（岩土工程专业论文）浅埋暗挖法下穿既有地铁构筑物关键技术研究与实践.pdf

北京交通大学博士学位论文a b s t r a c r a b s t r a c t a b s t r a c t ：t l l i st h e s i si sb a s e do he x t e n s i v er e s e a r c ho us c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a l l i t e r a t u r eb o t hi nc h i n aa n da b r o a d a c c o r d i n gt of o r m e re n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n d m ye f f o r t ，t e c h n i c a lm o a s u r e sa n dm a n a g e m e n tm e t h o d sf o rt u n n e lp a s s i n gf r o mt h e b o t t o mo ft h ee x i s t i n gs u b w a yw a ss 毗u pt of o r mt h ec o r et e c h n i q u ef o rs u c hp r o b l e m c o m b i n e dw i mt h ep r o j e c to f s u b w a yl i n e5 p a s s i n g f r o mt h eb o t t o mo f e x i s t i n gs u b w a y l i n e2i nb e i j i n g , t h i sl i n do fn e w l i n ep a s s i n gt h r o u g hb o t t o mt h ee x i s t i n gl i n ew a s m a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r f r o mt h ev i e wo fd e s i g na n dc o n s t r u c tu s i n gs h a l l o w t u n n e lc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ee x i s t i n gs u b w a y , t h eo p t i m a l d i s t a n c eb e t w e e nt h en e ws u b w a ya n de x i s t i n gs u b w a y , s e t t l e m e n tc o n t r o lo ft h e e x i s t i n gl i n ea n dt h er e c o v e ro ft h ee x i s t i n gl i n ea f t e rn e wl i n ec o n s t r u c t i o nw e r ea l s o s t u d i e di nd e t a i l a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c ha b o v e , as e r i e so f u s e f u la c h i e v e m e n tb o t hf o rt h e o r i e s a n dp r a c t i c ea r es h o w nb e l o w ( 1 )b a s e do nf o r m e rs t u d y , t h ek e yp r o b l e m ：i n t e r a c t i o na n dc o n t r o l t a r g e t ： e n g i n e 威n gs a f e t yf o rn e ws u b w a yp a s s i n gf r o mt h eb o t t o mo ft h ee x i s t i n gl i n ei s s t u d i e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta i m si nd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns t a g e s ，5m a i nt e c h n i c a l p o i n t sa r es u m m a r i z e da n dt e c h n i c a ls y s t e mf o rs u c hp a s s i n gp r o j e c ti sf o r m e d i nt h i s t h e s i ss t u d i e sa r ec a r d e do u tr e s p e c t i v e l yf o re a c hd i f f e r e n tt e c h n i c a lp o i n t s ( 2 )t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n s t r a t ad e f o r m a t i o n , e x i s t i n gs t r u c t u r ea n dr a i lt r a c ka s w e l la sp r o b a b l ef a i l u r et y p e sf o rt h e ma r es t u d i e dt ob u i l df a i l u r em o d e sf o rs u c h p a s s i n gp r o j e c t i nt h i sp a s s i n gp r o j e c tc o n t r o ls t a n d a r d sc a nb em a d eb yt h ed i f f e r e n t c o n s t r u c t i o ns t e po ft h en e wl i n ea sw e l la st h es e t t l e m e n tc o n t r o ls t a n d a r df o rt h e e x i s t i n gl i n e d u r i n gn e wl i n ec o n s t r u c t i o ni t i s n e c e s s a r yt oa d o p tw h o l ep r o c e s s i n s p e c t st om a k es u r et h es a f e t yo ft h ep r o j e c t n 坞s a f e t yo ft h ee x i s t i n gs t r u c t u r ec a r l b ee n s u r e db yn e wl i n eb u i l d ( 3 ) t r a c kv i b r a t i o nm e c h a n i c sa n dv e h i c l e s t r a c kc o u p l i n gd y n a m i cm e c h a n i c sa r e u s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f t h ee x i s t i n gl i n ev e h i c l et ot h en e w l i n ea n dt h ei n f l u e n c e o f t h en e wl i n et ot h ee x i s t i n gl i n ei nt h ew a yo fe x i s t i n gl i n es p e e da n ds a f e t y o p t i m a l d i s t a n c eb e t w e e n l lt h ee x i s t i n gl i n ea n dt h en e wl i n ea r es t u d i e da l s o t h e s ec a nb eo f g r e a tm e a n i n g st os u c hp a s s i n gp r o j e c t s ( 4 ) t h e m a g n i t u d eo f d i s p l a c e m e n ti ne a c hc o n s t r u c t i o ns t e pi sa n a l y z e du s i n ge n e r g y m e t h o d s e t t l e m e n tc o n t r o ls t a n d a r d so fe a c hc o n s t r u c t i o ns t e pf o rt h ee x i s t i n gl i n ei s m a d e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h en e wl i n ea n do p e r a t i o nr e q u i r e m e n t sf o rt h e e x i s t i n gt i n e ，m o n i t o r i n gm e a s u r e sa r ef o r m e d t h e s ea n a l y s e sa n df e e db a c km e a s u r e s 北京交通大学博士学位论文 a b s t r a c t a r ei n a d et oe n s u r et h es a f e t yo f e x i s t i n gs 缸l c t t l r e ( 5 ) g r o u t i n gu s e di ns u b w a yf o re x i s t i n g l i n el i f eu pi ss t u d i e d t h er e s e a r c ho f g r o u t i n gp a r a m e t e ra n dg r o u t i n gm e t h o d c a no f f e rg u i d a n c et ot h i sk i n do f p r o j e e t ( 6 ) t h ec o n c l u s i o np u tf o r w a r di nt h i st h e s i si sp r o v e dr i g h ti nt h ep r o j e c to f s u b w a y l i n e5c h o n gw e n m e ns t a t i o np a s s i n gf r o mt h eb o t t o mo f t h ee x i s t i n gl i n e k e y w o r d s ：e x i s t i n gs u b w a y ；t e c h n i c a ls y s t e m ；d i s p l a c e m e n t ；e n e r g y ；g r o u t i n g ； m o n i t o r i n ga n dm e a s u r i n g i 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： 导师签名： 签字臼期：年 月 日 签字日期：年月 e 1 北京交通大学博士学位论文 引言 1 1 问题的提出 1 引言 二十一世纪是地下工程大发展的世纪，随着中国经济的飞速发展和城市化进 程的加速，地铁在城市交通中所占的份额将越来越大，各大中城市如北京、上海、 广州、深圳、南京等城市都制定了中远期地铁线路规划，预期形成完善的快速轨 道交通网络。 图l - l 北京市区轨道交通线网规划图( 2 0 5 0 年) 以北京为例( 如图1 1 ) ，按照最新的北京市城市轨道交通线网优化调整规划， 2 0 0 8 年以前，北京将新增城市轨道交通1 5 4 公里，加上市郊铁路，北京轨道交 通总里程将达到3 0 0 公里。按照2 0 2 0 年的中期规划，北京城市轨道交通运营线 路总里程将达到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，对城市重点建设地区提供强有力的交通支持。其中包括新建两条穿城对角 线的轨道，以缓解北京传统棋盘式交通的不足：增加第二条环线地铁；市区轨 道交通线网延伸到市区周边边缘集团和较近的卫星城。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 北京交通大学博士学位论文引言 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 至6 0 。 城市轨道交通的大规模建设必然带来各区间线路和节点车站的交叉、换乘问 题。从修建时间上来看，这种交叉、换乘通常以三种方式实现，即同期建设、预 留线路和穿越。同期修建时，不存在新建线路施工影响既有地铁列车的运营问题； 预留线路修建，由于对于既有结构设计时考虑了穿越问题，新建结构施工影响较 小，容易控制。因此，由于施工扰动程度大加上既有地铁正常运营要求，在这三 种方式当中，穿越工程施工难度最大。在2 0 5 0 年北京市区轨道交通线路规划图中， 节点车站和地铁区间穿越段的数目高达1 1 8 处，这对地铁的设计和施工都提出了 挑战。 同时，随着我国铁路运输系统持续提速，很多地段平交道口要改为立体交叉 道口，据不完全统计，在京沪线、京广线、京哈线和北京至西安铁路的大提速中， 仅平交道口因铁路提速而需要改为立交道口( 4 m 跨度) 的就有3 8 0 0 多座，如何 实现在不减速条件下安全地完成立交道口的建设，同样是新线穿越既有线的问题， 其本质上与城市地铁穿越既有线是一致的。 从地下铁道的施工方法来看，浅埋暗挖法具有断面形式灵活、造价低、占地 少、拆迁少、扰民少、影响交通少、污染环境小等特点，在国内外的地铁及市政 公用管线等工程中，得到了广泛的应用。国内，经过多年的工程实践与试验研究， 归纳总结出了“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的浅埋暗 挖技术1 8 字方针：并带动了6 项配套施工技术，即大管棚护顶强支护技术、小导 管注浆超前预加固技术、短快开挖支护技术、梁板柱力系平衡技术、刚柔结合复 合衬砌防水技术，监控量测指导施工技术。 目前，浅埋暗挖地铁工程( 区间车站) 近距离穿越地铁构筑物( 区间车站) 的工程实例还比较少，尤其是浅埋暗挖车站近距离穿越既有地铁构筑物的情况尚 未见到相关研究。从技术角度看，此类工程比较复杂，技术难度很大，因此必须 依据浅埋暗挖法的基本原理进行相关研究，实现技术创新，为今后这类工程提供 服务，丰富浅埋暗挖法的内涵。 随着中国各大城市地铁建设速度的加快以及地下空间开发力度的加大，浅埋 暗挖法作为地下工程施工的重要手段之一，也必将得到新的发展，浅埋暗挖地铁 工程近距穿越既有线的情况必将增多，如北京目前在建的4 、5 、1 0 号线和机场专 线工程中就存在近1 0 处穿越既有线的情况，其中有七处为浅埋暗挖法穿越施工， 按施工的先后顺序排序具体见表1 1 。因此可靠地解决这类工程问题便成为“浅埋 暗挖法”所面临的重要课题。 2 北京交通大学博士学位论文引言 表1 - 1 北京地铁在建线路近距穿越既有地铁线工程汇总表( 按施工的先后顺序排序) 序 新建线既有线穿越情况穿越类型最小间距m 号 l2 崇文门暗挖车站下穿地铁2 号线区间 下穿1 9 8 0 251 东单暗挖车站上穿地铁1 号线区间 上穿o 6 32 雍和宫和平里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 号线宣武门车站下穿 1 9 54l 西单暗挖车站上穿1 号线区间上穿 o 5 4 62 西直门站改造( 预留) 7 1 国一双盾构区间下穿l 号线区间 下穿1 2 4 5 1 0 81 3 北一芍盾构区间下穿1 3 号线芍药居站下穿9 2 1 5 m 9 机场线 1 3 东直门站穿1 3 号线东直门折返线下穿 o 地铁隧道施工不可避免引起近邻既有线结构产生附加内力和变形，从而影响 既有线列车的正常、安全运营。因此，依据既有线保护的要求，采取有效措施来 减小变形，确保既有线的安全运营就显得非常必要。另外，由于既有线重要性高， 对附加变形要求严格，使得穿越工程难度大、风险高。 一般从新线开挖横断面方向，将新旧隧道位置关系分为并列和交叉两种【1 硼。 新旧隧道交叉可分为上穿和下穿两种，如图1 - 2 ，侧穿即指新旧隧道并列。 l f ， q 隧道并列隧道交叉 1 - 2 近接隧道位置关系图 ( 1 ) 侧穿：既有隧道向接近的新建隧道方向发生拉伸变形，因新建隧道的施工， 既有隧道周边围岩松弛，而使作用在衬砌上的荷载增加，也可能产生偏压现象。 侧穿问题多属于区间穿越，或者联络通道穿越，断面较小，且一般无既有隧 道地铁运营要求，工程难度小。并且在早期的地铁建设中主要涉及平行双线的施 工对于平行隧道的研究己较多，取得了很多成果。而垂直交叉隧道的影响研究目 前还是一个空白。 ( 2 ) 下穿：新建隧道在既有隧道下部交叉通过时，既有隧道随新线隧道的开挖不 3 北京交通大学博士学位论文 引言 断下沉。非常接近时，既有隧道还会产生不均匀下沉，甚至有可能发生超过高度 管理基准的轨道变异。 ( 3 ) 上穿：新建隧道在既有隧道上方交叉通过时，由于卸载作用，既有隧道向上 方变形，变形过大同样对行车安全造成威胁。 隧道开挖过程中，通常上方沉降比下方围岩的上浮隆起要大，并且上方围岩 受力复杂，剪切区域及压剪区域的大量分布不利围岩稳定，而下方围岩卸载回弹 区分布有利于围岩稳定( 见围岩开挖作用分区图1 3 t 4 1 ) 。因此，对于同样近距离的 上、下穿越既有地铁工问题，下穿既有地铁工程的旌工难度更大。 3 图l - 3 分步开挖法无支护，周围土体开挖作用分区 ( 说明：图中在第一分区内开挖作用主要是压缩剪切，是剪切破坏的主要区域；第二分区开挖作用主 要是剪切；第三分区内开挖作用主要是卸载；第四区是隧道开挖造成地表沉降的主要区域。) 图1 _ 4 崇文门车站与既有环线地铁剖面位置关系 综合以上三种穿越情况，以下穿施工难度最大，尤其是浅埋暗挖大跨度车站 下穿既有线工程。因此，本论文主要针对下穿施工进行研究，重点以北京地铁首 次穿越工程五号线崇文门车站穿越既有地铁二号线作为工程背景( 见图1 - 4 ) ， 提出穿越工程的主要技术工作内容和程序，对下穿既有地铁构筑物的关键技术问 题进行系统的研究，并将之应用于穿越既有地铁工程中，保证了工程安全。该项 目被评为北京市科技进步二等奖。 针对目前大规模建设的地铁工程，本文所完成的研究成果可推广应用到北京 4 北京交通大学博士学位论文引言 地铁四、十以及九号线类似工程的建设。同时也为有关南水北调工程、热力管道 穿越既有线工程的设计和施工提供直接的指导。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 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 5 - 1 1 】，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。作者认为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 1 2 - 1 4 1 ，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 5 北京交通大学博士学位论文引言 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。 ( 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【1 5 。1 6 1 ，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 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。 1 2 2 穿越既有线工程的系统研究 纵观国内外相关文献，对于穿越既有线工程的报道多停留在零散的对个别工 程实例的总结与回顾，而系统的研究仅有日本在对于近接施工的研究中有所提及。 日本1 9 9 7 年公布了既有铁路隧道近接旌工指南，同时也发表了大量近接 施工案例研究的论著 1 , 1 7 1 。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。 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 6 北京交通大学博士学位论文 引言 有线结构的位置关系、影响程度、既有线重要程度等。并对新线施工的影响范围 进行了划分。主要是根据新线工程的规模、设计施工方法、与既有结构的位置关 系、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 范围划分为无影响范围、注意范围和需采取措施的范围三类。除无影响范围外， 都要根据对既有结构的检查、量测等进行设计。 通过对日本资料阅读、分析和批判，结合目前我国所遇到的近接施工事例， 本文认为日本的研究工作尚存在以下不足之处： ( 1 )日本对隧道近接施工研究仅限于接近既有铁路隧道的各类近接施工问题， 对公路隧道及地铁区间隧道虽有可借鉴之处，但不能直接应用； ( 2 ) 在限制范围内如何进行深入的影响程度预测和对策优化未做深入细化。 1 2 3 穿越既有线工程的实例 通过众多的穿越既有地铁工程实例，我们也可以吸取很多有用的经验，同时 f 也可以看到问题所在，确定我们的研究方向。以下为几个典型的工程实例： 1 ) j 。r $ t a n d i n g 和r s e l m a n ( 2 0 0 1 ) 对伦敦地铁j u b i l e e 延长线下穿5 条地铁线路l o 条隧道工程进行了研究阻耵。表1 - 2 列出了各既有隧道的基本情况和地铁j u b i l e e 延 长线穿越时既有隧道的动态变化情况。 需要说明的是，地铁j u b i l e e 延长线在穿越区段为区间隧道，洞径为4 8 5 m ， 由于埋藏深，其所在土层均为伦敦粘土，除在d i s t r i c ta n dc i r c l el i n e 区段采用开敞 t 式盾构外，其余地段均采用新奥法施工。开挖进尺l m ，台阶法开挖。 表中给出的沉降值为新线隧道工作面通过隧道交叉处时既有隧道的最大沉降 量，由于伦敦粘土的固结，隧道工后沉降非常显著，据监测，工程结束两年后， b a k e l o ol i n e 北向线最大沉降达1 8 m m ，南向线最大沉降达1 3 5 m m ，增加了近l 倍。同样，n o r t h e r nl i n e 北向线与南向线最大沉降均为一1 9 m m 。 通过施工过程中对既有隧道的动态监测和进一步的研究，s t a n d i n g 和s c l m a a 得出主要结论为； 与地表沉降槽相比，既有线沉降槽深而窄；一般在新线隧道开挖过后，其 最大沉降可达1 0 m m 1 6 m m ；沉降值大小取决于新线隧道与既有线的间距和新建 隧道上下行线间距离；沉降槽形态表明既有隧道为柔性响应，在区间段尤其明显。 采用新奥法，较以前的开敞式盾构能更有效地控制土体沉降； 沉降历时曲线表明，当工作面位于既有线正下方时沉降已完成2 0 5 0 ； 沉降槽宽度系数k 与埋深的关系为：埋深越大，k 值越大。满足m a i r n 粥 提出的关系式； 7 北京交通大学博士学位论文引言 表1 - 2j l e 隧道工程穿越隧道概况及麓工动杏统计表 既有隧道 结构 既有隧道土层 修建地质结构监测 问距 名称 几何参数工法量值( n a n ) 措施 年份情况特点指标 ( m ) 填土 d i , s a i c ta n d 1 8 6 5 坦探7 6 m 高砖石渗透 阶地明挖沉降1 6 2 5 c i r c l e l i n e - 1 8 7 0 6 4 m ，宽1 5 4 1 1 1钢架 注浆 卵石 沉降与j l e 东向线相交： 既有线北向线- 9 5 ；既 b a k e l o o 有线南向线- 7 ，5东向线 隧底埋耀2 0 m , 区 l i n e ( i ) 与j l e 西向线相交； s 2 s 阃洞径36 m ，车 ( 上下行线既有线北向线9 ；既有西向线 站桐径6 8 m 路) 1 9 1 3开敞线南向线_ 6 ，5s 3 伦敦铸铁 补偿 - 1 9 1 5式圆度水平向挤压2 5 0 pl ， 粘土管片注浆 盾构近竖向拉伸2 0 0 uc 上、下行线重叠 b a k e l o e 间距l ，2 2 m ；上线 i h 峨) 顶埋深1 5 m ，下线沉降 5 6 1 6 l e 下行 底埋深2 36 m 洞 线路1 径36 m 沉降与j 1 e 东向线相交： 既有线北向线1 2 ；既东向线 隧雇埋湃：东向线 n a q m有线南向线1 0( 车站) 2 2 m ，西向缆开敲 l i n e 伦敷铸铁与肚西向线相交；补偿 6 0 3 ： 1 8 帅 1 8 m ；区问洞径 式 f 上下行线牯土臂片既有线北向线1 4 ；既 注浆西向线 36 m 车站洞径盾构 路有线南向线1 2 5( 区间) 6 7 m 圆度水平向挤压- 3 5 0 uc 。 57 9 近竖向拉伸3 0 0 h # w e a n l e o 东向线 a n dc i 竹隧底埋湃一5 m ，填土钢筋 明挖补偿2 0 ，l ： l i n e1 9 7 0 矩形隧道，阶地混凝沉降北向毪5 南向线4 5 法注浆西向线 上下行高3 7 m 宽4 3 m卵石 土 2 0 9 3 线路) 开敞沉降 1 1 ； 埋深2 2 m 洞径伦薮铸铁补偿 s l l e 札t m m e l1 9 钟式盾圆度水平挤压4 pe ；8 2 i 3 r a 牯土 管片注囊 撺近竖囱控律6 p # 既有隧道区间沿纵向，上凹区( 对应新建隧道中线上方) 产生压应变而上 凸区( 距隧道中线一定距离) 产生拉应变，其应变值在2 0 0 ue 以下；而车站则未 有观测仪器可觉察应变产生； 既有隧道在新建隧道中线上方区段水平向直径压缩减小，一定距离外则为 8 北京交通大学博士学位论文引言 拉伸增大；隧道在竖向的变形与此相适应，即前者拉伸，后者压缩，最大拉伸应 交为6 0 0 pe ； 既有隧道车站相对于区间的结构刚度优势在沉降幅度和应变上均有所表 现： 既有隧道随新线开挖而产生的扭转是暂时的，其幅度随工作面的趋近而急 剧增加，随工作面的远离而迅速减小，直到恢复原状，其最大值达到6 弧分，纵 向扭转范围单侧达1 5 m ： 2 ) b p k a s s a p ( 1 9 9 2 ，2 0 0 0 ) 等人报道了美国波士顿i 一9 3 州际公路北向隧道段下 穿地铁r e dl i n e 南站的工程情况n g , 2 0 - 2 4 】。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。r e d l i n e 南站始建于1 9 1 4 年，工程采用盖挖法，结构底板距地表约1 9 1 1 1 。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 。旌工采用托换的方法。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 3 6 m 2 ，在该结构 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1 0 m m 。 3 ) s b c h a n g ( 2 0 0 0 ) 2 5 l 研究了韩国某三拱两柱地铁车站下穿既有地铁结构工程施工 过程中应力与位移的变化。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m 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 e 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 9 北京交通大学博士学位论文引言 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o 3 5 m p a ，隧道位移在开挖完成后1 个月停止发展。 4 ) e l u n a r d i 和g c a s s a n i 报道了意大利b o l o g n a 市郊公路隧道下穿既有地面 铁路线的工程情况旺”。该处地表铁路为r a v o n e 高速铁路站场，有m i l a n - b o l o g n a , v e r o n a b o l o g n a 和b o l o g n a - p a d o v a 三条高速铁路通过。隧道穿越长度2 7 0 m 。场地 土层条件由上至下依次为填土、粘土质淤泥土、淤泥质砂和砂质卵砾石层。土体 自稳性差。 下穿通道由两并行隧道组成，直径1 5 6 5 m 。两隧道中心距仅有1 7 m 。拱部土 层埋深7 1 3 m 。隧道在既有线列车速度减至8 0 k m h 的条件下进行施工。为保证 既有铁路线的正常运营，对施工导致的铁路沉降制定了严格的限制标准，见表1 3 。 表1 - 3轨道沉降管理标准值 施工中根据拱部覆土的厚度和隧道具体位置的差异，采取了两套不同的预支 护措施，使得土体沉降得到有效控制。测量结果表明，水平旋喷桩施作期间土体 上升了5 8 m m ，而开挖导致的土体沉降为8 1 0 m m 。 5 ) 坂卷清报道了日本筑波、三之轮隧道纵穿既有铁路线的工程情况呛7 】。 日本的筑波、三之伦地铁隧道在软弱地层中纵向穿越三条既有地面运营线达 3 0 0 m ，该处地层的n 值为4 ，成分为砂7 0 ，粉砂1 6 ，粘土1 3 ，土质软弱， 易产生流动、坍塌。隧道埋深4 1 2 m ，洞径为1 0 m 。采用泥水式盾构法施工。施 工前对穿越区进行了注浆加固，以二重管柱塞灌注工法和n s 喷射工法，在土层中 隧道位置上方预先施作注浆加固层和机械搅拌桩。同时，在地面沿铁路线纵向， 对施工影响范围内的路基施作轨道旅工梁进行加固。施工初期，为防止喷泥，泥 水压设定较低值，为自然水压+ 2 0 k p a ，掘进速度为2 5 m m m i n ，注浆压力设为工 作面泥水压+ 1 5 0 k p a 。观测地表初期沉降值达到1 5 m m 。修正后的泥水压改为自然 水压+ 3 5 k p a 。隧道通过后，地表最大沉降达到7 m m ，最终沉降为2 0 m m 。 6 ) 宝兰二线新曲儿岔隧道其上为既有陇海铁路线【2 8 】，隧道与既有线呈8 9 0 交叉。 既有线路位于r = 3 5 0 m 的圆曲线上，路基面至隧道外拱顶高度约2 5m ，其中路基 填土高1 5 m ，原地面覆土厚度约1 0 m 既有线右侧边坡坡脚至洞口长2 9 m ，左侧 边坡坡脚下为一自然低洼段长3 5 m ，隧顶覆土厚度仅为6 - _ 8 m 。隧道穿越第4 系 冲积砂质黄土，粘质黄土，浅黄色，土质均匀，具孔隙，半干硬至硬塑，具有 级自重湿陷性。隧道净宽9 m 结构矢跨比为o 5 ，洞体偏受力条件。施工采用c r d 1 0 北京交通大学博士学位论文引言 工法，即在开挖断面中部设置临时隔墙实现化大为小，分步开挖，步步封闭成环， 以环环相套形成初期支护，在旌工中加强监控量测，以量测信息反馈指导施工。 通过量测确定新曲儿岔隧道采用网喷砼、锚杆、型钢钢架、临时仰供、超前导管 等五种组合形式的初期支护为主要的承载体系，有足够的强度和刚度达到了承载 的要求，保证了既有线行车安全。 7 ) 明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站产生影响 2 9 - 3 0 ， 施工中为保证l 号线地铁列车的安全顺利运行，提出l 号线隧道保护的具体技术 指标如下：( 1 ) 由于邻近建筑物的施工开挖等影响所造成的运营隧道的沉降及水平 位移 2 0 m m ；( 2 ) 因打桩、爆破引起的振动峰d 呈 2 5 e m s ；( 3 ) 地铁隧道变形相对 曲率 1 5 0 0 0 m ；( 5 ) 因建筑物垂直荷载及施工引 起的外加荷载 2 0 k p a ：( 6 ) 两轨高差 4 m m 。施工过程中对地基进行防渗与加固处 理，整个施工过程中对原车站的沉降及变形进行严密监测，做到信息化旋工，保 证了工程的安全。 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【m - 4 s ! ，但是崇文门穿越工程跨度大，间距小，难度更大。与穿越其 他建筑物不同1 4 9 - 5 9 1 ，在穿越既有线工程中，主要目标在于如何控制既有线的变位， 将其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隧 道的安全施工。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下穿既有地铁安全 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 增加了对于既有线控制的困难。本论文则是通过对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，形成一套完整的下穿既有线工程的技术体系。 ( 2 ) 新线与既有地铁合理间距的研究 在穿越工程中，新建结构与既有结构间距的大小直接影响工程的安全性、工 程的技术难度以及经济性等。同样，间距的确定要根据线网规划的要求以及以上 几个因素综合确定。由于地形、地物、水文、地质等条件千变万化，对于隧道的 最小、最佳间距，迄今没有统一可供遵循的准则，一般以工程经验为主。 日本的研究0 , 3 】将新线施工的影响范围划分，为无影响范围、注意范围和需采 北京交通大学博士学位论文 引言 取措施的范围三类，划分基准见表1 - 4 。 表l - 4 影响范围的划分 影响范围划分 需采取措施范围 注意范围 无影响范围 ( 说明：其中d 为新建隧道外径；d ( 隧道外径) 值，指既有隧道或新建隧道衬砌外轮廓的垂直禹度，水平冤 度中的最大值。) 而当隧道间隔小于o 5 d 时，预计对隧道结构有重大影响，应慎重处理。此处 根据经验确定的隧道间隔小于o 5 d ，应该为二者的最小间距。 由上也可以看出，对于新、旧结构的合理间距问题，目前为止仍然没有从影 响间距的本质即二者的相互影响入手进行系统的讨论，并予以确定。二者合理间 距的确定对于地铁线网的规划和交叉隧道的设计有着非常重要的意义。 ( 3 ) 变位分配实现过程控制 地下工程多为分步施工。既有地铁结构变形是各步施工累积的过程。预使既 有结构的总体变形处于受控状态，必须主动控制单步变形，对工程实行过程控制。 在国内，张建华、王梦恕【6 0 l 等以北京地铁复兴门折返线工程为背景，通过对 现场量测数据的统计分析，建立了模拟台阶法施工的二维有限元解析模式，给出 了有限元法的特征曲线解析。高波在浅埋暗挖隧道开挖一支护过程的等效结构概 念基础上，提出了一套可用于隧道纵横剖面上地表沉陷曲线拟合的计算方法。在 环境控制研究方面，刘维宁、张弥i 矾- 6 2 1 通过对城市地下工程施工中各种影响因素 的综合分析，运用系统论和控制论的方法，初步建立了一套实施城市地下工程环 境目标控制的理论体系。 这些研究工作和研究成果，对认识地下开挖产生的地层、地表变形的危害起 到了重要的作用，对地层、地表变形产生的机理及其影响因素在定性的角度上有 了比较一致的认识，特别是提出了一些预测及控制地表沉降的方法。 但是就变位分配的原理而言，即为何每步施工产生变位，各步变位之间呈何 规律分布，为何如此，并没有进行理论分析。 ( 4 ) 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线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。 1 2 萝隧2 旷3 2 北京交通大学博士学位论文 引言 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，既有线的恢复技术【6 晰8 l 不同于地面建筑或道路等 6 3 - 6 习的恢复，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，对既有线的注浆抬升理论、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。 ( 5 ) 施工对既有线附加影响预测【8 蛐1 】 穿越既有线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；