浅埋暗挖法近距离穿越既有地铁构筑物（区间与车站）关键技术研究

1、浅埋暗挖法近距离穿越既有地铁构筑物（区间与车站）关键技术研究1 立项背景 近年来我国城市快速轨道交建设得到了迅速发展，逐步形成地下铁道网。在地铁网的建设中必然会遇到众多的节点车站（即换乘车站），仅北京市线网规划中节点车站就达118处，因此换乘车站的设计和施工通常是城市地铁建设中的难点和重点工程。 换乘车站的建设方式：A. 同期建设4、10号线黄庄车站B. 前期建设预留 如2、4号线西直门站C. 穿越既有线施工,如崇文门、东单、宣武门站等 显然, 在以上 3 种建造方式中，显然是以穿越既有线结构的方式技术难度和风险最大。 序号新建线既有线穿越情况穿越类型最小间距/m152崇文门暗挖车站下穿地铁2

2、号线区间下穿1.98021东单暗挖车站上穿地铁1号线区间上穿0.632雍和暗挖区间穿环线雍和宫站下穿0.3442宣武门暗挖车站下穿2号线宣武门车站下穿1.951西单暗挖车站上穿1号线区间上穿0.5462西直门站改造（预留)7101国双区间下穿1号线区间下穿1.245813北芍区间下穿13号线芍药居站下穿9.215 9机场线13东直门站穿13号线东直门折返线下穿、侧穿0北京地铁在建线路近距离穿越既有地铁线工程汇总表 通常认为，当结构间距大于5.0m以后两者的影响就非常明显，即5.0m以下可以认为是小间距，上表中除穿越芍药居城铁站外，其他间距均小于2.0m，因此均为近距穿越。 隧道穿越既有线的主要

3、形式: 依据新建隧道与既有线结构的位置关系可分为以下3种穿越形式： 下穿既有线 上穿既有线 侧穿既有线 宣武门下穿既有线结构东单站上穿既有线结构崇文门联络通道侧穿既有线结构 在3种穿越方式中以下穿既有线工程的技术难度最大。而在北京在建的穿越既有线工程中，以五号线崇文门车站下穿既有线工程条件最为复杂，难度和风险最大，同时也是最先建设的穿越工程。 因此本课题重点以崇文门车站作为工程北京开展研究工作，并在该工程建设中进行本成果的应用。以五号线东单车站作为上穿既有线的工程应用。北京地铁五号线崇文门车站工程概况 北京地铁五号线崇文门车站和东单车站隧道穿越工程的规模之大、条件之复杂以及控制标准之高是国内外

4、罕见的，其中崇文门车站以24.2m11.42m的大断面下穿既有环线地铁结构，结构最小间距仅为1.98m；东单车站开挖断面为23.66m9.87m，以最小间距0.5m上穿既有地铁一号线区间。在如此复杂的环境下实现施工过程中的安全运营，其风险性非常之大。崇文门车站的主要技术难点：崇文门车站是重要的换乘车站，在整个交通线网中 具有不可替代性。施工技术难度大，国内外尚无成熟的经验可资借鉴，需要通过技术创新来完成。周围环境及其复杂，而且地处交通要道，一旦出现工程环境事故，将造成非常恶劣的社会影响；如果造成既有线结构破坏迫使环线地铁停运，将使整个北京地铁交通瘫痪。在如此复杂的条件下施工，要同时保证既有线和

5、新建工程的安全，技术要求高。2 主要研究内容和总体思路 成功穿越既有线结构，要解决好以下关键问题：A . 保证既有线的安全运营B. 保证施工过程的安全C. 监控量测和信息反馈是工程安全的重要保证 隧道穿越既有线的核心问题是如何控制既有线结构的变形量和变形速率(防止灾难事故发生)，因此从研究思路上可以采取以下3种方法：结构托换，即通过托换手段对既有结构进行预支护，如美国波士顿中央交通主动脉公路隧道工程穿越既有地铁线时使用了此方法。减小开挖断面，即在满足工程要求的条件下尽量减小隧道断面，或将大断面隧道分解成小断面，如4号线宣武门站拟采用的方法。隧道分部开挖，即将大断面隧道分多次开挖完成，从而减小对

6、既有结构的扰动和变形，如5号线崇文门车站、东单车站以及穿越雍和宫车站所采用的方法。安全穿越既有线结构的基本思路 穿越既有线工程主要包括以下 5个环节，课题研究也是围绕这5个环节的关键技术问题进行的，并且重视成果的实际应用。 既有结构物的现状评估和安全性评价。由此可确定出既有结构的沉降和变形控制标准，即既有结构所能够承受的极限变形值。 施工附加影响的分析及施工方法优化。实际上为施工方法以及辅助施工方法的优化，并且包括工法的优化以及细部优化（如到洞开挖以及支护顺序等细节问题）。 过程控制方案制定与实施。考虑到隧道开挖对地层影响的时空效应，依据地层和结构的变位分配原理，初步拟定相应施工方案下的既有结

7、构变形及稳定性控制方案并实施。方案制定的依据主要包括：既往经验及资料、数值模拟及理论分析、工程特点等。 施工过程监测及信息反馈。基于信息化施工的原理，通过监测结果与既定控制方案的对比，可及时对施工方案和控制标准进行调整，以及在必要时对地层和结构进行加固，以达到预期的目标。加固地层其作用是减小施工对结构的附加影响；加固结构其作用则在于提高结构的抗变形能力。 工后评估及恢复方案制定。无论采取怎样的施工方案和技术措施，施工结束后都会或多或少地对既有结构造成影响，因此待施工完成后应对既有结构的损坏状况进行检测和评估，并据此制定恢复方案和具体措施，包括恢复的必要性、恢复程度以及工后沉降和变形的预测等。

8、依据上述原理和方法，在浅埋暗挖法穿越地铁结构成功实践的基础上，目前已在北京地铁施工的环境安全风险管理中得到了推广应用，取得了很好的效果。由此可对地铁及城市地下工程施工的环境控制提供直接的指导，从整体上提高了信息化施工的技术水平。 3 课题技术成果及其应用 分析了穿越工程中合理结构间距的主要影响因素及评价方法，并由此确定了一般工程条件下的合理结构间距。 综合考虑列车振动对新建结构的影响、夹层土体变形对既有结构沉降的影响以及地下空间的合理利用等，下穿越既有线时结构间距以23m为宜。（一）既有结构的现状评估与安全性评价 根据现状评估结果，结合施工过程中可能发生的沉降模式的综合分析，同时考虑到列车运营

9、条件（竖曲线、过超高等）的要求，最后以既有隧道结构变形缝处的最大沉降量最为控制指标，控制标准为不超过40mm，考虑到一定安全储备，将既有结构的最大沉降量控制标准拟定为36mm。 东单车站既有线复八线的上浮量控制标准为12mm,考虑安全储备后，最大上浮量为10mm。东南施工场地西北施工场地崇文门车站周边实景图平面图横剖面图西1.98m（二）地铁施工的附加影响分析及工法优化 针对大断面浅埋暗挖地铁车站常用的中洞法、柱洞法和侧洞法对既有结构沉降附加影响进行分析，由此实现对施工方法的优化。 施工方法的附加影响分析及优化，包括工法的优化和施工步骤的细部优化。 既有环线区间隧道新建车站600大管棚柱洞法中

10、洞法侧洞法不同施工方法的塑性区分布柱洞法中洞法侧洞法 综合既有结构沉降以及塑性区范围的影响分析，可以得出以下结论： 柱洞法以最小的挖土量，提供了前期衬砌的施作空间，其永久衬砌结构施作最早，支撑作用发挥得最早，所以对土体沉降和既有结构的变位控制最为有利，应是穿越施工的最佳方案。导洞开挖顺序的细部优化1234123412341234方案方案方案方案既有结构分步沉降预测结果-40-35-30-25-20-15-10-50024681012141618施工步序累计沉降量（mm）导洞贯通中洞顶层衬砌侧洞支撑侧洞贯通中洞衬砌侧洞衬砌中洞管幕施工结束（三）环境风险安全控制方案的制定和实施 依据地层及结构变为

11、分配的原理和方法，拟定出不同施工阶段的既有结构变形控制目标值，形成控制方案。600超前管幕设计参数600咬合管幕，钢管管径600mm，壁厚16mm，长度为36m。沿车站隧道单层断面拱部布设一环，钢管之间采用10号槽钢和工10相互咬合（双扣为槽钢，单扣为工钢）。施工方法超前600管幕采用水平液压钻孔顶管机施工，施工时采用先顶进后出土的施工工艺，钻头落后钢管前端10-15cm，该施工工艺能够有效的控制地层沉降，其主施工设备为液压系统，施工中振动和噪音较小 施工参数管幕布置在既有环线区间隧道和车站拱顶之间，距离车站初支30cm。在钢管支座施工完成后，钢管内再填充无收缩水泥砂浆，用来提高钢管刚度 。钻

12、孔顶管机施工示意图600超前管幕现场钢管柱施工（四）施工过程中的监测和控制 与其他的暗挖地铁车站工程相比，监测工作的主要创新点为：采用先进的高精度静力水准自动化监测系统，实现了实时监测和及时的信息反馈；采用光栅系统对典型管棚进行了隧道施工过程的全过程实时监测；对地铁列车振动在地层中的传播规律进行了监测，为振动影响分析及减振措施制定提供了依据。常规监测项目地表布点图测点布置原则为：沿纵向每5米布设一个断面，每个断面布设5个测点。常规监测项目洞内布点图既有线监测布点纵剖面图既有线监测布点纵剖面图既有线监测方案 既有线监测设计就是结合既有隧道的结构特点和已制定的监管指标，选择相应的量测仪器和设备。监测系统的布置也是监测设计的重要内容，包括仪器安设位置的选择，仪器安装的数量、密度、分布方式和范围等。梁式倾斜仪变位计（五）工后评估和恢复方案制定和实施 隧道施工完成后，客观上不可避免地要对既有地铁构筑物造成影响，也可能对既有线的安全运营和使用功能造成一些损害，因此应对所造成影响的程度作出评价；同时根据损害的程度对恢复的必要性、可行性