北京地下直径线大直径泥水盾构施工环境风险控制与管理
程学武1
许维青2
（1.北京铁路局地下直径线建设指挥部，北京，100045；2.中铁隧道集团，北京，100045） 摘 要：通过北京地下直径线盾构施工过程沿线环境风险建构筑物的管理与控制，介绍了通过风险调查、风险评估认识建构筑物抗风险能力，利用因果分析及权重计算确定施工影响的关健环节，通过工程措施、工艺措施及管理措施实现对环境风险的有效控制。 关健词：泥水盾构 环境风险 控制 管理
根据城市隧道及地下工程风险安全事故产生原因研究数据统计，事故产生的绝大部分原因主要是：一是风险识别出现遗漏，包括风险本身现状、控制边界、致险因子等；二是控制方法或措施选择不当，包括由于风险识别偏差或遗漏而造成的控制对策失当；三是控制对策执行偏差造成的对策实施效果与预期出现差距而形成的安全事故。
北京站至北京西站铁路地下直径线作为北京市所列的“最难的，风险最大的在建地下工程”、铁道部所列的“极高风险1号工程”，面对盾构沿线众多环境风险点，通过全面系统的管理与控制，最终确保了沿线不同等级的风险得到了有效的控制，本文就相关情况予以介绍，望能提供借鉴。
1. 工程概况
北京铁路地下直径线工程是承启北京站与北京西站的重要地下铁路线工程。 线路自北京站起，于崇文门大街十字路口东侧进入地下，沿前门大街、宣武门西大街往西至长椿街后拐至西便门桥、天宁寺桥、白云路桥北侧，斜穿白云路桥至小马场附近出地面到达北京西站。线路全长9151m ，隧道长7230m ，其中盾构段长5175米。
图1北京站至北京西站地下直径线工程线路平面图示意图 Fig 1. Planar graph of Beijing Rail Transit Line
隧道穿越地层东西两端差异性大。西端（天宁寺至和平门）主要穿越的地层为卵石层、圆砾层，局部为粉质粘土层、粉土层和粉质粘土层等土层，一般粒径20~60mm ，大于20mm 的颗粒含量约占总重的65%，亚圆形，中粗砂充填，并且存在最大强度约30MPa 的砂层与卵石层的胶结层。东端（和平门至崇文门）穿越的地层主要为粉质粘土层、粉土层和砂层等土层。地下水主要为层间潜水。其中东段水位高程为
天宁寺桥北 5#暗挖竖井
北京站
前门
宣武门
北京西站
天宁寺桥 4#盾构始发井
20.96～28.12 m（水位埋深为16.41～23.40 m）；含水层渗透系数K=150 m／d，涌水量Q=14 900 m3/d。西段水位高程为21.39～24.92 m（水位埋深为23.10～25.60 m）；渗透系数K＝150 m/d，涌水量Q=37200 m3/d。
隧道沿线两侧地面建构筑物密集，煤气、热力、电力、污水等大型地下管线繁多；下穿西便门桥、天宁寺桥、护城河和4号线宣武门站等构筑物；近邻箭楼、正阳门等重要文物；与地铁2号线平行近4公里，其中最近距离不足2米。
盾构机采用泥水加压平衡（膨润土-气垫式泥水盾构）盾构，盾构开挖外径为φ12.04m。
2. 风险控制的总体思路与流程
针对项目特点、难点，风险控制的总体思路如下：一是对沿线环境风险通过全面深入的风险调查、风险辨识和风险评估，了解现状、确定各构筑物的容许变形值；二是针对施工过程进行仿真研究，通过定量、定性分析，对施工过程与环境风险源之间影响关系进行预判，并根据风险事故影响确定风险等级及关健致险因子；三是依据环境风险等级、容许沉降值及施工影响分析和施工过程相关致险因子分析，制定环境风险的控制对策；四是通过现场监控与多层面的过程监控与信息反馈严格控制措施对实施到位和及时修订。主要控制流程见图2。
图2北京站至北京西站地下直径线工程风险管理及控制流程图
Fig 2. Risk management and control flow chart of Beijing Rail Transit Line engineering
3. 风险调查及风险识别
风险调查主要是对沿线的建构筑物、管线等环境风险源与隧道的空间关系、风险源本身基础及结构型式、材料、病害及变形程度等现状予以确认，以便为为后续制定变形控制标准、控制对策时提供可靠的依据，是风险控制的基础工作。调查过程除建设四方参与外，同时委托具有专业资质的第三方机构进行。不
同建构筑物的调查重点主要如下：
（1）桥梁：①桥梁外观质量检查。通过目测及一定的技术手段主要对桥梁的上部结构、支座、下部结构和桥面系四部分进行检测。②混凝土强度测试。③钢筋保护层及碳化深度检测。④以上检查及测试完成后依据《城市桥梁养护技术规范》对桥梁现状进行定级。
（2）沿线建筑物：①建筑物的基础型式、基础的地质情况；②建筑物的内外部损害现状；③建筑物使用过程的加固处理或修缮；④建筑物的变形现状进行测量。调查后根据各建筑物损害及变形现状，依据《房屋完损等级评定标准》将建筑物的完好程度分成完好房、基本完好房、一般损坏房、严重损坏房五级。
（3）即有地铁：调查重点包括结构与直径线的平面及空间关系、结构设计资料、竣工验收资料、施工过程的结构变形缝实际位置以及与直径线相对关系、结构损害及变形现状及对应位置、区间与车间的轨道接头设置、道床与结构的脱离情况、轨道扣件及最大允许调整量等。
（4）地下管线：调查重点包括：管线与隧道的平面及空间关系、管线属性、管线埋深、管径、管沟及管底标高、管线分段长度及接头位置、管材材质、检查井的设置及位置等内容。
4. 风险评估及各环境风险源容许变形值确定
在完成风险调查、辨识，建立初始风险清单后，开始对确定的风险进行评估，确定容许变形值。北京铁路地下直径线通过沿线环境风险源调查及现状确认，经过评估后最终确认沿线主要建构筑物的容许变形值如表1所列。
表1北京铁路地下直径线建构筑物容许变形控制标准统计表
5. 施工影响分析及对策制定
针对沿线不同环境风险与隧道的关系和变形控制标准，要确保控制对策的精准与可靠，关健就在于对于施工所产生影响的认识是否到位。为此：一是对盾构施工过程如泥水压力设置、掘进参数控制、管片壁后注浆、姿态控制等各环节对于沉降或地层变位的影响要进行详细分析，以有效控制施工各个环节；二是
要针对各风险点评估所确定的容许变形值、与隧道邻近关系以及结合施工过程的影响分析，对施工可能产生的变形进行模拟计算，确定是否采取工程措施；三是结合施工影响分析所确定的工艺措施、工程措施，制定健全完善的管理与信息化监控反馈措施。具体流程见图3所列。
图3施工影响分析及对策制定流程图
Fig 3.Flow chart of the impact analysis of construction and countermeasure
5.1 盾构施工过程对沿线建构筑物的影响分析及工艺参数控制对策
根据直径线泥水盾构掘进过程的沉降规律研究，盾构掘进引起的地表及周围建构筑物沉降分为先行沉降、开挖面前沉降、通过沉降、盾尾空隙沉降、后期沉降五个阶段［1］。各阶段沉降值占总沉降值的比重分别为：8%、20%、35%、21%、16%。根据各阶段沉降速率及所占总沉降的比重对施工过程采用因果关系表进行相关性分析（见附表2：北京铁路地下直径线泥水盾构施工沉降过程相关性因果分析表）。
表2北京铁路地下直径线盾构施工沉降过程相关性因果分析表
根据施工各环节对沉降影响的重要性系数及影响方面，针对性的制定施工工艺控制对策，具体见附表3。
表3泥水盾构施工关健过程分析及风险控制对策
Tab3 slurry shield construction key processs analysis and risk control neasures
5.2 盾构通过沿线建构筑物过程中主要采取工程技术对策
当单纯通过工艺参数控制对策难以满足沿线建构筑物容许变形值时，为确保风险控制，就需额外增加相应的工程措施。北京地下直径线结合盾构施工特点及实际情况，采取的对策主要有：（一）、洞内措施
通过管片上的预留孔进行深孔加强注浆，以提高管片周围土体的强度、减少渗透性来控制沉降（附图4）；
图4 北京地下直径线侧穿2号线地铁洞内深孔注浆加固图
Fig 4. Deep-hole grouting reinforce figure when Beijing Rail Transit Line side passing Line 2 （二）、洞外措施
根据隧道沿线水文地质条件及沿线地表风险点具体情况，通过采取地面跟踪注浆、设置隔离桩、树根桩等措施实现对既有建构筑物的保护（附图5、图6）。
（1）直径线盾构隧道穿越西便门桥的隔离桩加固［3］
图5盾构下穿西便门桥隔离桩加固图
Fig 5. Reinforce figure of isolation pile when shield underneath passing XiBianMeng Bridge （2）直径线下穿正阳门火车站树根桩加固
图6盾构侧穿正阳门火车站加固图
Fig6. Reinforce figure when shield side passing ZhengYangMeng railway station
5.3 施工过程的主要技术管理对策
为确保工程措施及工艺措施的准确性与可靠实施，以便及时根据建构筑物的位移状态及影响程度动态调整与加强控制对策。所采取的主要技术管理对策除了常规的过程控制程序之外，最关健的是利用视频监控系统、盾构掘进参数控制系统、监控量测信息化动态反馈系统实现施工过程的动态控制。
6. 结语
（1）通过上述风险控制与管理对策，直径线最终地表沉降一般在5~8mm间，平均仅6.0mm。沿线2号线地铁车站及区间主体结构最大沉降2.3mm，建筑物差异沉降仅为评估值的20%左右，确保了沿线各环境风险建构筑物的安全。
（2）通过盾构施工过程各环节对沉降的影响分析与权重评价，控制风险关健在于控制泥水盾构施工过程中的泥水压力设置、泥水性能指标管理、盾构掘进参数控制及管片壁后注浆四个环节，施工过程的管理应针对上述环节进行加强。
（3）通过沿线各环境风险点措施应用及效果评价，通过工程措施、工艺措施及管理措施的综合应用，同时结合泥水盾构自身有利于沉降控制的优点，可以有效的满足各种复杂环境条件下对于沉降变形控制及建构筑物保护的要求。
参考文献：
［1］赵宝华.富水砂卵石地层大直径泥水盾构施工地表沉降规律［J］中国工程科学.2010.12.94-97.
［2］地盘工学会.盾构法的调查·设计·施工［M］中国建筑工业出版社.2007.
［3］赵勇.北京站至北京西站地下直径线工程重大风险源分析与控制［J］中国工程科学.2010.12.23-28