问题，施工风险高，主要风险源概述如下：1)超浅埋上软下硬地层盾构施工风险。超浅埋盾构施工土仓压力不容易控制，欠压导致地面沉降，超压则会导致地面隆起。盾构穿越土岩复合上软下硬地层，盾构机在上软下硬的地层推进过程中，姿态较难控制，容易“抬头”，纠偏难度大；另外，刀具在软硬不均地层掘进中，造成刀盘振动大，掘进速度慢，上部地层软弱，稳定性差，地面沉降较难控制。2)近距离上跨既有线结构变形及行车安全风险。盾构施工扰动既有 1 号线结构周边地层加固体，改变了原有地层-结构受力平衡体系，另外，上软下硬地层盾构易“抬头”，向下纠偏时，势必增大上部油缸推力，降低下部油缸推力，向下挤压地层及既有隧道，易导致下卧隧道结构变形、开裂等风险，甚至影响行车安全，危及乘客生命。综上，超浅埋、上软下硬地层、近距离上跨既有线耦合作用下，盾构施工难度大、风险高，应借助信息化手段，根据实时监测信息研判，动态调整盾构施工参数，以保证盾构自身施工安全、地面隆沉及下卧隧道变形满足要求。3 盾构上跨既有线影响评估 3.1 模型建立及计算假定 采用 MIDAS GTS NX 有限元软件，建立三维地层-结构模型，地层采用实体单元，地铁采用结构单元，X向(峨石区间纵向)Y向(峨石区间横向)Z向(竖直方向)=400 m280 m40 m，如图 3 所示。模型中地层、注浆加固体采用摩尔库伦本构，管片、盾壳、二衬采用弹性模型，管片与盾壳、管片与注浆层之间设置界面单元，法向硬接触，切向摩擦接触，摩擦系数取 0.3，地层及结构物理力学参数如表 1 所示。图 3 计算模型 Figure 3 Computational model 表 1 地层及结构物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of formation and structure 类型 素填土 粉质黏土粗砾砂 7强风化凝灰岩 7中风化凝灰岩 7微风化凝灰岩 同步 注浆层 管片 C50 盾壳 钢材 隧道二衬C45 材料模型 M-C M-C M-C M-C