（道路与铁道工程专业论文）地铁穿越工程中新建地铁对既有地铁安全运营的影响分析.pdf

中文摘要 摘要：新建地铁线路穿越既有地铁结构和线路时，其施工阶段和使用阶段可 能会对既有地铁产生不利的影响，会使结构产生一定程度的变形，为保证地铁运 营安全往往会在影响区段采取列车限速，极大地影响了地铁的服务质量。随着北 京地铁线路的不断开通，北京地铁已形成了网络化运营格局，形成了许多网络节 点，一旦某条线路受到较大影响，就会影响到与其连接的换乘节点，从而影响整 个网络的运输，并且地铁投入运营的线路越多，这一问题越突出。 因此如何预测既有线的允许变形值和评价在穿越工程的施工扰动下既有线的 安全性状，给出相应的控制指标，并对其进行安全分级以便采取相应的措施，将 工程对地铁结构及运营的影响降低到地铁可以接受的范围内，就显得日益迫切和 重要。 本文在现有研究资料和工程实例的基础上，针对北京市地铁结构、设施和运 营组织的特点，从现状调查和研究入手，具体开展了以下几个方面的工作： 1 对风险评估的方法、思路、内容和手段进行较为明确的要求和统一，通过 对相关风险等级影响因素的分析，提出了风险等级划分的原则、标准及相关管理 建议； 2 对评估报告成果进行了规范，并且结合北京地铁穿越工程的案例，给出了 地铁结构、轨道结构控制指标的建议，提出了为达到控制指标、保证运营安全所 采取的措施和手段； 3 通过对工程实例的建模分析，验证了风险评估报告的规范性及完整性。 本文通过对风险评估、风险等级判定及管理、控制指标及相关控制措施等多 个方面进行系统、全面的分析和总结，并重点强调了限速措施及相关运营影响分 析的适用性和必要性，从而最大限度地降低地下工程施工对轨道交通行车组织的 影响，确保客运组织安全正常有序，为北京地铁运营管理部门在保证地铁安全运 营的前提下进行科学决策提供了理论依据。 关键词：既有地铁；风险评估；风险等级；控制指标。 分类号：u 2 9 1 6 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w h e nn e wm e t r ol i n e sc t o s se x i s t i n gm e t r os t m c h l r ea n dt u n n e l ， c o n s t r u c t i o ns t a g ea n du s i n gs t a g em a yh a v eu n f a v o r a b l ei n f l u e n c eo ne x i s t i n gm e t r o ， a n dc a u s es o m ed e g r e ed e f o r m a t i o no fm e t r os t r u c t u r e t r a i ns p e e dl i m i to f t e nb et a k e n i na f f e c t e ds e c t i o nt oe n s u r es a f e t yo fm e t r oo p e r a t i o n ，s os e r v i c eq u a l i t yo fm e t r oa r e g r e a t l yi n f l u e n c e d a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gm e t r ol i n e so p e n e dt o t r a f f i c ，n e t w o r k o p e r a t i o np a t t e r na n dm a n yn e t w o r kn o d e sh a v eb ef o r m e d o n c eo n el i n ei sg r e a t l y i n f l u e n c e d t r a n s f e rn o d e sw h i c ha r ej o i n t e dw i t hi tw i l lb ee f f e c t e d ，a n dc o n s e q u e n t l y i m p a c tt h et r a n s p o r t a t i o no ft h ew h o l en e t w o r k a n dt h em o r el i n e sw h i e ha r ep u t t e d i n t oo p e r a t i o n ，t h em o r eo u t s t a n d i n gt h i sp r o b l e m t h e r e f o r eh o wt op r e d i c tt h ep e r m i s s i b l ed e f o r m a t i o nv a l u eo fe x i s t i n gl i n e sa n d e v a l u a t et h es a f e t yc h a r a c t e ro ft h ee x i s t i n gl i n e su n d e rt h ec o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c eo f t h ec r o s s i n ge n g i n e e r i n g ，g i v i n go u tt h er e l e v a n tc o n t r o li n d e x ，a n dc l a s s i f yi tb ys a f e t y t ot a k es o m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s ，r e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo fm e t r oc o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o nt ot h ea c c e p t a b l er a n g e o fm e t r o i ti si n c r e a s i n gu r g e n ta n di m p o r t a n t o nt h eb a s i so ft h ep r e s e n tr e s e a r c hd a t aa n de n g i n e e r i n ge x a m p l e s ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r e ，f a c i l i t i e sa n do p e r a t i o no r g a n i z a t i o no fb d j i n gm e t r o ， s t a r t i n gw i t hp r e s e n ts i t u a t i o ni n v e s t i g a t i o na n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mr e s e a r c h , t h i s p a p e rc o n c r e t e l yd e v e l o p st h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 d e f i n i t e l yr e q u i r ea n du n i f yt h ep u r p o s e ,m e t h o d ， c o n t e n ta n dm e f l l l so fr i s k a s s e s s m e n t ，a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fr e l a t e dr i s kg r a d e ，p u tf o r w a r ds o m e p r i n c i p l e sa n ds t a n d a r do f r i s kg r a d ed i v i s i o na n dr e l a t e dm a n a g e m e n ts u g g e s t i o n s ； 2 s t a n d a r d i z et h er e s u l to fe v a l u a t i o nr e p o r t ，r e f e rt oc a s e so fc r o s s i n gp r o j e c to f b e i j i n gm e t r o ，p u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n so n m e t r os t r u c t u r e ，c o n t r o li n d e xo ft r a c k s t r u c t u r e ； 3 a c c e d i n gt oa n a l y s i sb ym o d e l i n go fp r o j e c te x a m p l e s ，v e d f yt h es t a n d a r da n d i n t e g r a l i t yo f r i s ke v a l u a t i o nr e p o r t ； v n t h r o u g hc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gr i s ke v a l u a t i o n ，j u d g m e n ta n d m a n a g e m e n to fr i s kg r a d e ,c o n t r o li n d e xa n dr e l a t e dc o n t r o lm e a s u r e sc t c ,a n d e m p h a s i z ea p p l i c a b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fs p e e dl i m i tm e a s u r e sa n dr e l a t e do p e r a t i o n a f f e c ta n a l y s i s ，c o n s e q u e n t l yf u r t h e s td e p r e s si n f l u e n c eo ft r a f f i co r g a n i z a t i o no fm e t r o r a i lt r a n s i tt oe n s u r ep a s s e n g e rt r a n s p o r to r g a n i z a t i o ns a f e , n o r m a la n do r d e r e d t h i s p a p e rp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rb e i j i n gm e t r oo p e r a t i o nm a n a g e m e n td e p a r t m e n tb y t h ep r e m i s eo f g u a r a n t e e i n gm e t r os a f eo p e r a t i o n k e y w o r d s ：e x i s t i n gm e t r o ；r i s ka s s e s s m e n t ；r i s kg r a d e ；c o n t r o li n d e x c l a s s n 0 ：u 2 9 1 6 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名爿羔穆 导师签名： 签字日期：2 0 0 年6 月力归 签字日期： 彩钐 雷刍年只2 2 - 1 j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名它曼挺睁签字日期：二。1 ，年f 月2 2 日 致谢 本论文在我的导师彭华副教授悉心指导下得以顺利完成，一言一字都凝聚着 导师的心血。两年的学习生活，彭老师亲切和蔼的性格、治学严谨的学术态度无 不影响到我，促使我在学习方面不断前进，在论文付梓之际，向彭老师表达我衷 心的感谢! 同时也感谢我的所有任课老师，是他们传授我专业知识，为以后的科 研工作打下了基础! 在论文的撰写过程中，张彦斌学长，刘昊同学以及郭强，朱宝玲，李菲等各 位师弟师妹给予了我大力的支持和帮助，在此向他们致以我由衷的谢意和感激之 艟 i 再0 还要感谢我的父母和亲友，感谢他们这么多年来对我学业的支持，是他们鼓 励我不断向更高的目标迈进! 最后，感谢各位老师在百忙之中对我论文的审阅和批评指导! 1 绪论 1 1研究背景及意义 1 1 1研究背景 城市轨道交通是整个城市交通系统的骨干，大城市的交通必须向以轨道交通 为主体的多层次综合客运体系发展。城市轨道交通具有便捷、快速、大载客量以 及运营安全等特点，是改变日前大城市交通拥挤状况，保持城市活力虽有效的手 段之一。自上世纪9 0 年代以来，轨道交通在全国各大城市得到了迅速、太规模的 发展。 图i - i2 0 2 0 年北京轨道交通规划幽 f i 9 1 1p l a n i n g g r a p h o f b e i j i n g u r b a nr a i l t r a n s i t i n2 0 2 0 对于城市地铁来说，已经由单独的一两条地铁线路变为复杂的地铁网络，随 着地铁网络的形成，受上覆建筑物的限制，新旧结构的近距离施工成为线路规划 不可避免的问题。 按照2 0 2 0 年的中期规划，北京城市轨道交通总里程达到7 9 8 公里。根据远景 目标，北京还将继续加大城区轨道线网密度。按照2 0 5 0 年的长期规划，北京将有 2 2 条市区轨道线路，总长6 9 3 公里，加上郊区线路3 0 0 多公里，北京轨道交通总 里程将超过1 0 0 0 公里，其中，城市轨道交通系统承担客运总量的比例要达到5 0 - - 6 0 。城市轨道交通的大规模建设必然带来各条线路的交叉换乘问题，产生很多节 点车站和区间隧道的穿越，在2 0 5 0 年北京市区轨道交通规划图中，节点车站和地 铁区间穿越段的数目多达1 1 8 处，这对地铁设计和施工提出了挑战。 地铁的运输任务一直非常紧张，特别是自2 0 0 7 年票价改革以来，单一两元的 票价使得轨道交通成为首都人民出行的首选方式。一旦由于穿越工程影响了地铁 的运营，其带来的后果是非常严重的，甚至会造成城市的交通混乱与瘫痪。 就目前而言，北京地铁已经存在数十处下穿工程，比较典型的工程有机场线 工程东直门站穿越既有1 3 号线折返线、南水北调总干渠下穿地铁一号线五棵松站、 湖光中街自行车道和人行道下穿城铁1 3 号线、金融街西二环地下机动车出入口通 道穿越2 号线阜复区间等等。在穿越工程中有非常成功的，也有出现问题的。 如果风险辨识不清、认识不足或施工不当，便会造成严重的后果，对人民的生命、 国家财产造成极恶劣的影响。如在地铁5 号线建设期间，由于其施工导致既有2 号线基础结构和轨道线路产生了较大的沉降，迫使2 号线在东单站、崇文门站采 取了严格的限速措旅等，极大地影响了地铁的服务质量和运营能力；在一些市政 隧道下穿地铁车站或区间结构时，使既有结构产生了一定的附加变形和应力变化， 降低了地铁的使用寿命。 随着北京地铁线路的不断开通，北京地铁已形成了网络化运营格局，其有许 多网络节点，一旦某条线路受到较大影响，就会影响到与其连接的换乘节点，从 而影响整个网络的运输，地铁投入运营的线路越多，这一问题越突出。另一方面， 随着城市的不断发展，穿越工程的数量也会越来越多，其对地铁运营线路的影响 不再是几个个例，而是比较普遍的，将会出现在地铁运营网络上存在多处穿越工 程同时进行，而其中一处或几处出现问题和事故，会导致整个轨道交通网络陷入 混乱，地铁的网络化运营与大量的外部地下工程之间的关系将会更加复杂，迫切 需要对其进行分析研究，最终达到将穿越工程对地铁运营的影响降到最低。 1 1 2研究的目的及意义 地铁作为城市构筑物的重要组成部分，肩负着城市轨道交通的重要责任，在 城市交通居民出行中占有十分重要的地位。而新建地铁工程穿越既有线路时，对 地层的扰动在很大程度影响着既有线的安全性状。如何预测既有线的允许变形值 和评价在穿越工程的施工扰动下既有线的安全性状，给出相应的控制指标，并对 其进行安全分级以便采取相应的措施，将工程对地铁结构及运营的影响降低到地 2 铁可以接受的范围内，日益迫切和重要。 本项目研究的目的及意义在于：在现有研究资料和工程实例的基础上，针对 北京市地铁结构、设施和运营组织的特点，从现状调查和变形机理研究入手，对 风险评估、风险等级判定及管理、控制指标及相关控制措施等多个方面进行系统、 全面的分析和总结，并重点强调了限速措施及相关运营影响分析的适用性和必要 性，保证了整个流程的系统性、完整性和规范性，从而最大限度地降低地下工程 施工对轨道交通行车组织的影响，确保客运组织安全正常有序，为北京地铁运营 管理部门在保证地铁安全运营的前提下进行科学决策提供了理论依据，同时，也 为全国其它城市类似工程的决策提供非常好的借鉴和参考作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国内外研究实例 实例1 【1 】【2 】：明珠线二期上海体育馆地铁车站施工必须穿越一号车站底部，而 且需打通原一号线车站底板和站台板，形成换乘节点。穿越车站的施工必然会对 运营中的一号线车站结构产生影响，造成施工风险。为了减少这种风险，孔祥鹏 等利用三维有限元方法从理论上对老车站的结构变化进行分析，根据计算结果建 议( 1 ) 应实行以监测反馈为基础的信息化施工；( 2 ) 在穿越段施工时应采取合理 的辅助措施，包括注浆加固等其他一些技术措施。从而保证新车站安全施工的同 时原来的一号线车站仍能正常运营。蛹j 实例2 【3 】f 4 】【5 1 ：美国波士顿i 9 3 州际公路北向隧道段下穿地铁r e dl i n e 南站的 工程。该隧道位于波士顿市亚特兰大街和飒莫街交叉地段，其上依次叠置有站厅 层、m b t a 电车地下车站和r e d l i n e 南站共三层结构。工程采用盖挖法，结构底板 距地表约1 9 m 。站体座落于灰色淤泥土和粘土中，钢筋混凝土结构，其状况尚完 好。仅局部可见渗水、裂纹和劣化块段，程度轻微，施工前进行了整修并对结构 状态进行了全面的评估，认为完全可以承受施工导致的应力、应变的增加。 新建隧道为四车道公路隧道，位于既有r e d l i n e 南站正下方，其上部支护结构 距既有车站底板约1 5 m 。施工采用托换的方法。首先在工区一侧开挖两施工竖井， 深约3 5 m 。在既有地铁车站下沿隧道方向平行开挖两导洞，在洞内对其下深1 8 m 的土体进行注浆加固，形成两道加固土墙体。然后在墙体内分三层开挖导洞，并 浇注钢筋混凝土墙，使墙体直接作用于新鲜岩体上。在紧邻既有地铁站的导洞中 沿与导洞垂直方向以一定间距开挖小导洞，并在其中采用后张法浇注钢筋混凝土 梁，支撑于混凝土墙上。这样，托换体系完成。托换面积为2 5 x3 6 m 2 ，在该结 3 构的保护下进行隧道开挖。 为了保证既有车站及其附属设施的正常运营，对施工过程进行全程2 4 小时监 测，并规定既有结构弯曲变形警戒值为6 m m ，极限值为l o m m 。 9 1 实例3 1 6 1 ：韩国某三拱两柱地铁车站下穿既有地铁结构工程。该工程拱顶距既 有地铁结构底板4 m 。车站宽2 2 8 m ，高8 1 m 。柱体纵向上设计为连续墙的形式， 以承重和隔离机车噪音。 车站围岩上部以风化岩为主，下部为新鲜坚硬岩石。为了保证既有地铁的正 常运营，强化土体以保证工作面的稳定，在新老结构间土体中分层打设了由6 0 的 管棚( 其中侧洞顶打设4 层，中洞顶打设5 层) 并进行高压注浆，形成约3 m 厚的 保护层。随后，开挖侧洞，单位进尺0 8 m ，施作初支，包括2 5 c m 厚喷混凝土、 钢架和锚杆，衬砌封闭成环后，再开挖中洞，完成隧道衬砌。工程量测表明，侧 洞开挖时，拱顶沉降和侧墙位移为3 - 4 m m ，初期支护中最大应力达到4 6 m p a ， 多数量测峰值出现在上半断面开挖阶段，下半断面开挖对沉降和应力增加影响较 小。开挖2 个月后隧道位移收敛，中洞开挖阶段，拱顶沉降为3 m m ，混凝土喷层 中应力为0 5 m p a ，柱墙中应力为0 3 5 m p a ，隧道位移在开挖完成后1 个月停止发 展。 从以上隧道穿越既有地铁构筑物和地面铁路线的工程实例中可以看出，此类 穿越工程较多。与穿越其他建筑物不同，在穿越既有地铁工程中，主要目标在于 如何控制既有地铁的变形，将变形限制在安全运营许可的范围内，在保证既有线 正常运营的条件下实现新建地铁的安全施工。这个要求可能要远远高于新建结构 安全与地层稳定对于施工的要求。因此保证既有线的安全运营是穿越既有线工程 的重点和难点。从以上研究中可见目前存在以下问题： ( 1 ) 新线穿越既有地铁结构的技术体系 综合国内外情况，对于穿越工程的研究，多是停留在对个别工程实例的就事 论事阶段，针对具体工程提出安全穿越的施工方法，而缺乏对该问题研究的系统 性，不能对类似工程提供指导作用。因此就目前来看，急需一套完整的能够指导 穿越既有地铁安全施工的理论和方法。尤其是浅埋暗挖法对地层的控制作用难于 盾构方法，因而更增加了对于既有地铁控制的困难。本论文则是通过对建立评估 报告的各个关键技术进行研究，并应用于实践。通过在工程中应用，总结提升， 形成一套完整的评估穿越地铁工程中新建地铁对既有地铁影响的技术体系。 ( 2 ) 施工对既有线附加影响预测 穿越既有地铁工程与穿越其他建筑物工程相比，一个显著的特点也是他的难 点所在，就是既有地铁的安全运营要求。既有地铁的安全运营除了对于净空的要 求外，多是对于轨道的要求，如轨道不平顺、两轨高差、轨距增宽与减窄等。此 4 种要求一般会高于地铁结构稳定对于附加变形的要求。然而，从以往的影响预测 方法来看，对于新建隧道施工引起既有地铁的破坏类型无统一认识，往往只涉及 某一方面；且多是考虑新线施工对既有地铁结构受力和变形的影响，而对于既有 地铁结构与轨道的相互作用很少论及。 ( 3 ) 既有线的恢复 在实际施工过程中，由于客观条件的限制或某些突发事件，很可能会在某个 施工阶段我们就能判断出既有地铁结构的变形已经超出了允许限度，或者继续施 工必将超出允许限度，即使是通过措施的加固也不能控制这种趋势。对于此种情 况，必须实行工程的抢险方案，即考虑采取一些恢复措施，使沉降恢复到控制值 之内，从而实现总体控制目标，保证既有线的安全使用。 注浆顶升法能有效的实现对既有地铁结构的沉降恢复。但是，由于构造及要 求不同，既有地铁的恢复技术不同于地面建筑或道路等的恢复，目前还没有一套 系统的可资工程应用的注浆抬升设计理论和方法。为此，藉助前人研究成果，针 对城市地铁隧道的特点，对既有地铁的注浆抬升理论、参数的设计与选择进行系 统的探讨，以给出一套实用的既有线注浆抬升的设计方法。【8 】 1 2 2近接度的划分 日本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。该指南对既有铁路隧道近接施工类问题作了较全面、系统 的阐述。d 6 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3 2 至表3 一1 0 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。 表1 - 1 近接度的划分( 隧道并列) t a b 1 - 1p a r t i t i o no fg r a d e ( t u n n e lj u x t a p o s i t i o n ) 两座隧道的位置关系 隧道间隔近接度的划分 2 5d无条件范围 5 2 5d 无条件范围 注：d 为新建隧道的外径。 图1 - 2 近接度的划分( 隧道并列) f i gl - 2p a r t i t i o no fg r a d e ( t u n n e lj u x t a p o s i t i o n ) 表1 2 适用于新建隧道在既有隧道左右并列情况。即从既有隧道断面中央向上 下方向引4 5 。的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。隧道间隔小于0 5 d 时，预计对隧道结构有重大影响，应慎 重处理。新建隧道采用爆破法施工时，应另外研究爆破振动的影响。 表1 - 2 近接度的划分( 隧道交叉) t a b 1 - 2p a r t i t i o no fg r a d e ( t u n n e lc r o s s i n g ) 两座隧道的位置关系 隧道间隔 近接度的划分 1 5 d限制范围 新建隧道在既有隧道的上方 1 5 3 0d 要注意范围 3 od 无条件范围 2 0 d限制范围 新建隧道在既有隧道的下方2 0 3 5d要注意范围 3 5d 无条件范围 6 茏警嘲赶蕾 魂赶瞄 无雾崎蘸曩 反焉霆曩迥歼挂 图1 3 近接度的划分( 隧道交叉) f i g 1 - 3p a r t i t i o no fg r a d e ( t u n n e lc r o s s i n g ) 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。 表1 - 3 近接度的划分( 隧道上部明挖) t a b 卜3p a r t i t i o no fg r a d e ( o p e ne x c a v a t i o nu p p e rt u n n e l ) 残留埋深比h h近接度的划分 o 5 无条件范围 以上对于近接度的划分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。对于有些类型的研究，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问题还有待于进 一步的细化。【3 7 l 7 图1 - 4 近接度的划分图示 f i g 1 4p a r t i t i o no fg r a d e 1 2 3对隧道近接施工影响的研究方法 对于近接施工的研究方法，大致分为两类：数理力学方法和经验类比方法。 其中数理力学方法包括现场实测研究、实验室试验研究和理论分析研究。而理论 分析研究又分为纯理论解析分析和数值解析分析。 1 ) 理论分析研究 通过隧道力学、有限元方法、隧道力学数值方法、f l a c 及a n s y s 使用手册 等有关的论文和专著，可以得出以下认识： 理论分析研究的中心含义是将复杂的问题简化抽象，建立起理想的数学力学 模型，用数学力学方法进行求解，可分为解析法和数值法两种。解析法能把握整 体规律，寻找事物的共性，也有助于区分主要因素和次要因素。但事实上，由于 介质的复杂性和数学求解的困难，岩石力学问题很少能得到解析解。但由于计算 机技术和数值计算方法的发展，提供了数值解的方法和工具，使得大量的问题可 以采用数值计算方法寻找到近似解答，并能满足工程上的精度要求。数值法发展 迅速、应用广泛、解答快捷、费用低等特点是它优于其他方法的地方。但基本参 数和本构关系等仍然依赖于试验或实测的方法，因此实验的不准确性也容易带到 数值法中来，使得与实际有时存在较大差异。数值法通常分为两大类：即连续介 质微分法( 有限差分法和有限元法) 、连续介质积分法( 边界元法) 、不连续介质 8 方法( 离散元法) 等，各种方法均得到了广泛的运用。有时为了发挥各种方法的 优点，则采用两种及以上方法相结合。在研究近接施工这类复杂问题时，对于无 类似工程可以类比的条件下，应首先采用数值法，特别是可以模拟开挖与支护过 程的数值分析软件。 2 ) 实验室试验研究 通过阅读与相似原理、室内试验等有关的论文和专著，可以得出以下认识： 实验研究的主要任务是探索许多用数值分析的方法尚不易解决的问题和与数 值分析方法结合使用，取长补短。在各种实验方法中，相似模拟实验是最主要的 方法，其中有普通相似模拟实验和离心相似模拟实验。而用得较多的是普通相似 模拟实验。人们一致认为相似模拟实验能定性的反映出力学模型的规律。地下岩 体是极其复杂的力学介质，在开挖过程中，不同位置的围岩会产生不同性质的变 形，还有使岩体失去连续性的断裂、垮落等过程，使得计算理论极其困难，在很 多情况下是不可能求解的。采用现场实测往往因为工作量、人力物力以及实际条 件而不可能全面进行，这时相似模拟实验就显示出独到之处。可以人为的控制和 改变实验条件，从而可以确定单因素或多因素对问题的影响规律，效应直观清楚， 周期短、见效快。此外室内试验可以重复且可以做破坏性实验，这是现场无法比 拟的。但相似材料模拟实验的最大缺点是相似准则不容易满足，边界条件和初始 条件也只能近似，这使得模型试验在定量分析方面还有一定的困难。并且也要增 加一定的研究周期和费用，因此最好在有必要时才采用。 3 ) 现场实测 通过阅读地下工程近接施工指南、地下工程监测技术和方法、岩土工程监测 手册及日本的相关的论文和专著，可以得出以下认识： 现场实测的基本任务是概括地查明被研究过程的机理，区分出主导作用的因 素，查出所有影响的综合作用效果，即从客观把握规律性的东西。同时还可以对 每一种具体的条件和环境予以评价，这是其他研究方法所不能比拟的。现场实测 所获得的资料是多种因素综合作用下的实际反映，因此，利用这些实测资料可为 问题的分析论证提供可靠的保证。由于现场实测往往具有很强的针对性，可以直 接解决现场实际问题，因此，更容易为现场所接受。有的研究采用单一的实测方 法，有的则与其他方法兼用，优势互补，相互映证。现场实测的主要缺点是工作 量大，人力物力耗用多，研究周期长，目前的研究手段和研究方法还有待改进和 完善，而且受多因素影响，还不易摸清系统的内部规律。对于近接施工这类的复 杂工程通过测试控制施工的安全性与经济性，评价对策的有效性是十分必要的。 4 ) 经验类比法 经验类比法，即工程类比法，此方法适用于已有类似工程成功修建的前提下 9 才能采用。因此，及时总结已有工程经验对后续工程的成功修建将大有益处。【7 l 1 2 4穿越工程的系统研究 国内广州、上海等城市遇到过很多类似穿越工程，但只是针对某一具体工程 的实施措施进行了分析研究。 国外( 如英国、法国、德国、日本等) 轨道建设起步较早，肯定也会存在类 似问题，关于此类问题的解决应该值得我们学习和借鉴，但至今未见完整可信的 资料发表，也只是多停留在零散的对个别工程的实例的总结和回顾，只有日本对 于近接施工进行了系统研究。 日本1 9 9 7 年公布了既有地铁隧道近接施工指南，同时发表了大量施工案 例研究的论著。该指南对既有铁路隧道近接施工类问题作了全面、系统的阐述。 研究认为，在隧道穿越既有线工程中应考虑的主要因素包括：新线结构与既 有线结构的位置关系、影响程度、既有线的重要程度等，并对新线施工的影响范 围进行了划分。主要根据新线工程的规模、设计施工方法、与既有结构的位置关 心、地形地质条件、既有结构的力学健全度和对策的可能性，将新线施工的影响 范围划为无影响范围，注意范围和需采取措施的范围三类。除无影响范围外，都 要根据对既有机构的检查、量测等进行设计。1 7 】 但是通过查阅资料，发现在对于外部地下工程对地铁的影响方面，日本直接 给出了统一的变形控制指标，即给出了一个具体的控制指标，沉降变形极限值为 5 m m ，要求施工单位必须采取措施( 如托换技术等) 保证不能超越控制指标。 因此目前关于新建地铁工程对既有地铁结构及运营安全的影响研究尚处于初 级阶段，以前的工程实例和国内外的相关文献主要集中于对结构的附加变形及内 力影响上，且大多是针对某一具体工程实例进行，对于分析内容、手段及方法都 没有明确规范和要求，而且不同工程之间存在较大差别，因此缺乏系统性、规范 性和全面性。 目前对于新建地铁工程对既有地铁结构及运营安全的影响分析还未成熟，并 且国内外可以借鉴和参考的工程经验和己发表的相关研究成果相对较少。如何正 确认识临近施工给地铁运营线路带来的影响，采取什么样的措施来减小临近施工 对既有线的影响，并为今后的临近施工工程提供理论以及实践上的指导，已成为 当务之急。 1 3 本文的研究思路及内容 1 0 1 3 1研究思路 本论文拟在分析中外文献的基础上，借鉴以往成功的工程案例，加以提炼、 总结，对与穿越工程对北京地铁安全运营的风险评估所涉及的核心内容、所采取 的技术措施和对策研究等问题进行系统化研究。 本文本着“流程的系统性、内容的完整性、管理的规范性、措施的实用性 这一研究原则和目标，决定对以下八大项进行分析和研究：现状调查分析、变形 机理研究、风险评估、风险等级判定及管理、控制指标、控制对策、限速及运营 影响分析、总结建议。具体的思路及各自的重点如下图1 - 5 所示。 图1 5 研究思路及重点流程图 f i g 1 - 5t h ec h a r to f r e s e a r c ha p p r o a c h a n de m p h a s e sf l o w 1 3 2研究内容 本文的全部内容包括以下七大部分： 第一章概述：主要介绍了项目的研究背景、国内外研究现状、研究目的、意 义和研究思路及内容等； 第二章北京地铁现状调查及分析：主要对目前北京地铁的建设、地铁结构、 设施的特点、运营组织及安全的现状进行了总结，并对外部地下工程带来的问题 进行了分析和归纳； 第三章既有地铁变形机理研究：主要从围岩稳定性分析、地铁结构的变形和 附加内力、隧道结构和轨道结构的关系这三个方面进行研究，并分析了穿越地铁 工程的类型和施工的工法特点，初步研究了新建地铁对既有地铁的影响； 第四章风险评估和风险管理：对风险评估的方法、思路、内容和手段进行较 为明确的要求和统一，通过对相关风险等级影响因素的分析，提出了风险等级划 分的原则及标准及相关管理建议； 第五章风险评估报告成果及要求：从评估范围、内容、依据及成果要求等各 个方面并对评估报告成果进行了规范；并且结合北京地铁穿越工程的案例，给出 了地铁结构、轨道结构控制指标的建议；从设计、施工、防护措施等多个方面出 发，提出了为达到控制指标、保证运营安全所采取的措施和手段；明确提出现有 运营组织条件下，进行运营限速的原则，并对限速措施动态管理进行了分析和研 究，同时强调了运营影响分析的必要性； 第六章有限元模拟计算分析：通过对工程实例的建模分析，验证风险评估报 告的规范性及完整性； 第七章总结：对全文内容进行总结，并根据研究报告的成果提出了今后工作 的建议及研究的展望。 1 2 2 北京地铁现状调查及分析 2 1北京地铁建设及运营现状 1 9 6 5 年7 月1 日北京地铁l 号线开工建设，1 9 6 9 年1 0 月1 日地铁1 号线开 通运营，地铁2 号线1 9 8 4 年开通。但是从上世纪6 0 年代到9 0 年代末，地铁建设 和运营里程仅为4 5 公里，地铁真正快速发展是从上世纪9 0 年代开始。 2 l 世纪初，地铁的建设就进入了快速发展的时期。2 0 0 4 年，随着1 3 号线和 八通线的开通，地铁运营里程已经从4 5 公里延长到1 1 4 公里。2 0 0 7 年l o 月，地 铁5 号线开通，这个记录达到1 5 2 公里( 5 号线是北京第一个建成“p + r 模式 的 地铁线) 。地铁十号线、奥运支线和机场支线( 三条共5 8 公里) 于北京奥运会开 幕前开通，北京的轨道交通里程达到2 2 0 公里。目前在建的其他地铁线路包括4 号线( 2 0 0 9 年9 月开通运营) 、6 号线一期、8 号线二期、9 号线、1 0 号线二期以 及亦庄线、大兴线等7 条线路。年内计划再开工7 号线、1 4 号线、西郊线、4 号 线北延等6 条线路，其中房山线、昌平线一期、1 5 号线一期预计4 月开工。今年 通车的4 号线将于6 月2 0 日全线试运行。大兴线全线已进场施工，亦庄线大部分 进场施工。8 号线二期、9 号线和l o 号线二期3 条线可行性研究报告已批复，并 进行局部进场施工。 2 0 0 9 年至2 0 1 5 年轨道交通建设总投资将达2 0 8 0 亿元，轨道交通行驶里程达 到5 6 1 公里。届时，本市中心城基本实现地铁全覆盖，旧城轨道站点面积覆盖率 达9 0 5 ，中心城中心地区站点面积覆盖率达到8 2 3 。同时，7 个近郊新城均有 轨道交通服务。轨道交通日均客运量将达到9 0 0 万人次以上，占公共交通客运量 的5 0 以上，将实现客运量比现在翻两倍以上。 到2 0 1 5 年底，北京轨道线路将达1 9 条，将形成“三环、四横、五纵、七放 射 总长5 6 1 公里的轨道交通网络。届时，旧城区的市民步行5 0 0 米至1 0 0 0 米， 就能够搭乘到轨道交通。而新城的轨道交通站点之间的距离较大，站间距一般为 2 0 0 0 米左右。 目前北京地铁的运营现状：北京地铁正在采用或逐步采用自动控制系统。地 铁与干线铁路管理方法不同，由于信号技术的发展促使列车驾驶从人工驾驶到自 动化驾驶以至无人驾驶，大大提高了地铁的运营效率，从根本上变革了地铁的管 理制度，可以说带来了地铁的革命性变革。a t c 系统的产生，使地铁信号系统本 身发生了巨大变化。 1 3 列车自动控制系统( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 是负责调整和监督轨道交 通列车运行，以保证系统安全高效的自动控制系统。列车自动控制系统通常包括 三个子系统：列车自动防护( a u t o m a t i ct r a i np r o t e c t i o n ，简称a t p ) 、列车自动驾 驶( a u t o m a t i ct r a i no p e r a t i o n ，简称a t o ) 及列车自动监控( a u t o m a t i ct r a i n s u p e r v i s i o n ，简称a t s ) 。世界上采用a t c 系统的车辆目前没有出现过重大事故。 目前列车运营最小间隔时间，对于北京地铁1 、2 号线的信号系统2 0 0 8 年6 月启用了移动闭塞模式( 移动自动闭塞下可以根据前行列车、本列车的实际速度 及速度间的关系调整列车间的距离。后车始终与前车保持一个安全制动距离，安 全制动距离是考虑前车瞬时静止，后车根据前车尾部的瞬间位置，高速运行到紧 急停车所需要的距离) ，实现有人自动驾驶功能，2 号线可以实行高峰最小行车间 隔2 分3 0 秒，1 号线发车间隔3 月份再次缩减1 5 秒，达到2 分1 5 秒；地铁5 号 线平日列车2 0 0 8 年7 月5 日后最小运行间隔实现3 分3 0 秒；1 3 号线、八通线现 在仍属于设备调试阶段，在新车全部上线运营，信号设备调试完成后也将缩小高 峰列车运行间隔。 列车时速与车辆及相关设备的技术条件有关，超速行驶会影响运营安全，目 前列车最高运行速度为7 0 公里i b 时左右。 地铁列车的运行必须按事先编制好的运行图行车，为维护良好的运营秩序事 先需要组织员工对列车运行图进行学习，同时，需要优化司机在站操作程序，规 范操作流程，明确列车到站作业时间，在图定时间内完成站停作业，确保按图行 车。 地铁大范围开工建设与投入运营，使轨道交通路网不断扩张，覆盖范围也逐 步扩大，给居民选择地铁出行带来了极大的方便，但给地铁运营带来更大的挑战 与压力，因为一旦某处线路发生问题会影响整个路网的服务质量。 2 2既有北京地铁线路现状调查 2 2 1北京地铁结构现状 不同地铁线路的结构修建年代不同，设计标准不同，目前的运营现状不同。 地铁l 号线：全长3 1 0 4 公里，2 3 座运营车站。 北京地铁一号线一期工程，从北京站到苹果园站，全长2 3 6 k m ，于1 9 6 5 年7 月1 日开工，1 9 6 9 年1 0 月1 日通车，其线路沿长安街与北京城墙南缘自西向东贯 穿北京市区，连接西山的卫戍部队驻地和北京站，采用明挖法施工，由于属于战 备工程，北京地铁在通车后很长时间内不对公众开放，需凭介绍信参观及乘坐。 1 4 1 9 7 1 年1 月1 5 日公主坟至北京站段开始试运行，1 9 7 1 年8 月5 日延长为玉泉路 至北京站，1 9 7 1 年1 1 月7 日延长为古城路至北京站，1 9 7 3 年4 月2 3 日延长为苹 果园至北京站；北京地铁二期工程始于1 9 6 9 年，其线路沿北京内城城墙自建国门 至复兴门，呈倒u 字型，设1 2 座车站及太平湖车辆段，线路长度为1 7 2 公里。 1 9 8 1 年9 月1 5 日，北京地铁正式对外运营。1 9 9 6 年8 月1 5 日，修建了由复兴门 至东延伸线的3 5 0 米折返线