CN115163089B - 一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，遵循“周边土体沉而不塌、既有结构损却可修、线路运营缓但不停”的底线原则，通过多源一体化措施保障工程安全，具体包括全方位管控地层和水位变化的注浆及水位稳定措施、严控新建隧道变形的快速化施工措施、自动化监测及联动注浆抬升措施、多阶段动态“地层‑结构”及精细化“荷载‑结构”有限元模拟预判措施等；后制定了运营应急预案，并根据需要安装特殊调整轨道扣件系统，保证下穿施工期间列车安全不间断运营；本方法从分析不同工程的自身特性和环境风险出发，制定针对性强、合理性高的成套保护监控方案，避免生搬硬套规范，有效保障工程顺利实施及既有隧道安全运营。

Description

一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，具体为一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法。

背景技术

新建矿山法隧道近距离下穿既有地铁线路，此类工程不确定性高、难度大，一直是城市轨道交通工程设计施工的重大风险点。特别是在地铁行业大线网运营时代，密集的既有盾构隧道、受限的周边环境以及复杂的地质水文条件，进一步提高了工程建设的难度，常规的风险管控方法难以全面适用，主要体现在以下几个方面：

1．常规方法直接套用规范限值，控制条件单一，没有考虑不同工程的情况特性，特别是在复杂建设环境条件下，难以适应不同地层情况、不同新建隧道断面形式与施工方法，不同既有线结构类型与健康状态等差异带来的不同工程需求；

2．目前规范要求地下区间详勘测点间距为10-30m/孔，特别是受到既有盾构隧道地保要求，地勘结果并不完整连续，如在下穿施工过程中发现地勘结果与实际情况不符，短时间内未必能找到有效满足规范限值的解决方案，同时长时间停滞将给新建和既有隧道带来更多不稳定因素，因此常规的风险管控方法存在技术风险；

3．规范变形控制值相对保守，且各规范指导值未明确统一，例如关于既有线沉降值，国家标准《城市轨道交通工程监测技术规范》提出可按3-10mm控制[1]，地方标准《城市轨道交通既有盾构隧道保护技术规范》限值为15mm[2]，而行业标准《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定既有线轨道竖向位移控制值为20mm[3]，且各规范并没有明确给出不同取值的原因。

[1] 城市轨道交通工程监测技术规范，GB50911-2013。

[2] 城市轨道交通既有盾构隧道保护技术规范，DBJ/T 15-120-2017。

[3] 城市轨道交通结构安全保护技术规范，CJJ/T 202-2013。

经检索，公开号CN112200445A公开了一种新建隧道注浆环对既有盾构隧道防护效果的评估方法，其仅进行了数值模拟，以及实验模型计算，并未提出整个隧道构建的流程以及规范用度；公开号CN113565525A公开了一种新建隧道超临近超浅埋上跨既有隧道的施工防护体系及施工方法；其公开了既有隧道上方构建新建隧道的施工方法，并未对下穿新建隧道的施工过程进行阐述。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，以解决上述背景技术中提出的技术问题；为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，包括如下步骤：

步骤S1，采取有限元模拟方法进行工前安全评估：多阶段动态“地层-结构”有限元模型判定下穿施工导致既有盾构隧道的结构沉降量和椭变值；精细化构建“荷载-结构”有限元模型判定相关沉降量和椭变值对既有盾构隧道结构的影响及安全余量；

步骤S2，采取注浆加固及水位稳定措施：遵循“地面注浆加固为主、洞内注浆加固为辅”原则，对既有盾构隧道周边土体进行注浆加固止水，同时通过原有注浆孔对管片外围进行注浆形成止水环；补充回灌措施，停止新建隧道一定范围内的降水措施；

步骤S3，采取新建隧道施工控制措施：控制开挖轮廓线及一次掘进长度，其中一次掘进长度可根据有限元评估结果确定；初支闭合后，对距离掌子面一倍洞径以外区域采取小导管径向注浆方式对洞周地层进行初支背后补偿注浆，同时设置临时钢支撑或满堂支架对新建隧道内壁的进行支顶加固；

步骤S4，采取自动化监测及联动注浆抬升措施：对关键区域的土地分层沉降量和地下水位情况进行自动化监测，并通过网络化监测云平台实现远程近实时发布；对既有盾构隧道和新建隧道之间土体预留注浆措施，根据监测情况进行注浆抬升；

步骤S5，根据步骤S4结果，制定既有盾构隧道内的列车安全通行运营应急预案，并根据轨道对大变形的适应能力，对既有盾构隧道沉降量大于15mm区域内的轨道换装特殊调整扣件系统，完成轨道结构加固。

优选的，所述精细化构建“荷载-结构”有限元模型如下：

对盾构管片、明挖隧道结构、螺栓、螺母、螺栓垫片、螺栓孔均采用实体单元按1:1模拟；

对材料参数方面，管片结构和明挖隧道混凝土结构采用了摩尔-库伦本构模型，螺栓和螺母采用弹性材料参数。

优选的，对既有盾构隧道进行注浆具体为对既有盾构隧道两侧及两线间相关区域进行地面注浆，对无法地面注浆区域，从新建隧道掌子面或临近车站基坑进行补充注浆。

优选的，所述既有盾构隧道周边土体注浆的最小深度为新建隧道底部下3m。

优选的，所述补充回灌的回灌井最小深度设置在透水层下方1m处。

优选的，停止新建隧道一定范围内的降水措施的范围为新建隧道两侧两倍底板埋深范围。

优选的，所述开挖掌子面外轮廓线的一次掘进长度可根据有限元评估结果确定，需要严控土体变形时，在拱顶掘进一次不宜超过1榀，在仰拱掘进一次不宜超过2榀，使安装的初支结构能封闭成环。

优选的，对掌子面一倍洞径以外区域补偿注浆的方式为小导管径向注浆。

优选的，所述既有盾构隧道通过预留注浆管或采用WSS钻注一体措施进行注浆抬升。

优选的，所述列车安全通行运营应预案具体为：

0mm＜轨道线路沉降量≤12mm，限速60km/h；

12mm＜轨道线路沉降量≤20mm，限速45km/h；

20mm＜轨道线路沉降量≤40mm，限速30km/h；

轨道线路沉降量≥40mm，限速15km/h。

优选的，所述特殊调整扣件系统包括设置在轨道线路下方的加固横梁以及设置加固横梁下方两端的加固纵梁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明有效整合地层稳定措施、新建隧道刚度加强措施及自动化监测及联动注浆抬升措施，全方位保证周边土体及既有盾构隧道不出现突发大变形情况；摆脱规范通用指导值的“桎梏”，提出贴近工程实际的变形控制要求，通过多阶段动态“地层-结构”有限元模拟及精细化“荷载-结构”建模准确判定下穿施工中既有盾构隧道的安全余量；提出针对性措施以加强轨道对大变形适应能力，同时根据不同的轨道沉降情况，提出统一的运营限速应急预案。

附图说明

图1为本发明的精细化“荷载-结构”建模图。

图2为本发明既有盾构隧道、新建隧道及周边土体注浆区域的平面结构图。

图3为本发明既有盾构隧道和新建隧道的注浆示意截面图A-A。

图4为本发明既有盾构隧道和新建隧道的注浆示意截面图B-B。

图5为本发明既有盾构隧道和新建隧道的注浆示意截面图C-C。

图6为本发明新建隧道内临时支顶的结构图。

图7为本发明特殊调整扣件系统的结构图。

图8为本发明轨道加固实际应用图。

图中：1、既有盾构隧道；2、新建隧道；3、回灌井；4、WSS双液注浆区；5、隧道外壁；6、注水泥浆区；7、掌子面外轮廓线；8、管片；9、新建隧道底板；10、初支结构；11、临时钢支撑；12、临时中隔壁；13、临时仰拱；14、临时混凝土；15、纵向钢拉杆；16、轨道；17、水沟中心线；18、轨距拉杆；19、加固纵梁；20、加固横梁；21、基坑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。

请参阅图1-图8，本发明提供一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，包括如下步骤：

步骤S1，采取有限元模拟方法进行工前安全评估，建立多阶段动态“地层-结构”有限元模型，判定在下穿施工时导致既有盾构隧道1的结构沉降量和椭变值，精细化构建“荷载-结构”有限元模型，判定相关沉降量和椭变值对既有盾构隧道1结构的影响及安全余量；

步骤S2，对既有盾构隧道1周边土体进行注浆加固止水，并通过原有注浆孔对管片8外围进行注浆形成止水环，补充回灌措施，停止对新建隧道底板9两倍埋深范围内的降水措施；

步骤S3，严格控制新建隧道2开挖掌子面外轮廓线7，尽快使初支结构10形成封闭环，同时对掌子面一倍洞径以外区域进行补偿注浆，在初支结构10内设置临时刚支撑或满堂支架对新建隧道2内壁的进行支顶加固；

步骤S4，对既有盾构隧道1临近关键区域的土地分层沉降量和地下水位情况进行自动化监测，对既有盾构隧道1和新建隧道2之间土体预留注浆措施，根据监测情况进行注浆抬升；

步骤S5，根据步骤S4得到结果，制定既有盾构隧道内的列车安全通行运营应急预案，并根据轨道对大变形的适应能力，对既有盾构隧道1沉降量大于15mm区域内的轨道换装特殊调整扣件系统，完成轨道结构加固。

具体的：

1．如图1所示，采用多阶段动态“地层-结构”有限元模拟预判下穿施工新建隧道2导致的既有盾构隧道1结构沉降和椭变，地层-结构相互作用采用地层弹簧模拟；利用精细化“荷载-结构”建模判定相关沉降和椭变对既有盾构隧道1结构的影响及安全余量，其中精细化“荷载-结构”建模采用以下简化：

1)盾构管片8、明挖隧道结构、螺栓、螺母、螺栓垫片、螺栓孔等均采用实体单元按1:1模拟；

2)材料参数方面，管片8结构和明挖隧道混凝土结构采用了摩尔-库伦本构模型，螺栓和螺母采用弹性材料参数。

3）对目前国内常用的6~8米级盾构，引起整体破坏的极限椭变度约为15~20‰。有限元结果显示了既有盾构隧道1在椭变度为21%时的塑性变形区域和严重受损区的一种情况。

2．如图2-图5所示，遵循采取“地面注浆加固为主、洞内注浆加固为辅”原则，采取注浆及水位稳定措施，全方位加强对地层和水位变化的控制：

1)如图2-图4所示，既有线隧道两侧及两线间相关区域地面注浆分为WSS双液注浆区4和注水泥浆区6，注浆最小深度为新建隧道底板9下3m；

2)如图2、图4所示，对无法地面注浆区域，从新建隧道掌子面或邻近车站基坑21（或竖井）进行补充注浆；

3)如图2、图5所示，通过既有线盾构段原有注浆孔对其管片8背后进行注浆并形成止水环，阻隔管片8背后注可能存在的渗水通道；

4)补充回灌措施，回灌井3最小深度进入透水层1m；

5)停止两倍新建隧道底板9埋深范围内降水措施。

3．新建隧道施工控制措施：

1)严格控制开挖掌子面外轮廓线7和一次掘进长度，其中一次掘进长度可根据有限元评估结果确定，需要严控土体变形时，拱顶一次掘进不宜超过1榀，仰拱部分一次掘进不宜超过2榀，保证初支结构10尽快封闭成环；

2)初支结构10闭合后，对距离掌子面一倍洞径以外区域采取小导管径向注浆方式对洞周地层进行初支结构10背后补偿注浆，重点关注初支结构10面渗漏水区域；

3)导洞贯通后设置临时钢支撑11，或采用满堂支架方式对隧道内部进行支顶，着力加强施工过程中隧道整体刚度，其如图6所示，本发明通过在新建隧道2内设置临时仰拱13和临时中隔壁12分成四个区域，并在四个区域内设置临时型钢支撑，临时型钢支撑一端设置在初支结构10内壁上，另一端设置在临时仰拱13和临时中隔壁12交叉中心，进行支护结构固定；然后在每个临时型钢支撑一侧设置纵向钢拉杆15的辅助构建，保持设置在隧道支护结构内的主构件保持稳定从而形成整体，能够抵抗水平力设置的支撑体系，最后添加临时混凝土14回填，加固整体结构的稳固性。

4．自动化监测及联动注浆抬升措施

1)土体分层沉降和地下水位自动化监测既有隧道，并通过网络化监测云平台实现远程PC和手机等多终端发布；

2)如图4所示，在新线隧道上方预留注浆管或采用WSS钻注一体措施，根据监测情况在既有盾构隧道1和新建隧道2之间进行注浆抬升。

5．制定了以下运营应预案，以保证下穿施工期间列车安全通行：

1)0mm＜轨道16线路沉降量≤12mm，限速60km/h；（60%规范指导限值）

2)12mm＜轨道16线路沉降量≤20mm，限速45km/h；（规范指导限值）

3)20mm＜轨道16线路沉降量≤40mm（或专家评审后建议值），限速30km/h；

4)轨道16线路沉降量≥40mm（或专家评审后建议值），限速15km/h。

6．为加强既有地铁线路对大变形的适应能力，对钢轨、扣件、道床及接触网等进行全面检查，维修加固松动构件，以确保既有轨道结构状态稳定。如有需要，对评估沉降量大于15mm区域内轨道换装特殊调整扣件系统，如图7和图8所示，其中隧道外壁5中设置的特殊调整扣件系统包括设置在轨道16线路中间设置轨距拉杆18，下方设置加固横梁20以及处于加固横梁20下两端的加固纵梁19，加固纵梁19设置在水沟中，并以加固纵梁19轴心与地面垂直所成的中心线作为水沟中心线17，完成对轨道的加固强化。

本发明所采用的技术方案特征在于：

1)周边土体沉而不塌：即采取补充注浆及其他水位稳定措施、新建隧道施工控制措施、自动化监测及联动注浆抬升措施等，保证施工过程中土体不会发生掌子面失稳、土体塌陷等突发情况；

2)既有盾构隧道1损却可修：即采用有限元精细化建模方式，详细分析既有盾构隧道1结构在不同沉降、椭变等作用下的力学特性，确定结构整体破坏的控制性因素及最大变形控制值，同时根据分析结果对既有盾构隧道1和轨道进行预加固；

3)线路运营缓但不停：即结合轨道实际情况摸查、既有相关工程经验以及专家咨询建议，制定运营限速应急预案，同时对钢轨、扣件、道床及接触网等进行全面检查加固，必要时可换装特殊调整轨道扣件系统以加强轨道对大变形的适应能力。

本发明针对工程实际情况，进行有效整合地层稳定措施、新建隧道刚度加强措施及自动化监测及联动注浆抬升措施，全方位保证周边土体及既有盾构隧道1不出现突发大变形情况，摆脱规范通用指导值的“桎梏”，提出贴近工程实际的变形控制要求，通过多阶段动态“地层-结构”有限元模拟及精细化“荷载-结构”建模准确判定下穿施工中既有盾构隧道1的安全余量；提出针对性措施以加强轨道对大变形适应能力，同时根据不同的轨道沉降情况，提出统一的运营限速应急预案。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，采取有限元模拟方法进行工前安全评估：多阶段动态“地层-结构”有限元模型判定下穿施工导致既有盾构隧道的结构沉降量和椭变值；精细化构建“荷载-结构”有限元模型判定相关沉降量和椭变值对既有盾构隧道结构的影响及安全余量；

步骤S2，采取注浆加固及水位稳定措施：遵循“地面注浆加固为主、洞内注浆加固为辅”原则，对既有盾构隧道周边土体进行注浆加固止水，同时通过原有注浆孔对管片外围进行注浆形成止水环；补充回灌措施，停止新建隧道一定范围内的降水措施；

步骤S3，采取新建隧道施工控制措施：控制开挖轮廓线及一次掘进长度，其中一次掘进长度根据有限元评估结果确定；初支闭合后，对距离掌子面一倍洞径以外区域采取小导管径向注浆方式对洞周地层进行初支背后补偿注浆，同时设置临时钢支撑或满堂支架对新建隧道内壁的进行支顶加固；

步骤S4，采取自动化监测及联动注浆抬升措施：对关键区域的土地分层沉降量和地下水位情况进行自动化监测，并通过网络化监测云平台实现远程实时发布；对既有盾构隧道和新建隧道之间土体预留注浆措施，根据监测情况进行注浆抬升；

步骤S5，根据步骤S4结果，制定既有盾构隧道内的列车安全通行运营应急预案，并根据轨道对大变形的适应能力，对既有盾构隧道沉降量大于15mm区域内的轨道换装特殊调整扣件系统，完成轨道结构加固。

2.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，所述精细化构建“荷载-结构”有限元模型如下：

对盾构管片、明挖隧道结构、螺栓、螺母、螺栓垫片、螺栓孔均采用实体单元按1:1模拟；

对材料参数方面，管片结构和明挖隧道混凝土结构采用了摩尔-库伦本构模型，螺栓和螺母采用弹性材料参数。

3.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，对既有盾构隧道进行注浆具体为对既有盾构隧道两侧及两线间相关区域进行地面注浆，对无法地面注浆区域，从新建隧道掌子面或临近车站基坑进行补充注浆。

4.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，所述既有盾构隧道周边土体注浆的最小深度为新建隧道底部下3m。

5.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，所述补充回灌的回灌井最小深度设置在透水层下方1m处。

6.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，停止新建隧道一定范围内的降水措施的范围为新建隧道两侧两倍底板埋深范围。

7.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，开挖掌子面外轮廓线的一次掘进长度根据有限元评估结果确定，需要严控土体变形时，在拱顶掘进一次不宜超过1榀，在仰拱掘进一次不宜超过2榀，使安装的初支结构能封闭成环。

8.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，所述既有盾构隧道通过预留注浆管或采用WSS钻注一体措施进行注浆抬升。

9.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，所述列车安全通行运营应急预案具体为：

0mm＜轨道线路沉降量≤12mm，限速60km/h；

12mm＜轨道线路沉降量≤20mm，限速45km/h；

20mm＜轨道线路沉降量≤40mm，限速30km/h；

轨道线路沉降量≥40mm，限速15km/h。

10.根据权利要求1所述的一种下穿既有地铁线路多源关联信息化风险管控实施方法，其特征在于，所述特殊调整扣件系统包括设置在轨道线路下方的加固横梁以及设置加固横梁下方两端的加固纵梁。

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