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盾构隧道穿越海河影响分析及风险应对

摘 要:以天津地铁 4 号线盾构隧道穿越海河为实例,结合盾构隧道穿越海河处工程、水文地质状况,对比以往成功穿越海河段盾构隧道埋深特征值,分析盾构隧道穿越海河影响。针对盾构掘进过程中可能对河道造成的不利影响,提出盾构隧道穿越海河工程影响防治及风险应对措施,以保障堤防安全、河势稳定以及地铁工程建设期、运行期安全。
  九河下梢的海河横穿天津城区而过,地铁建设过程中,线路不可避免与其交叉。除了已通车运营的地铁 1 号线、2 号线、3 号线、5 号线,目前正在紧张建设中的地铁 4 号线区间盾构隧道亦将下穿海河。
1 工程、水文地质概况
1. 1 工程概况
  天津地铁 4 号线土压平衡盾构隧道在金阜桥下游约 300 m处,以单圆单线双隧道方式穿越海河,与河道交角为 96°。盾构隧道轮廓线顶距离河底最近为 10. 2 m,距离西岸预制钢板桩最近约为 9. 033 m,距离东岸预制钢板桩最近约为 5. 389 m,河面宽度约102.1 m。
穿越海河段埋深情况详见表 1。
1. 2 工程地质和水文地质情况
  盾构隧道洞身通过范围内,土均匀性较好。地层主要为第Ⅰ海相层⑥4 粉质粘土层、⑥5 粘质粉土层、⑥6 粉质粘土层、第Ⅱ陆相层⑦1,⑧1 粉质粘土层及⑧2 砂质粉土层、第Ⅲ陆相层⑨2 粉砂土层。其中⑧2 砂质粉土层、⑨2 粉砂土层透水性好,为承压含水层。
1. 3 地铁成功穿越海河的案例 
  天津市地铁 1 号线、2 号线、3 号线、5 号线区间盾构隧道均曾成功穿越海河,并顺利接收,目前盾构隧道运营状况良好,为地铁4 号线区间盾构下穿海河积累了宝贵的经验。地铁 4 号线与 2 号线、3 号线、5 号线盾构隧道穿越海河段埋深特征值对比情况见表 2。
  在工程建设方案中体现类似盾构隧道穿越海河工程成功案例,可为盾构隧道穿越海河工程建设方案审查提供支持,为河道管理部门决策提供参考。
2 盾构隧道穿越海河影响分析
  地铁 4 号线下穿海河采用盾构法施工,盾构顶距河床底 9 m以上,工程实施后不会对河道行洪、排涝造成壅水影响,不过有可能会受到洪水冲刷的影响,需进行河道冲刷分析,保证盾构隧道在海河设计行洪、排涝条件下的安全,即地铁埋深应大于河道冲刷深度。
2. 1 河道冲刷分析
  根据岩土工程详细勘察报告,本工程段海河河床土质主要为粉质粘土,属粘性土,计算采用《铁路工程水文勘测设计规范》中粘性土河床冲刷计算公式进行估算。计算公式分为河槽和滩地两部分,河槽、河滩部分计算公式分别为:
  式中符号含义见 TB 10017—99 铁路工程水文勘测设计规范,计算结果见表 3。
  行洪工况下,海河设计行洪流量为 800 m3/s,设计水深为13. 46 m; 海河排涝工况下,设计排涝流量为 187. 8 m3/s 时,设计水深为 11. 79 m。以上两种工况计算冲刷后最大水深均小于设计水深,均不会对河道造成冲刷影响。因此,该段河道不会发生冲刷,冲刷线高程可视为现状河底高程。
2. 2 对河道泄洪及河势稳定影响分析
  地铁 4 号线盾构隧道下穿海河,通过冲刷计算,工程段海河无一般冲刷,盾构隧道不会被冲刷而露出河床,不会改变河道的自然行洪状态,对河道行洪不会产生阻水影响,也不会改变河道水流流态,工程建成后对河道行洪、排涝没有影响。盾构顶距左岸护岸桩桩底超过 5 m,距右岸护岸桩桩底超过 9 m,工程建成后不会对堤防、护岸造成不利影响。此外,盾构隧道建设期及运行期均没有改变地面交通布局,对防汛抢险不会产生不利影响。但结合盾构隧道穿越海河处的地理位置以及工程、水文地质等特点,地铁 4 号线采用盾构掘进过程中有可能发生河底坍塌、盾构机击穿河床、施工引起的地面沉降或隆起导致河岸失稳等危险情况,这时将可能对河道行洪排涝蓄水及河势稳定产生不利影响,对河道两岸堤防护岸产生较大的不利影响,也将对地铁隧道工程自身安全产生不利影响。
2. 3 对河道两岸管线影响分析
  经对管线图纸核查和实地调查,地铁 4 号线盾构隧道穿越海河两岸埋设有天然气、输配水、污水、电信、供电等多条管道或线路,与地铁左右线接近垂直下穿,埋深大多在 1 m ~ 2 m 范围内。项目建成运营后不会对各条管道或线路造成影响。但工程施工时,应提前协调好与第三人合法水事权益的关系,避免发生纠纷。
3 工程影响防治及风险应对措施
3. 1 风险源专项设计
  根据《天津地铁 4 号线地下工程安全风险等级划分指导标准》,盾构区间下穿海河处环境风险等级识别为Ⅰ级。为使地铁4 号线盾构隧道施工过程中顺利穿越海河,同时确保地铁自身、河道及其沿线堤防护岸的安全,进行了地铁 4 号线区间盾构下穿海河Ⅰ级风险源专项设计,提出了下穿海河风险源保护措施、盾构施工对海河影响的变形控制指标、海河风险源的监测及预警预案等。
3. 2 编制专项施工方案
  根据海河的水文地质条件、与盾构隧道区间的相对位置关系等情况,经过详细的调查研究,全面考虑盾构机下穿海河的风险,制定经济合理、安全可靠的专项施工方案,最大限度减少隧道施工对海河的影响,有效控制海河及周围的地表沉降,确保盾构安全下穿海河。
  1) 设备检修停机点的选择。
根据盾构穿越海河的周边环境和地质条件以及盾构法施工特点,结合河道管理部门的意见和建议,盾构机穿越海河前,停机点选在左线 DK28 + 300( 右线 DK28 + 320) 处。对盾构机进行全面检查,对管路、动力设备、传感设备等进行彻底的检查和维修,以确保盾构机在有保障的良好状态下进行下穿海河掘进工作。
  2) 确保非汛期施工。
海河是天津市重要的行洪排涝河道,穿越海河工程施工不能跨越汛期,必须确保在非汛期进行,以避免一旦海河行洪或排涝时盾构施工发生河底坍塌、盾构机击穿河床等危险情况,对海河行洪排涝蓄水以及地铁隧道工程自身安全产生不利影响。该工程盾构下穿河道范围长度约 102 m,掘进工效按平均每天 6. 5 m考虑,16 d 完成穿越海河。
3. 3 加强河道风险源的监测
  盾构隧道穿越海河范围内,监测等级为一级,编制了专项监测方案。主要监测项目有地表沉降观测、管片结构竖向位移、管片结构净空收敛。地表沉降允许值: 地表沉降 30 mm,地表隆起10 mm; 警戒值: 地表沉降 24 mm,地表隆起 8 mm。
  盾构机穿越海河期间,由于河内无法布设监测点,在监测实施过程中将采取以下措施:
  1) 在盾构机入河前加密布设监测点、断面监测,将监测点一直延伸至河道岸边,为盾构机顺利掘进提供更可靠的监测数据。
护岸处主测断面测点布置见图 1。 
  2) 盾构机入河后,调整隧道内拱顶沉降及收敛的监测点监测频率( 1 d 2 次) 。
  3) 加强该区域河面及隧道内的日常巡视,主要观察海河河面气泡等情况,隧道内主要巡视理论出土量及实际出土量的差异对监测数据加以分析,确保盾构机顺利通过。
3. 4 其他管理措施
  1) 合理安排施工进度,编制地铁工程建设期和运行期应急预案。
  2) 施工过程中积极接受河道主管部门的监督管理和现场检查,盾构掘进期间不得影响河道的运行和管理。
4 结语
  地铁 4 号线盾构隧道穿越海河:
  1) 施工过程中有可能发生河底坍塌、盾构机击穿河床、施工引起的地面沉降或隆起导致河岸失稳等的风险,进而可能对河道行洪排涝蓄水及河势稳定产生不利影响,对河道两岸堤防护岸以及盾构隧道自身安全产生不利影响。
  2) 采取进行风险源专项设计,编制专项施工、监测方案,采取合理选择停机检修点、非汛期施工、加强风险源监测与信息反馈、及时与河道管理部门沟通等措施,保证河道行洪排涝蓄水安全及堤防护岸稳定,保障盾构机安全顺利穿越海河。

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