（岩土工程专业论文）地铁施工穿越既有线监控量测与施工方案优化.pdf

摘要 摘要 随着城市化的进程，我国地铁建设蓬勃发展，伴随着城市地下空间的进一步 开发，大城市轨道交通路网的规划和建设中，新建地铁穿越既有地铁隧道和车站 是不可避免的问题，其近距施工时相互影响非常复杂。如何把这些影响降到最低 限度，既能保证新结构物的施工顺利进行，又能保证既有线路安全、正常运营， 寻求一种安全、合理、经济的施工方法就成为一项重要的课题。 浅埋暗挖地铁车站穿越既有地铁隧道施工地表沉降及既有线的变形控制对 施工及运营安全具有重要意义。新奥法是潜埋暗挖法的基本理论与方法之一，而 监控量测又是新奥法设计和施工的重要工序，鉴于此，本课题详细分析整理了地 铁隧道施工中的主要监测项目的方法和原理，并以北京地铁四号线西单站上穿既 有地铁一号线隧道、下穿长安街施工为研究对象，制订了切实可行的监控量测方 案，对长安街的地表沉降、暗挖段的拱顶沉降、隧道收敛和钢拱架的内力等进行 了长期详细的监测，且利用远程自动化监测系统对一号线的轨道、结构、道床沉 降以及走形轨的变形等也进行了监测。在大量原始监测数据的基础上，运用各种 数据处理方法，整理出了大量的监测变化曲线和有用的规律结论，得出地铁新线 施工开挖引起的旧线及地表位移和变形规律，通过对影响位移和变形的因素进行 分析，对于施工过程中初期支护结构内力状态的动态变化，既有线的轨道、结构 变形控制及控制标准有了很好的把握。本文还在详细研究该区工程地质条件和地 铁设计参数的基础上，采用f l a c 叩工程分析软件对地铁开挖过程及其引发的地表、 拱顶及既有隧道的变形规律进行了数值模拟分析，在此基础上，结合现场监控量 测，及时对现场的施工参数和方案进行优化，提出合理的施工方案及特殊保证措 施，指导地铁安全施工，并确保运营地铁隧道的安全。 关键词地铁隧道；相互穿越；监控量测；数值模拟；方案优化 a b s t r a c t 鼍i 。i 一一曼i 鼍皇曼曼曼皇曼舅曼曼皇曼曼皇曼量量曼曼皇皇曼量量曼皇曼量曼曼量皇曼量鼍曼曼量曼曼鼍 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eu r b a n i z e da d v a n c e m e n ta c c e l e r a t i o n , o u rs u b w a yc o n s t r u c t i o n h a sav i g o r o u sd e v e l o p m e n t w i mf u r t h e ru s i n gt h es u b t e r r a n e a ns p a c eo f m a j o rc i t i e s ， t h en e wc o n s t r u c t i n gs u b w a yu s u a l l yn e e d st o s p a ne x i s t i n gs u b w a yt u n n e l sa n d s t a t i o n sd u r i n gt h ep e r i o do f p l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o n t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw i l l i n f l u e n c ee x i s t i n gi n f r a s t r u c t u r e si n t h i sc o n d i t i o nc o n s i d e r i n gt h en a r r o ws p a c e b e t w e e nt h e m t h j st h e s i sp r o p o s e san e wc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u et oe n s u r et h e c o n s t r u c t i o nc o u l db ec o n d u c t e di nas a f ea n de c o n o m i c a lw a yw i t h o u ti n f l u e n c i n g e x i s t i n gs u b w a ys y s t e m u s i n gs h a l l o wb u f f e dt u n n e ls u b w a ys t a t i o nm e t h o dc o u l dc o n t r o lt h e s u b s i d e n c eo ft h ee x i s t i n ge a r t h ss u r f a c ea n dt h et r a n s f o r m a t i o no ff o r m e rt u n n e l s 1 n h i si sv e r ym e a n i n g f u lt ot h ec o n s t r u c t i o ns a f e t ya n ds u b w a y o p e r a t i o n a ls a f e t y n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o di so n eo ft h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d so fs h a l l o wb u f f e d s u b m a r i n em i n i n gl a w , a n dm e a s u r i n gm o n i t o r i n gi st h ei m p o r t a n tp r o c e s s e so f n a t md e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i nv i e wo ft h i s m a i nm e t h o d sa n dp r i n c i p l e so f m e a s u r i n ga n dm o n i t o r i n gp r o je c ti ns u b w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o na rec o l l a t e di nt h i s t h e s i s t h ex i d a ns t a t i o no fb e i j i n g4 撑 b e t w e e nt h e1 撑a n dt h ec h a n g a na v e s u b w a yi sd e s i g n e dt ot r a v e r s et h es p a c e t h i st h e s i sd i dac a s es t u d yw i t hx i d a n s t a t i o n p r a c t i c a lm e a s u r e m e n tm o n i t o r i n gp r o g r a mw a sw o r k e do u to nt h eb a s i so f t h i s ad e t a i l e dl o n g - t e r mm o n i t o r i n go ft h es u r f a c es e t t l e m e n to ft h ec h a n g a n a v e , t h ev a u l ts e t t l e m e n t ，t u n n e lc o n v e r g e n c ea n dt h es t e e la r c h i n gi n t e r n a lf o r c e sa n d s oo nw e r ec a m e do u t t h es e t t l e m e n to ft h et r a c k ，s t r u c t u r e ，t r a c kb e da n dt h eg a u g e d e f o r m a t i o no ft h e1 撑a u t o m a t i o na l s om o n i t o r e db yt h el o n g - r a n g ea u t o m a t i c m o n i t o r i n gs y s t e m al o to fm o n i t o r i n gc u r v e st ob es o r t e do u t ，u s e f u ll a w sa n d c o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e do nt h eb a s i so fal a r g en u m b e ro ft h eo r i g i n a l m o n i t o r i n gd a t aa n du s i n gav a r i f yo fd a t a p r o c e s s i n gm e t h o d s l a w so nt h en e w s u b w a y1 i n es u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o nw h i c hc a u s e db ye x c a v a t i o no ft h e o l dl i n ew e r er e a c h e da tt h es a m et i m e h a v i n gag o o d g r a s po fd y n a m i cc h a n g et r e n d s t u d yo nd e f o r m a t i o na n di n t e m a lf o r c eo fi n i t i a ls u p p o r t d e f o r m a t i o nc o n t r o l s t a n d a r do ft h eo l dl i n e st r a c ka n ds t r u c t u r e t h ef l a c 3 dm o d e l i n gs o f t w a r ei su s e d f o rq u a n t i t a t i v e l ys i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ed i g g i n gm e t h o dt o g e tt h e c o n s t r u c t i o nd e s t r o ye f f e c t so ne a r t hs u r f a c e ，v a u l ta n de x i s t i n gt u n n e l s t h en e w t e c h n i q u eh a st h em e r i t st h a tt h eo l dp a r a m e t e r so fc o n s t r u c t i o np l a n sh a v eb e e n o p t i m i z e dw i t ht h ec o m b i n a t i o no fm e a s u r e m e n t so n s i t e ar e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o n p l a na n ds p e c i a la s s u r a n c em e a s u r e sw e r es u g g e s t e dt og u i d et h ec o n s t r u c t i o ns a f e t y a n dt oe n s u r et h ep r e s e n ts u b w a yo p e r a t i o n a ls a f e t y 北京丁业大学下学硕十学位论文 k e yw o r d s ：s u b w a yt u n n e l ；c r o s s i n g e a c h o t h e r ；m o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 j 嘶毛 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 奎圭垒 导师签名：日期： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景 由于城市人口和人类活动的增加导致的地面空间紧张，使得地下空间作为一 种尚未充分利用的资源，引起了人们的广泛重视并积极的开发利用。随着中国经 济的快速发展，中国城市化水平正在逐步提高，预计今后5 年内还会有l 亿多人从 农村涌入城市。城市化的高速发展正在我国形成“城市综合症”。城市人口超饱和， 建筑空间拥挤，城市绿化减少，交通堵塞。其中，交通堵塞已经成为我国许多城 市普遍的突出问题。为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁， 大力开发地下空间使其成为人类在地球上安全舒适生活的第二个空间已经成为 世界各国广泛关注和研究的课题【1 1 。据预测，2 l 世纪末，将有l 3 的世界人口工作、 生活在地下空间中【2 】。目前国际上把“2 1 世纪作为人类开发利用地下空间的年代”。 毫无疑问，地铁与地下构筑物的修建是一条能够从环境和经济上解决城市日益增 长的社会经济问题的有效途径。 “1 9 世纪修大桥，2 0 世纪建高楼，2 1 世纪开发地下交通资源。”中国工程院王 梦恕院士说：“中国确实需要地下交通，地铁将不单是城市发展的需要，也是未 来地下资源开发的必然”【3 1 。中国如此，世界更是如此。1 8 6 3 年英国建成了世界 上第一条地下铁道，其后相继在纽约、布达佩斯、维也纳、巴黎、柏林、雅典、 马德里、东京莫斯科等2 1 座城市修建了地下铁道。目前世界上有6 0 多个国家共1 9 8 个城市都有地铁轻轨网络系统，各城市人口都在2 0 0 万以上，线路长度在1 0 0 , - 一 2 0 0 k m 不等，特大城市都在4 0 0 k m 以上。我国的城市轨道交通发展至今约有4 0 年， 经历了从无到有并到较快发展的时期，也出现了几起几落的情况，目前仍处于初 步发展阶段。地下空间的开发与国民经济发展密切相关，发达国家的地下空间发 展史表明：当全国人均产值达到或超过5 0 0 美元时，才进入可以大规模开发地下 空间的阶段。目前我国人均国民生产总值早就达到这个数值，在上海、北京、广 州、深圳等大城市已经大大超过这个值，可以进入大规模地下空间开发阶段。因 此：地铁的建设将是我国2 1 世纪城市地下空间开发的重点【4 】。到目前为止，北京、 上海、香港、广州、深圳、天津、南京、已经开通，且正在建的有北京地铁，上 海地铁，广州地铁，深圳地铁，南京地铁，重庆地铁，成都地铁，天津地铁，大 连地铁，长春地铁等。北京、上海、广州、天津、大连、深圳、南京、武汉、重 庆、长春等。此外，国家已经批准和正在筹建地铁的城市2 0 多座，预计2 1 世纪初 至中叶将是我国大规模修建地铁的时代。 近年来，我国正在大规模地丌展城市市政工程建设，尤其北京的城市轨道交 北京t 业大学t 学硕十学f f 7 ：论文 通建设更是居于全国首列。北京市现有地铁一号线、环线、八通线、十三号线和 五号线，已全部贯通运营。北京市轨道交通规划已明确，2 0 0 8 年轨道交通运营 线网长度将达到2 2 0 公里以上。预计日承担运输量为4 0 0 4 5 0 万人次，占公共 交通总运量的2 5 - 3 0 ，据了解，近十年北京市对城市交通的年均投入占到 g d p 的5 2 4 ，道路里程增长了3 3 。 北京制定中长期城市轨道交通建设规划，依初步设想，北京市远景轨道交通 规划线网由1 6 条地铁( m 线) 、6 条城铁( l 线) 和6 条市郊铁路( s 线) 组成，分三个 阶段实施。届时，北京市将拥有2 8 条轨道交通线路。据了解，规划既包括线网 设置和组成，也包括客流预测和融资方案。2 0 2 0 年规划线网将由1 9 条线路组成， 总长度5 6 1 5 k m 。市区线路1 5 条，4 2 5 7 k m ，包括m 1 m l l 、m 1 5 ( 至顺义) ，其 中m 1 0 与m 1 1 将形成第二个地铁环线，这个环线将充分服务于中关村科技园区， 商务中心区、奥林匹克公园等今后北京的多个中心区域。其他城市区内的地铁线 路都将围绕已有的环线地铁及m 1 0 与m 1 l 形成的第二个环线，向北京的各个郊 区发散，第二个环线区域内的居民出行可在5 m i n 之内到达地铁站。到2 0 5 0 年之 前，北京还将在城区内建设m 1 6 ，它将与m 4 相连接，形成贯穿南边的地铁主线。 同时，奥林匹克公园等区域也是轨道交通重点发展的区域。到2 0 2 0 年，北京还 将修建城市铁路l 1 、l 2 。这两条城市铁路将从北京的城区内向东北方向和西南 方向出发，通往京郊的顺义和大兴方向。通往郊区的线路有4 条，里程将达到 1 3 5 8 k m ，包括良乡线、昌平线、黄村线以及亦庄经通州至顺义的s 6 线。而且根 据北京市轨道交通的发展规划，在2 0 0 8 年举办奥运会前后，北京市要建成地铁 5 号线、4 号线、1 0 号线及奥运支线等一大批地铁线路，轨道交通的总营运里程 达到3 0 0k m 以上，投资强度大、建设任务重、施工工期紧都是世界之最【l j 。 1 2 研究意义 从地铁线路的规划网络我们可以清晰的看出，在各大城市地铁网的建设中必 然会遇到众多的节点车站，也必然存在车站及区间隧道相互穿越的工程问题，如 目前刚刚施工结束的地铁五号线在崇文门和东单车站分别下穿和上穿地铁环线 ( 2 号线) 和复八线( 1 号线) ，以及正在建设的地铁四号线宣武门车站、西单站、 十号线芍药居站、国贸站等。此外还有深圳地铁会展中心站、沈阳地铁青年大街 站等。 新建地铁与既有地铁线之间难以避免会出现上跨或者下穿的情况，施工中新 建线路车站穿越既有线路车站的影响，以及近距施工时的相互影响非常复杂，在 这种施工条件下，新建地铁施工过程中会引起地表的位移和变形，同时既有线和 新建地铁之间也会存在相互影响，对既有线的运营产生安全隐患，而既有地铁线 的存在对新建地铁施工提出更高更严的要求。如何把这些影响降到最低限度，既 能保证新结构物的施工顺利进行，又能保证既有线路安全、正常运营，寻求一种 第1 章绪论 安全、合理、经济的施工方法就成为一项重要的课题。目前，国内外对类似情况 的地铁施工理论研究并不是很成熟，从而造成施工时的风险【5 j 。因此，对于穿越 既有线的新建地铁施工引起的既有线及地表的位移变形规律、施工过程中初期支 护结构内力状态的动态变化、既有线的变形控制及控制标准等的研究非常有意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 近接施工研究现状 因受既有线的限制，施工难度急剧加大，国外把这种情况定义为近接施工， 给予高度重视，并对其范围进行了初步划分：一般范围( 不考虑相互影响) ，要注 意的范围( 通常不产生有害影响，但影响存在) ，需要采取措施的范围( 产生有害影 响) 。 关于隧道近接施工近接程度的判断，日本己于1 9 9 7 年公布了既有铁路隧 道近接施工指南，同时也发表了大量近接施工案例研究的论著。既有铁路隧道 近接施工指南对既有铁路隧道近接施工分类问题作了较为全面、系统的阐述。 近接工程的近接度的划分，需要对许多条件做出判断，这些条件包括：近接施工 的种类、近接工程的规模、近接施工的设计、施工方法、与既有隧道的位置关系 等。近接度一般划分为三个范围：无影响范围、要注意范围、限制范围。根据既 有隧道与新建隧道的间隔，其近接度的划分如表1 1 和表1 2 所示。 近接度的划分主要是根据既有隧道与新建结构物的间隔。这里所谓的“间隔”， 是指既有隧道衬砌外面到近接工程的最小距离。近接度判断采用的d ( 隧道外径) 值，指隧道衬砌的外面的垂直高度、水平宽度中的最大值。在隧道并列、隧道交 叉的情况时采用新建隧道的外径d 。当隧道的间隔小于0 5 d 时，近接施工可能 对既有隧道的结构产生重大的影响，施工时应当谨慎处理。表1 1 适用于新建隧 道在既有隧道左右并列的情况，即从既有隧道断面中央向上下方向引4 5 度斜线 的范围内并列的情况。在此线的上方或下方新建隧道时，应按隧道交叉的情况处 理，见表1 2 所示。 表1 - 1 近接度的划分( 隧道并列) 两隧道的位置关系隧道间隔近接度划分 2 5 d 无影响范围 2 5 d 无影响范隔 北京t 业大学t 学硕十学位论文 表1 - 2 近接度的划分( 隧道交叉) 两隧道的位置关系隧道间隔近接度划分 3 0 d 无影响范围 3 5 d无影响范同 表1 - 3 北京地铁在建线路近距离穿越既有地铁线丁程汇总表 序 新建线既有线穿越情况穿越类型最小间距m 号 12 崇文门暗挖车站下穿地铁2 号线区间下穿 1 9 8 25l 东单暗挖车站上穿地铁l 号线区间上穿 0 6 32 雍和暗挖区间穿环线雍和宫站 下穿o 3 42 宣武门暗挖车站下穿2 号线宣武门 一卜穿 1 9 54l 西单暗挖车站上穿l 号线区间上穿 0 5 4 62 西直门站改造( 预留) 71国双区间下穿l 号线区间下穿1 2 4 5 1 0 81 3 北芍区间下穿1 3 号线芍药居站下穿 9 1 2 5 9 机场线 1 3 东直门站穿1 3 号线东直门折返线下穿、侧穿 o 新建隧道在既有隧道上方交叉时，既有隧道会向上拉伸变形。在非常接近时， 会损伤既有隧道的拱作用，而使既有隧道的衬砌荷载增大。此外，也可能受到新 建隧道内活荷载的影响。反之，新建隧道在既有隧道的侧下方时，既有隧道会发 生下沉，有可能发生超过管理基准的轨道变形。隧道交叉对既有隧道的影响决定 于以下条件：两个隧道的间隔、两个隧道的相对位置关系、新建隧道的大小、新 建隧道的施工方法、地形和地质条件、既有隧道衬砌结构等。以上对于近接度的 判断仅限于既有铁路隧道的各类近接施工问题，只是我们在实际工程中遇到的近 接工程的一小部分。对于近接度的划分，注重分割，未注意联系，造成了有些工 程判断出现不连续性，即近接度的突变。另外，在限制范围内如何进行深入的影 响程度预测、施工对策的优化等一系列还有待于进一步的研究【6 】。表1 3 为北京 地铁在建线路近距离穿越既有地铁线工程汇总表。 根据调查目前节点车站的建设方式主要有： 第1 章绪论 ( 1 ) 同期建设，如4 、1 0 号线黄庄车站。 ( 2 ) 前期建设预留，如2 、4 号线西直门站。 ( 3 ) 穿越既有线施工，如崇文门、东单、宣武门站等。 隧道穿越既有线的主要形式有：依据新建隧道与既有线结构的位置关系可分 为下穿既有线、上穿既有线和侧穿既有线等3 种穿越形式，其中以下穿既有线工 程的技术难度最大。 目前，国外在交叉隧道施工技术方面进行的研究，均偏重于隧道施工引起的 位移变形监测分析。指导安全施工方面，未形成系统的施工技术理论体系。日本 在荻津隧道( 公路双洞双线隧道，最小间距1 5 m ) 、磁浮试验线上初狩隧道，意大 利在l o c o o c o l i o 公路隧道都因交叉隧道上下间距较小，需控制施工安全，做过 洞内监测和安全分析。另外，针对隧道穿越既有地铁线路的技术难题，对国内外 有关类似工程及其处理的措施都进行了调研和分析，其中包括美国波士顿中央交 通主动脉隧道、伦敦地下铁道延长线、韩国汉城车站、意大利铁路车站站场、日 本筑波、三之轮隧道和我国上海地铁上体场站、南京地铁穿越南京火车站等【。 我国由于地铁建设的不断发展，对于地铁理论方面的研究也越来越多。国内 一些技术人员也做了相关研究，其中铁道第二勘察设计院的扈森等以实例为基础， 模拟了几种典型工况，获得了主体结构的变形值和主要内力值。此外北京地铁5 号线东单站下穿长安街上跨1 号线，崇文门站下穿环线，针对这些特殊情况，许 多人就对其的施工方案、技术进行了理论分析和研究。潘晓马用数值分析的手段， 对既有隧道的安全性进行了弹塑性静力分析、瞬态动力学分析和结构力学分析， 主要研究了新建隧道的开挖对既有隧道造成偏压影响。综上所述，到目前为止， 新建地铁上跨或者下穿既有地铁施工方法的设计理论并不成熟。隧道施工既有线 结构安全的影响研究，在获知了地表的沉降值和分布后，如何评价上层既有结构 物的安全状态，是隧道施工过程中一个难度较大且急待解决的现实问题，因此， 必须研究既有结构物的评价指标和方法，目前这方面的研究还很不成熟，没有相 应的技术标准和规范可供利用，更大程度上是依靠经验，文中将完善对这一问题 的研究。也为今后类似工程设计、施工提供借鉴和指导。 1 3 2 监控量测研究现状 j 近年来，我国相继颁布实施的有关地下工程设计和施工的规程和规范都对监 测做出了具体规定，监测是城市地下工程必不可少的组成部分。地层力学参数的 不确定及施工过程的不可预见性，使地下工程设计和施工中难免出现与实际地层 条件不符合的情况，需要在施工过程中通过监测信息的反馈来修正设计，指导施 工。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利学者和工程师总结出了以尽可能不恶化地层中的应 力分布为前提，在施工过程中密切监测地层及结构的变形和应力，及时优化支护 北京t 、i p 大学t 学硕十学位论文 参数，以便最大限度地发挥地层自乘能力的新奥法施工技术。 经过长期的实践发现，地下工程周边位移和潜埋地下工程的地表沉降是围岩 与结构一支护结构系统力学最直接、最明显的反映，是可以检测并控制的，因此 普遍认为地下工程周边位移和潜埋地下工程的地表沉降监测最有价值，既可全面 了解地下工程施工过程中的围岩与结构及地层的动态，又具有容易观测、可控制 的特点，并较易于通过工程类比总结经验，建立稳定判别标准。基于以上认识， 我国现行规范中的围岩与结构稳定的判据都是以周边允许收敛值和允许收敛速 度等形式给出的，作为评价施工、判断地下工程稳定性的主要依据，监测以位移 监测为主，应力、应变监测等为辅。 城市地下工程无论采用何种施工方法，都借鉴了山岭隧道新奥法有关信息化 设计与施工的理念，实施过程中，不仅要考虑地下工程结构的稳定，而且要考虑 地下工程施工对周围环境的影响，因此城市地下工程的监测内容包括以下三类： ( 1 ) 结构变形和应力、应变监测。 ( 2 ) 结构与周围地层( 围岩与结构) 相互作用。 ( 3 ) 与结构相邻的周边环境安全监测。 目前，在地下工程设计中，都有较完善的监测设计，包括监测管理，监测方 法及检测设备等。但在实施过程中仍然存在很多问题。 由于监测与信息反馈技术对技术人员的专业水平较高，因此国内外在监测管 理方面，开始走专业化的道路，将监测作为一个独立的工序从工程项目中分离出 来，由有资质的的专业队伍承包，以保证监测的客观性与公正性。目前，在城市 地下工程建设中，开始引入第三方监测，监测方受业主委托，对地下工程施工影 响范围内的建筑物、地下管线、地下水位等进行监测，其目的主要有以下两个方 面：一是对施工单位的监测进行复核，以便对环境的影响进行客观、公正的评价， 提供给业主或城建主管部门；二是当发生重大环境安全事故时，监测结果是责任 判定的主要依据。因此在城市地下工程建设中开展第三方监测具有重要意义。 随着地下工程施工技术的发展，地下工程安全监测技术的发展也很迅速。主 要表现为监测方法的自动化和数据处理的软件化。监测设备及传感器不断发展与 完善，监测技术向系统化、远程化、自动化方面发展，从而实现实时数据采集、 数据分析，监测精度不断提高，数据分析与反馈更具有时效性，如远程监测系统。 目前发展的远程监测系统主要有下面几种： ( 1 ) 近景摄影测量系统。 ( 2 ) 多通道无线遥测系统。 ( 3 ) 光纤监测技术。 ( 4 ) t 1 1 接触监测系统。 ( 5 ) 电容感应式静力水准仪系统。 ( 6 ) 巴塞特结构收敛系统。 第1 章绪论 ( 7 ) 轨道变形监测系统。 目前国内监测与信息反馈技术在应用过程中主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 部分工程未把监测与信息反馈作为重要工序编入施工组织设计，有的虽 然作为工序编入，但实施不规范、不彻底，应用效果极差。 ( 2 ) 施工技术人员没能真正领会和掌握信息化设计与施工技术，实时过程中 缺少专业人员。特别是信息反馈方面，很少能结合施工情况，对监测信息进行合 理分析，进而对工程设计和施工起指导作用。 ( 3 ) 缺乏施工对环境影响的评估标准，因此有必要就地下工程施工对周围环 境影响的评估程序、评估方法以及控制标准进行研究。 ( 4 ) 在我国部分城市地下工程施工中，引入了第三方监测，对促进监测技术 健康发展具有一定的积极意义，但还要进一步规范监测组织与实施【8 1 。 1 4 选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题 1 4 1 研究内容 隧道穿越既有线施工必然造成对既有结构的影响，严重时可能造成结构的破 坏和部分使用功能的丧失，甚至影响到运营安全。因此新建隧道施工与既有结构 的安全性保护构成一对矛盾体，结构损坏( 广义上安全或部分功能的丧失) 发生 的充要条件是：新建工程施工的附加影响已经超过既有结构的强度( 如承受变形 的极限能力等) ，因此保护既有结构不发生破坏的主要措施有： ( 1 ) 减小施工造成的附加影响，使其不超过结构所能承受的强度极限； ( 2 ) 加固既有结构，提高其抗变形能力和强度。 事实上，在施工过程中所有技术措施的制定也都是围绕这两个方面进行的。 因此隧道穿越既有线工程的工作重点为： ( 1 ) 既有结构的安全性评价，给出控制指标和标准； ( 2 ) 制定合理有效的技术措施，尽量减小附加变形对既有结构的影响； ( 3 ) 在既定的施工方案下制定详细的阶段控制目标和措施，并保证实施到位， 落到实处： ( 4 ) 监控量测、信息反馈及过程控制； ( 5 ) i 后评估和恢复措施的制定和实施。 本课题以北京地铁四号线西单站地层结构为例，主要研究交叉地铁新线施工 开挖对旧线及地表的影响，得出地铁新线施工开挖引起的旧线及地表位移和变形 规律，对影响位移和变形的因素进行分析。以及对于施工过程中初期支护结构内 力状态的动态变化、既有线的轨道、结构变形控制及控制标准等。建立：( 1 ) 完 善且切实可行的监控量测方案；( 2 ) 既有地铁构筑物状态变化监控管理指标及控 制标准；( 3 ) 既有地铁构筑物受施工影响的反应模式和评价方法；( 4 ) 浅埋暗挖隧 道穿越既有地铁构筑物的合理施工方法。 北京t 、i k 大学t 学硕十学何论文 需要说明的是，对于穿越既有地铁线路工程，除保证结构的安全外还必须满 足诸如曲线竖直度、两轨高差、两轨水平移动量以及隧道净空要求等要求。这些 应在结构评估、综合调研和理论分析的基础上综合研究决定。尽管考核既有线安 全状况的评价指标很多，但各项指标之间具有显著的相关性，大量实践表明，既 有线结构的最大沉降量和沉降速率仍然我们所更为关心的，这是因为：最大沉 降量是各种指标的综合反映，集中体现了既有线的安全状况；沉降速率的突然 增大通常是某些异常变化的体现，若措施不当则可能发生灾难性事故。因此，就 其本质而言，穿越既有地铁构筑物的核心问题就是对其沉降量和沉降速率的控制， 采用可靠的技术措施使沉降值控制在允许的范围内。 针对这些，我们可以切实的看到施工时真正的变化情况以及采取的措施是否 可靠有效而且经济。分析施工中主体结构的内力空间分布与变形的发展、变化规 律。研究地表沉降对既有线运营的影响，合理选取力学参数和支护结构参数，寻 求合理的施工方法，以及近接施工地表沉降的空间效应研究；如果能够事先给出 对周围环境特别是地表沉降最小的控制标准，在施工的过程中只要实现这个施工 目标就可以确保周围地面建筑物及工程环境的安全。目前，在设计施工技术文件 中给出的地表沉降主要是根据专家意见或经验笼统地确定的。实际上，不同的环 境条件和工程条件控制值是不一样的，实际工程实践也证实了这一点，因此，深 入开展隧道施工对周围环境的影响以及地表沉降的控制基准研究无疑是非常重 要的，目前，国内外在这方面的研究还处于初期阶段，文中将对这一现实问题从 多方面进行讨论。 1 4 2 研究目的 本课题与北京地铁四号线西单站的实际工程相结合，对新建线路车站穿越既 有线路的影响，以及近距施工的相互影响进行数值模拟，充分考虑影响因素( 地 质条件、荷载作用条件等) ，数值模拟分析得出的结论可与实际工程完工后监控 量测结果进行相互对比验证。建立既有地铁构筑物结构安全性评价体系及方法和 既有地铁构筑物状态变化监控管理指标及控制标准，以及既有地铁构筑物受施工 影响的反应模式和评价方法和其与轨道系统变化的监测及控制管理；分析施工中 主体结构主要内力与变形的空间分布、变化规律，优化施工方法，把既有地铁线 的存在对新建地铁施工影响降到最低限度，确保运营地铁隧道的安全。寻求一种 安全、合理、经济的施工方法。 1 4 3 解决的关键问题 1 4 3 1 施工中解决的关键问题 ( 1 ) 保证既有线的安全运营 新线施工不可避免地要对既有线的运营产生影响，但只要通过有效的工程措 施，将这种影响降低到列车安全运营允许的范围内，施工即可正常进行。这里， 第1 章绪论 问题的关键在于设定合理的、保证既有线安全运营所需要的各项指标及其管理值。 ( 2 ) 保证施工过程的安全 既有线结构的存在恶化了施工条件，同时还要考虑到结构荷载及其运营振动 的影响，因此必须保证新建工程本身的安全，避免灾难性事故的发生。 ( 3 ) 监控量测和信息反馈是工程安全的重要保证 监控量测并实施信息反馈可使既有线结构和工程施工处于受控状态，使每一 步的施工都有明确控制目标和要求。这在穿越既有线施工中具有尤其重要的意义。 在系统研究的基础上，形成若干几个技术要点，针对不同的隧道穿越方式和 主要技术难点进行研究和实践，形成相应穿越方式下的若干核心技术点和关键技 术。最后通过技术整合，形成浅埋暗挖法穿越地铁既有线结构的系统关键技术。 1 4 3 2 穿越既有线工程解决的关键问题 ( 1 ) 既有地铁构筑物结构安全性评价体系及方法； ( 2 ) 既有地铁构筑物状态变化监控管理指标及控制标准； ( 3 ) 既有地铁构筑物受施工影响的反应模式和评价方法； ( 4 ) 新建浅埋暗挖隧道与既有地铁构筑物合理间距的确定； ( 5 ) 浅埋暗挖隧道穿越既有地铁构筑物的合理施工方法； ： ( 6 ) 既有地铁构筑物与轨道系统变化的监测及控制管理； ( 7 ) 既有地铁构筑物分步开挖施工影响的变位分配原理、方法与控制研究； ( 8 ) 既有地铁线运营振动对浅埋暗挖隧道施工影响的评价方法和控制技术。 1 5 研究思路与技术路线 本课题以地铁穿越既有线的实际工程施工为背景，首先阅读大量相关文献， 了解国内外相关研究现状。进而充分了解实际工程概况，熟悉现场工作环境。并 征求导师及业内人士的建议，在此基础上，运用专业知识进行分析，提出切实可 行监控量测方案。然后常驻施工工地现场，并依据制定好的方案逐步实施和优化， 最后对实际监测得到的数据进行整理分析，并运用数值模拟与实测数据进行比较 分析，得出近接地铁新线施工引起的旧线及地表的位移变形规律。最终建立既有 地铁构筑物结构安全性评价体系及方法和监控管理指标及控制标准。 1 6 本课题的特色及创新之处 ? ( 1 ) 目前，针对近接及交叉地铁开挖的研究还不多，相关的监测资料还比 较欠缺，既有结构物的评价指标和方法等方面的研究还很不成熟，没有相应的技 术标准和规范可供利用，更大程度上是依靠经验，本选题比较新颖和实用。 ( 2 ) 本课题与北京地铁四号线西单站的实际工程相结合，能真实反映施工 现场的情况，数值模拟分析得出的结论可与实际工程完工后进行相互对比验证。 第2 章地铁隧道施t 峪测项目方法和原理 第2 章地铁隧道施工监测项目方法和原理 2 1 监测项目及方法 2 1 1 整体监测项目与内容 从考虑地下工程结构稳定及施工对周边环境影响出发，地下工程主要监测项 目可以分成三类：第一类是支护结构的变形和应力、应变监测；第二类是支护结 构与周围地层( 围岩与结构) 相互作用监测；第三类是与结构相邻的周边环境的 安全监测。确定监测内容的原则是简单易行、结果可靠、成本低、便于实施。此 外，所选择的被测物理量要概念明确、量值显著、数据易于分析、易于实现反馈。 简单罗列如下： ( 1 ) 地质和支护状态现场观察：开挖面附近的围岩稳定性，围岩构造情况， 支护变形与稳定情况，准确掌握围岩情况。 ( 2 ) 岩体( 岩石) 力学参数测试：抗压强度、变形模量、黏聚力、内摩擦 角、泊松比。 ( 3 ) 应力应变测试：岩体原岩应力，围岩应力、应变，支护结构的应力、 应变。 ( 4 ) 压力测试：支护上的围岩压力，渗水压力。 ( 5 ) 位移测试：围岩位移( 含地表沉降) 、支护结构位移。 ( 6 ) 温度测试：岩体( 围岩) 温度、洞内温度、洞外温度。 ( 7 ) 物理探测：弹性波( 声波) 测试，即纵波速度、横波速度、动弹性模 量、动泊松比。 以上监测项目，一般分为应测项目和选测项目。应侧项目是现场量测的核心， 它是设计、施工所必须进行的经常性量测。选测项目是由于不同地质，工程性质 等具体条件和对现场量测要取得的数据类型而选择的测试项目。由于条件的不同 和要取得的信息不同，在不同的隧道工程中往往采用不同的测试项目。但对于一 个具体的隧道工程来说，对上述列举的项目不会全部应用，只是有目的的选用其 中的几项【9 j 。潜埋暗挖法工程主要监测项目如表2 1 所示。 北京t 业大学t 学硕十学位论文 表2 - 1 潜埋暗挖法工程主要监测项目 1 2 。 第2 章地铁隧道施t 监测项目方法和原理 2 1 2 变形监测项目与方法 变形监测是保障地下铁道工程建设的质量、沿线建筑环境保护以及车辆运营 安全的重要手段。地下铁道在修建旌工中，有两方面的变形监测工作：一是对隧 道开挖引起的边墙及周围地基、建筑物的变形观测，对隧道内部拱顶、底部的沉 降观测；二是对因开挖引起的地表道路、两侧建筑物、高层楼房等沉降、倾斜、 裂缝观测。通过监测随时预报变形、沉降值的大小，以便及时修改各项参数或对 暗挖隧道采取加固措施，控制变形量保证安全，避免损失。 此外，地铁还有一项重要的变形监测任务，就是对既有隧道结构和车站的长 期位移和沉降监测。地下铁道在修建和运营期间进行变形观测是完全必要的，其 监测的意义：一是随时掌握隧道本身及其周围环境( 地面建设、地下水、不良地 质等) 影响引起的沉降和位移大小，采取措施防止继续变形、危害结构和运营安 全；二是累积监测数据，分析变形规律，为地铁轨道、设备检修及后续地铁设计、 施工提供参考依据。地铁变形监测内容见图2 1 ，监测的方法和仪器见表2 - 2 1 0 l 。 图2 1 地铁变形监测内容 测濑 璺敛量 勘 髓蝴髓 位承孔嚏酶洲鼬艄般楗下护力及护顶支两力支拱和镌内坡构构杆架边结结锚钢一一一一一 一 缩彤爱删螂隧剡拇羽 屋量溺 溺 溺形瑟溯形变力观变物雁降线筑及沉管建形表下要变地地重 岩线线线 曝沿沿沿 一 一一 一 一 环形餮翮戳缀地境翦 渊，观 曩 獭降量 溯 釉沉溯形测墨日形变现抽入变床降姒出物邀沉鲻与筑雠黼剖鹏黼中顶缝站及道邀降站 星轨隧沉车断 一 广 一 一 一 一 隧形隆硎则燃地邀按 地铁 变形监 测内容 北京下业大学t 学硕十学位论文 表2 - 2 地铁变形监测的方法和仪器 测量内容测量方法常用测量仪器 人地测量精密水准仪 边坡支护桩墙位移测量 物理测量测斜仪、全站仪 结构拱顶沉降测量大地测量精密水准仪 结构净空水平收敛量测物理量测收敛仪( 计) 结构和支护的应力应变量测物理量测应变计、应变片 锚杆锚同力量测 物理量测 锚杆测力计 钢架内力及承受荷载量测物理量测钢筋应力计 围岩内部变形及压力量测物理量测压力盒、磁环式沉降仪 地表沉降及建筑物变形测量大地测量精密水准仪、精密全站仪 大地测量 精密水准仪 地下隧道及建筑物变形测量 自动化测量电子全站仪、电动全站仪 2 1 3 主要监测仪器和传感器 2 1 3 1 主要监测仪器 在地下工程施工监测中，如前所述需要监测的物理量主要有位移、应变、压 力、应力等。因此用于地下工程施工监测的仪器主要包括以下几类： ( 1 ) 用于宏观位移监测的仪器包括经纬仪、水准仪、全站仪、收敛计、测 斜仪、分层沉降仪、位移计、裂缝观测仪、建筑物倾斜仪等；( 2 ) 用于结构和围 岩压力、应力、应变监测的仪器。主要有电阻应变仪、钢弦式频率接受仪等；( 3 ) 用于地下水参数监测仪器有水位计和渗水压力计；( 4 ) 用于其他参数观测的仪器， 如监测爆破振动参数的爆破振动仪、探测地下管线位置的探测仪等。实际工作中， 根据监测项目、精度要求，考虑“经济性、安全性、适用性、耐久性 等选择合 适的监测仪器。各种仪器简单介绍如下： ( 1 ) 经纬仪 经纬仪是一种精密的光学仪器，它可以精密地测定水平角度、垂直角度及概 略距离。在监测过程中，经纬仪可用来建立平面控制网，可以监测以下几个项目： 基坑维护结构及支撑系统的水平位移。 道路、管线的水平位移。 地下工程施工引起的周围建筑物的水平位移和倾斜。 测斜管管口的水平位移。 ( 2 ) 水准仪 水准仪是能提供水平视线，用以测量各测点之间高差的光学仪器。在监测工 作中，水准仪可用来建立沉降控制监测网，主要监测项目如下： 基坑维护结构及支撑立柱的沉降。 地表管线的沉降。 第2 章地铁隧道施t 监测项目方法和l 原理 由