穿越既有線技術(shù)--講稿

1、張頂立北北 京京 交交 通通 大大 學(xué)學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心隧道及地下工程教育部工程研究中心2007年年6月月1 工程背景及技術(shù)難點(diǎn)工程背景及技術(shù)難點(diǎn) 進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)的城市快速軌道交通得到快速發(fā)展，近年內(nèi)北京將修建300km以上的地下鐵道，2050年規(guī)劃在市區(qū)建設(shè)693km的地下鐵道,包括郊區(qū)支線達(dá)1000km以上，逐步形成快速軌道交通網(wǎng), ，全國(guó)近期將有15個(gè)城市修建約1500km的城市軌道交通工程，投資數(shù)6000億元。 如上所述，在各大城市地鐵網(wǎng)的建設(shè)中必然會(huì)遇到眾多的節(jié)點(diǎn)車站，也必然存在車站及區(qū)間隧道相互穿越的工程問題，如目前剛剛施工結(jié)束的地鐵五號(hào)線在崇文門和東單車站分別

2、下穿和上穿地鐵環(huán)線（2號(hào)線）和復(fù)八線（1號(hào)線），以及正在建設(shè)的地鐵四號(hào)線宣武門車站、西單站、十號(hào)線芍藥居站、國(guó)貿(mào)站等。此外還有深圳地鐵會(huì)展中心站、沈陽(yáng)地鐵青年大街站等。在既有線正常運(yùn)營(yíng)的情況下順利地完成施工，并確保運(yùn)營(yíng)和施工的安全是該類工程所面臨的主要難題。序號(hào)新建線既有線穿越情況穿越類型最小間距/m152崇文門暗挖車站下穿地鐵2號(hào)線區(qū)間下穿1.98021東單暗挖車站上穿地鐵1號(hào)線區(qū)間上穿0.632雍和暗挖區(qū)間穿環(huán)線雍和宮站下穿0.3442宣武門暗挖車站下穿宣武門暗挖車站下穿2 2號(hào)線宣武門車站號(hào)線宣武門車站下穿1.951西單暗挖車站上穿1號(hào)線區(qū)間上穿0.5462西直門站改造（預(yù)留)7101國(guó)

3、雙區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間下穿1.245813北芍區(qū)間下穿13號(hào)線芍藥居站下穿9.215 9機(jī)場(chǎng)線13東直門站穿13號(hào)線東直門折返線下穿、側(cè)穿0北京地鐵在建線路近距離穿越既有地鐵線工程匯總表北京地鐵在建線路近距離穿越既有地鐵線工程匯總表 通常認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)間距小于5.0m以后兩者的影響就非常明顯，即5.0m以下可以認(rèn)為是小間距，上表中除穿越芍藥居城鐵站外，其他間距均小于2.0m，因此均為近距穿越。A.A. 同期建設(shè)4、10號(hào)線黃莊車站B.B. 前期建設(shè)預(yù)留 如2、4號(hào)線西直門站C. C. 穿越既有線施工,如崇文門、東單、宣武門站等 依據(jù)新建隧道與既有線結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系依據(jù)新建隧道與既有線結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系可

4、分為可分為下穿既有線下穿既有線、上穿既有線上穿既有線和和側(cè)穿既側(cè)穿既有線有線等等3種穿越形式，其中種穿越形式，其中以下穿既有線工以下穿既有線工程的技術(shù)難度最大程的技術(shù)難度最大。30.6m 單層段雙層段雙層段管幕托梁二襯結(jié)構(gòu)600鋼管，內(nèi)灌混凝土型鋼鋼架初期支護(hù)1二襯結(jié)構(gòu)管幕托梁131.9621007950465039.7544.40既有二號(hào)線宣武門站崇文門下穿既有線結(jié)構(gòu)崇文門下穿既有線結(jié)構(gòu)東單站上穿既有線結(jié)構(gòu)東單站上穿既有線結(jié)構(gòu)崇文門聯(lián)絡(luò)通道崇文門聯(lián)絡(luò)通道側(cè)穿既有線結(jié)構(gòu)側(cè)穿既有線結(jié)構(gòu)在很多情況下，由于交通規(guī)劃的多變性以及城市的快速發(fā)展，前期建設(shè)中沒有預(yù)留新線的接線，或者預(yù)留工程的標(biāo)準(zhǔn)和條件不夠

5、，則必然造成新建線路在既有地鐵構(gòu)筑物附近施工的實(shí)際問題。事實(shí)上，新建地鐵施工與既有地鐵結(jié)構(gòu)之間是相互影響的，既有結(jié)構(gòu)的存在影響到新建工程的施工和安全；而新線施工則又必然對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。這樣在新線工程建設(shè)中不僅要保證工程自身的安全，同時(shí)還要保證不致對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成破壞性的影響進(jìn)而影響到運(yùn)營(yíng)安全，這是穿越既有線施工的主要技術(shù)難題。 隧道穿越既有線施工必然造成對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成結(jié)構(gòu)的破壞和部分使用功能的喪失，甚至影響到運(yùn)營(yíng)安全。因此新建隧道施工與既有結(jié)構(gòu)的安全性保護(hù)構(gòu)成一對(duì)矛盾體，結(jié)構(gòu)損壞（廣義上安全或部分功能的喪失）發(fā)生的充要條件是：新建工程施工的附加影響已經(jīng)超過既有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（如

6、承受變形的極限能力等），因此保護(hù)既有結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞的主要措施有： 減小施工造成的附加影響，使其不超過結(jié)構(gòu)所 能承受的強(qiáng)度極限； 加固既有結(jié)構(gòu)，提高其抗變形能力和強(qiáng)度。 事實(shí)上，在施工過程中所有技術(shù)措施的制定也都是圍繞這兩個(gè)方面進(jìn)行的，因此隧道穿越既有線工程的工作重點(diǎn)為： 既有結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)，給出控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)； 制定合理有效的技術(shù)措施，盡量減小附加變形 對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響； 在既定的施工方案下制定詳細(xì)的階段控制目標(biāo) 和措施，并保證實(shí)施到位，落到實(shí)處； 監(jiān)控量測(cè)、信息反饋及過程控制； 工后評(píng)估和恢復(fù)措施的制定和實(shí)施。 針對(duì)隧道穿越既有地鐵線結(jié)構(gòu)工程的特點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)解決好以下幾個(gè)方面的技術(shù)問題：A

7、. 保證既有線的安全運(yùn)營(yíng) 新線施工不可避免地要對(duì)既有線的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，但只要通過有效的工程措施，將這種影響降低到列車安全運(yùn)營(yíng)允許的范圍內(nèi)，施工即可正常進(jìn)行。這里，問題的關(guān)鍵在于設(shè)定合理的、保證既有線安全運(yùn)營(yíng)所需要的各項(xiàng)指標(biāo)及其管理值。B. 保證施工過程的安全 既有線結(jié)構(gòu)的存在惡化了施工條件，同時(shí)還要考慮到結(jié)構(gòu)荷載及其運(yùn)營(yíng)振動(dòng)的影響，因此必須保證新建工程本身的安全，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。C. 監(jiān)控量測(cè)和信息反饋是工程安全的重要保證 監(jiān)控量測(cè)并實(shí)施信息反饋可使既有線結(jié)構(gòu)和工程施工處于受控狀態(tài)，使每一步的施工都有明確控制目標(biāo)和要求。這在穿越既有線施工中具有尤其重要的意義。在系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，形成若干

8、幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)，針對(duì)不同的隧道穿越方式和主要技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究和實(shí)踐，形成相應(yīng)穿越方式下的若干核心技術(shù)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。 最后通過技術(shù)整合，形成淺埋暗挖法穿越地鐵既有線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。 創(chuàng)造了淺埋暗挖法穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)的模式創(chuàng)造了淺埋暗挖法穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)的模式 地鐵施工對(duì)既有地鐵構(gòu)筑物影響評(píng)價(jià)及危險(xiǎn)性地鐵施工對(duì)既有地鐵構(gòu)筑物影響評(píng)價(jià)及危險(xiǎn)性 鑒定標(biāo)準(zhǔn)鑒定標(biāo)準(zhǔn) 隧道穿越既有地鐵構(gòu)筑物施工指南隧道穿越既有地鐵構(gòu)筑物施工指南 （1） 既有地鐵構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)體系及方法；（2）既有地鐵構(gòu)筑物狀態(tài)變化監(jiān)控管理指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)；（3） 既有地鐵構(gòu)筑物受施工影響的反應(yīng)模式和評(píng)價(jià)方法；（4）新建淺埋暗挖隧道與

9、既有地鐵構(gòu)筑物合理間距的確定；（5）淺埋暗挖隧道穿越既有地鐵構(gòu)筑物的合理施工方法；（6） 既有地鐵構(gòu)筑物與軌道系統(tǒng)變化的監(jiān)測(cè)及控制管理；（7） 既有地鐵構(gòu)筑物分步開挖施工影響的變位分配原理、方法與控制研究；（8） 既有地鐵線運(yùn)營(yíng)振動(dòng)對(duì)淺埋暗挖隧道施工影響的評(píng)價(jià)方法和控制技術(shù)。 在國(guó)內(nèi)外，地鐵施工中穿越既有鐵路干線以及盾構(gòu)法穿越既有地鐵結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例均有報(bào)道，但采用淺埋暗挖法施工大斷面車站穿越既有地鐵構(gòu)筑物在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)成功的工程實(shí)例，因此穿越既有線問題的研究具有開創(chuàng)性工作。就其本質(zhì)而言，穿越既有地鐵構(gòu)筑物就是對(duì)其沉降量和沉降速率的控制，采用可靠的技術(shù)措施使沉降值控制在允許的范圍內(nèi)。針對(duì)以上所述隧

10、道穿越既有地鐵線路的幾個(gè)技術(shù)難題，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)類似工程及其處理的措施進(jìn)行了調(diào)研和分析，其中包括美國(guó)波士頓中央交通主動(dòng)脈隧道、倫敦地下鐵道延長(zhǎng)線、韓國(guó)漢城車站、意大利鐵路車站站場(chǎng)、日本筑波、三之輪隧道，以及我國(guó)上海地鐵上體場(chǎng)站、南京地鐵穿越南京火車站等。以下分別作簡(jiǎn)單的介紹。 美國(guó)波士頓中央交通主動(dòng)脈隧道美國(guó)波士頓中央交通主動(dòng)脈隧道C11A1標(biāo)標(biāo) I-93洲際公路北向隧道段洲際公路北向隧道段 美國(guó)馬賽諸塞州波士頓市的中央交通主動(dòng)脈隧道工程是美國(guó)歷史上規(guī)模最大、工藝最為復(fù)雜、耗資最高的一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施工程。耗資高達(dá)108億美元，被稱為波士頓大開挖。該工程計(jì)劃在波士頓港和勞恩國(guó)際機(jī)場(chǎng)之間構(gòu)筑第二條隧道，

11、還將建起世界上最大的一架懸索橋，以一條八車道的地下高速公路取代目前的一條六車道的高架路。其設(shè)計(jì)交通流量為每天通過245，000輛汽車，可望減少2小時(shí)的高峰期。工程預(yù)計(jì)2004年完工。 C11A1標(biāo)是該工程的一部分，包括一條長(zhǎng)度為600m的四車道公路隧道和一些附屬設(shè)施。在Atlantic Avenue與Summer street的交叉處，隧道與Redline地鐵（車站）、MBTA電車隧道（車站）和兩站的地下站廳層立交，見圖。 該處隧道埋深約19m，其上部支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂距既有地鐵結(jié)構(gòu)底約1.5m。其中的Redline地鐵（車站）建于1916年，高峰期運(yùn)量為每小時(shí)100,000人。工程要求工程要求在不

12、影響既有線正常運(yùn)營(yíng)的條件下進(jìn)行隧道施工在不影響既有線正常運(yùn)營(yíng)的條件下進(jìn)行隧道施工。 為了承托上部車站和周圍土體的重量，施工中采取了強(qiáng)有力的支護(hù)體系，見圖，同時(shí)對(duì)Redline地鐵（車站）、MBTA電車隧道（車站）的動(dòng)態(tài)進(jìn)行24小時(shí)無(wú)間斷監(jiān)測(cè)。施工采用暗挖方式，在既有線下沿隧道方向平行施作兩導(dǎo)洞（左洞長(zhǎng)約46m，右洞長(zhǎng)40m），對(duì)其下深18m的土體進(jìn)行注漿，形成兩道注漿墻。然后在墻體內(nèi)分三層依次開挖導(dǎo)洞、施作混凝土墻體。在緊鄰既有線的導(dǎo)洞中，沿導(dǎo)洞垂直方向以一定間距開挖小導(dǎo)洞，并在其中施作預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁，支撐在混凝土墻之上。至此，支撐體系完成，在它的保護(hù)下對(duì)隧道進(jìn)行開挖。 在開挖上層導(dǎo)洞時(shí)曾

13、進(jìn)行注漿止水和施作橫向小導(dǎo)洞時(shí)進(jìn)行壁后注漿，為避免對(duì)其上地鐵線造成危害，對(duì)既有線進(jìn)行了水平儀和光學(xué)觀測(cè)兩種觀測(cè)手段的監(jiān)測(cè)，右圖是兩種監(jiān)測(cè)方法取得的位移曲線對(duì)比圖。圖中顯示，在前后兩個(gè)月的施工中，既有結(jié)構(gòu)因注漿而上抬了0.8英寸，約20.31mm。 英國(guó)的Jubilee Line 延長(zhǎng)線工程是倫敦市地下交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，于1994年開工。隧道在Waterloo地段從既有的Bakerloo 線和Northern 線下穿過。見圖。 其埋深在2030m，洞徑為4.38m。采用開敞式機(jī)械開挖，復(fù)合式襯砌。穿越段Bakerloo 線為地鐵車站，其洞徑為6.81m6.86m，與Jubilee Line

14、 延長(zhǎng)線相距8.08m。穿越段Northern 線包括車站和區(qū)間，洞徑分別為6.68m和3.57m，與Jubilee Line 延長(zhǎng)線相距分別為6.40m和5.66m，見圖。 施工過程中對(duì)既有線進(jìn)行了沉降、扭轉(zhuǎn)等廣泛的監(jiān)測(cè)，其中Bakerloo 線沉降控制在10mm以內(nèi)，Northern 線沉降控制在15mm以內(nèi)，見圖。（三）韓國(guó)地鐵車站穿越既有地鐵線（三）韓國(guó)地鐵車站穿越既有地鐵線 該工程位于一交通繁忙的十字路口下方，且管網(wǎng)密布，通訊電纜、自來(lái)水管和污水管道等縱橫穿插。所以只能采用暗挖法。 該車站寬23m，高8.6m，拱頂距既有地鐵線4m，結(jié)構(gòu)斷面見圖。圖中柱體縱向上為墻狀連續(xù)結(jié)構(gòu)，以隔離行

15、車時(shí)的噪音和空氣污染。 車站所賦存地層上部為風(fēng)化軟巖，下部為硬巖。為控制既有線的沉降和工作面的穩(wěn)定，采用鋼管復(fù)合注漿支護(hù)技術(shù)。在隧道拱頂輪廓外3m范圍內(nèi)高壓注漿，所用鋼管長(zhǎng)度26m，中洞上方布置五層，側(cè)洞上方布四層，見下圖。 車站開挖方法見下圖,采用先挖側(cè)洞，后挖中洞的方法，初支為厚度25cm的加鋼筋噴射混凝土配以錨桿。 經(jīng)量測(cè)，側(cè)洞開挖時(shí)拱頂沉降34mm，初支中應(yīng)力達(dá)4.6Mpa，且主要沉降發(fā)生在上導(dǎo)坑開挖過程中。中洞施工時(shí)，拱頂沉降3mm，初支應(yīng)力達(dá)0.5Mpa，柱體中應(yīng)力為0.35Mpa。 （四）（四） 意大利的意大利的Ravone鐵路車站鐵路車站(含高速鐵路線和專含高速鐵路線和專 用線

16、用線)站場(chǎng)站場(chǎng) 下面的兩個(gè)平行的地下通道，斷面呈拱形，每個(gè)通道的內(nèi)徑為13m，長(zhǎng)約400m，兩通道中心距離僅有17m。地層主要為軟弱的淤泥砂卵石，偶有黏土夾層。在限定速度80km/小時(shí)的站內(nèi)行車條件下，每對(duì)鐵軌在40m長(zhǎng)度內(nèi)均勻下沉量不得超過3cm，兩根鐵軌的不均勻下沉在3m，7m，10m長(zhǎng)度內(nèi)分別不得超過5，4和3。隧道采用礦山法全斷面開挖，鋼拱架和加鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)。開挖前施行地層加固，措施是用40個(gè)長(zhǎng)15m、搭接長(zhǎng)度5m的超前玻璃纖維構(gòu)件，并通過30孔噴射注漿在隧道輪廓的周邊形成一或兩層長(zhǎng)度分別為10m和7m的注漿加固殼。 開挖過程中，兩隧道工作面距離基本上保持在75m。量測(cè)結(jié)果表明

17、，地表最大變形，隆起58mm，下沉810mm，均未超過規(guī)定的警戒限值，見圖。（五）筑波、三之輪隧道縱穿既有鐵路線（五）筑波、三之輪隧道縱穿既有鐵路線 日本的筑波、三之倫地鐵隧道在軟弱地層中縱向穿越三條既有地面運(yùn)營(yíng)線達(dá)300m，該處地層的N值為4，成分為砂70，粉砂16，粘土13，土質(zhì)軟弱，易產(chǎn)生流動(dòng)、坍塌。隧道埋深412m，洞徑為10m。采用泥水式盾構(gòu)法施工。施工前對(duì)穿越區(qū)進(jìn)行了注漿加固，以二重管柱塞灌注工法和NS噴射工法，在土層中隧道位置上方預(yù)先施作注漿加固層和機(jī)械攪拌樁。 同時(shí)，在地面沿鐵路線縱向，對(duì)施工影響范圍內(nèi)的路基施作軌道施工梁進(jìn)行加固，見圖。施工初期，為防止噴泥，泥水壓設(shè)定較低值，

18、為自然水壓20kpa，掘進(jìn)速度為25mm/min，注漿壓力設(shè)為工作面泥水壓+150kpa。觀測(cè)地表初期沉降值達(dá)到15mm。修正后的泥水壓改為自然水壓+35kpa。隧道通過后，地表最大沉降達(dá)到7mm，最終沉降為20mm。 （六）上海地鐵（六）上海地鐵4號(hào)線上體場(chǎng)車站穿越既有線結(jié)構(gòu)號(hào)線上體場(chǎng)車站穿越既有線結(jié)構(gòu) 上海地鐵4號(hào)線上海體育場(chǎng)車站穿越段結(jié)構(gòu)緊貼地鐵1號(hào)線上體館站底板，穿越施工過程中，需保證原地鐵1號(hào)線的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、車站的底板不受影響，并保證1號(hào)線能正常運(yùn)營(yíng)；此外，由于地鐵1號(hào)線上方有高架、立交道路，且其它建筑物離基坑亦非常近，要求車站穿越施工時(shí)，以上建構(gòu)筑物不允許有大的地層變形，因而其施工難

19、度極大。總體施工方案 因地鐵4號(hào)線的上體場(chǎng)站與地鐵1號(hào)線的上體館車站幾乎直交，為進(jìn)行穿越施工，地鐵4號(hào)線車站除先將穿越段以外的結(jié)構(gòu)施工完成外，再借助人工地層水平凍結(jié)技術(shù)，對(duì)地鐵1號(hào)線底板下土體進(jìn)行加固，形成了強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕，然后在凍土帷幕中進(jìn)行分區(qū)、分層開挖構(gòu)筑施工。穿越車站的綜合施工技術(shù) 托換加固技術(shù)的應(yīng)用； 碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù) 懸吊加固技術(shù)的應(yīng)用； 地層凍脹和融沉防治措施綜合以上可見：（1）國(guó)內(nèi)外已建和正在建設(shè)的類似工程基本上都是采用托換、加固或托換+加固的措施，施工過程中控制方法也大同小異；（2）所有工程的難度和規(guī)模都沒有超過北京地鐵五號(hào)線崇文門車站穿越工程，崇文門車站所采用

20、的監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)目前也是最先進(jìn)的；（3）目前還尚無(wú)完善的穿越既有線方案、措施和工作程序。 地鐵隧道開挖引起的地層變形及地表沉陷是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，其中包括應(yīng)力的傳遞和變形的傳遞。隧道開挖后首先引起隧道周圍應(yīng)力的變化，在應(yīng)力重新調(diào)整過程中引起隧道周圍土體的變形和破壞，隨隧道的不斷開挖所影響的范圍也不斷擴(kuò)大，最終通過地層土體傳遞到地表。應(yīng)力的傳遞是自上而下的，由此造成開挖體周圍及前方土體中的應(yīng)力集中，當(dāng)其超過土體強(qiáng)度后即發(fā)生破壞，繼而產(chǎn)生較大的塑性變形；而變形的傳遞則是自下而上的，在其傳遞過程中有時(shí)還伴隨有土體的失水固結(jié)等。 隧道變形傳遞應(yīng)力傳遞應(yīng)力傳遞隧道開挖后地層移動(dòng)及應(yīng)力變化 根據(jù)地鐵暗挖

21、施工的監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合分析地層分層沉降、水平位移以及襯砌結(jié)構(gòu)受力等資料，在開挖隧道上方一定層位的土體中存在著某種形式的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)類似于承載拱。該結(jié)構(gòu)形成的位置以及它的穩(wěn)定性受到許多因素的影響，其中包括地層的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、含水狀況以及地層加固方式等。 大量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，不同地層，如粘性土和砂質(zhì)土地層，其變形和地表沉降存在較大的差異，從而構(gòu)成不同的沉降模式，其控制的原則和技術(shù)措施也有所區(qū)別。 根據(jù)地層條件以及沉降過程的特點(diǎn)，可將地表沉降分為整體沉降和拱式沉降兩種主要模式，分別適用于粘性土地層和砂性土地層。 對(duì)于呈層狀結(jié)構(gòu)且具有一定強(qiáng)度的地層，隨隧道開挖上覆地層依次運(yùn)動(dòng)和變形，但由于地層強(qiáng)度、分層厚度

22、以及完整性的不同，各地層的運(yùn)動(dòng)在時(shí)間和空間上具有一定的差異，并呈現(xiàn)出明顯的成組運(yùn)動(dòng)特征。通常同一組地層中最下位的地層為結(jié)構(gòu)層，其中失穩(wěn)直接波及到地表的結(jié)構(gòu)層稱為主導(dǎo)結(jié)構(gòu)層，它是地表沉降控制的重點(diǎn)。隧 道結(jié) 構(gòu) 層2結(jié) 構(gòu) 層1離 層 區(qū) 域1離 層 區(qū) 域1 對(duì)于松散地層，尤其是含砂性土的地層，隧道開挖后首先在其上方形成冒落拱（有時(shí)是松動(dòng)拱），隨隧道開挖范圍增大冒落拱在不斷發(fā)展，在一定條件下將形成某一穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即相對(duì)穩(wěn)定的“拱結(jié)構(gòu)”，如下圖所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)，拱高可達(dá)隧道寬度的一倍左右。 地 鐵 隧 道拱 結(jié) 構(gòu) 2拱 結(jié) 構(gòu)拱 結(jié) 構(gòu) 1 以上分析是基于地層本身變形的基本規(guī)律，事實(shí)上在城市地鐵的

23、施工中地層中存在各種形式的結(jié)構(gòu)物，包括橋樁、建筑物基礎(chǔ)、管線以及地層中的其他構(gòu)筑物。 這樣在地層變形過程中必然發(fā)生地層與結(jié)構(gòu)的相互作用，由于其相對(duì)位置、強(qiáng)度以及地層性質(zhì)的不同將出現(xiàn)不同的結(jié)果，如地層變形被隔斷或地層中的結(jié)構(gòu)物遭到破壞等，從而對(duì)近接環(huán)境安全造成不同的影響。這也就要求我們采取不同的控制方案和技術(shù)措施。在地層中開挖隧道必然造成地層變形和破在地層中開挖隧道必然造成地層變形和破壞，隨著開挖范圍的增大以及時(shí)間的增加，變壞，隨著開挖范圍的增大以及時(shí)間的增加，變形則逐漸向四周傳遞，最后形成地表沉降和土形則逐漸向四周傳遞，最后形成地表沉降和土體的側(cè)向移動(dòng)。當(dāng)變形在地層傳遞過程中遇有體的側(cè)向移動(dòng)。

24、當(dāng)變形在地層傳遞過程中遇有結(jié)構(gòu)物時(shí)則必然發(fā)生地層與結(jié)構(gòu)的相互作用，結(jié)構(gòu)物時(shí)則必然發(fā)生地層與結(jié)構(gòu)的相互作用，依據(jù)作用結(jié)果的可能會(huì)出現(xiàn)不同的情況，如結(jié)依據(jù)作用結(jié)果的可能會(huì)出現(xiàn)不同的情況，如結(jié)構(gòu)物的變形、破壞等，因此只有搞清他們之間構(gòu)物的變形、破壞等，因此只有搞清他們之間的作用關(guān)系，建立起相應(yīng)的控制體系，才能實(shí)的作用關(guān)系，建立起相應(yīng)的控制體系，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的保護(hù)?，F(xiàn)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的保護(hù)。地地層層及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)變變形形控控制制體體系系地層與地下結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系地層與地下結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系 隧道開挖方式對(duì)地層變形模式的影響及其變形的傳播規(guī)律隧道開挖與地層變形的相互關(guān)系； 在給定變形（變形量大小及其

25、分布）條件下，地下結(jié)構(gòu)的破壞模式及安全性評(píng)價(jià)； 地層與結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理和模式地層擾動(dòng)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的存在影響地層變形及其發(fā)展規(guī)律，即地層與結(jié)構(gòu)作用的銜接。00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20123456789101112中夾層土體厚度H(m)振動(dòng)傳播速度V(m/s)00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0450.05夾層土體沉降S(m)振動(dòng)衰減規(guī)律松散土體沉降量密實(shí)土體沉降量綜合考慮列車振動(dòng)對(duì)新建結(jié)構(gòu)的影響和夾層土體變形對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降的影響，合理的結(jié)構(gòu)間距以23m為宜；同時(shí)考慮到間距在5m以上相互影響明顯減小，因此在

26、小間距范圍內(nèi)合理的夾層厚度為23m。變位分配原理：變位分配原理：地層及結(jié)構(gòu)的變形是逐漸累積的，說明每步工程活動(dòng)都會(huì)造成變形的增大；每個(gè)施工活動(dòng)步驟（開挖、支護(hù)、支撐拆除及襯砌等）中所產(chǎn)生的變形是不同的，有時(shí)差異很大，并且具有明顯的規(guī)律性；不同應(yīng)力路徑所產(chǎn)生的變形量是不同的，即施工順序不同，其階段變形和最終變形量都可能是不同的。地層及結(jié)構(gòu)變位分配的方法：地層及結(jié)構(gòu)變位分配的方法：在擬定的施工方法和工程條件下，可結(jié)合工程實(shí)際、既往的監(jiān)測(cè)成果和理論分析及數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)每個(gè)施工階段的變形量進(jìn)行分解，即將總體目標(biāo)分解為階段目標(biāo)進(jìn)行控制，通過對(duì)階段目標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)總體目標(biāo)的控制，從而確保既有結(jié)構(gòu)的安全。

27、 淺埋暗挖法近距離穿越既有地鐵構(gòu)筑物（區(qū)間與車站）關(guān)鍵技術(shù)研究課題重點(diǎn)結(jié)合北京地鐵五號(hào)線5、6和18標(biāo)的工程條件，分別對(duì)下方穿越、上方穿越以及側(cè)邊穿越既有線結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行研究和分析，建立起相應(yīng)的理論體系，進(jìn)而形成隧道穿越既有結(jié)構(gòu)的原理和方法，并提出成套控制方案，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的可靠控制。 本課題形成的技術(shù)成果在五號(hào)線的各有關(guān)工程中得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)為工程建設(shè)服務(wù)的目標(biāo)。 同時(shí)，對(duì)地鐵線網(wǎng)的設(shè)計(jì)以及其他類似工程的施工提供有益的指導(dǎo)和借鑒。 隧道穿越既有線的核心問題是如何控制既有線結(jié)構(gòu)的變形量和變形速率(防止災(zāi)難事故發(fā)生)，因此從研究思路上可以采取以下3種方法： 結(jié)構(gòu)托換，即通過托換手段對(duì)

28、既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)支護(hù)，如美國(guó)波士頓中央交通主動(dòng)脈公路隧道工程穿越既有地鐵線時(shí)使用了此方法。 減小開挖斷面，即在滿足工程要求的條件下盡量減小隧道斷面，或?qū)⒋髷嗝嫠淼婪纸獬尚嗝?，?號(hào)線宣武門站擬采用的方法。 隧道分部開挖，即將大斷面隧道分多次開挖完成，從而減小對(duì)既有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)和變形，如5號(hào)線崇文門車站、東單車站以及穿越雍和宮車站所采用的方法。 結(jié)合北京地鐵五號(hào)線05標(biāo)、06標(biāo)和18標(biāo)的施工，課題組全面參與了方案論證、施工技術(shù)措施制定以及監(jiān)測(cè)的實(shí)施，提出了許多有價(jià)值的技術(shù)方案和建議，為施工方案的制定和過程控制技術(shù)的實(shí)施提供了重要的技術(shù)支持，取得了良好的效果。 針對(duì)各自的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)提出了相應(yīng)的關(guān)

29、鍵控制技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)得到了實(shí)施。同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。并進(jìn)行了相關(guān)的理論分析以及不同施工方案的對(duì)比分析。 由此，形成了暗挖隧道穿越既有線的安全風(fēng)險(xiǎn)管理模式。該模式目前已在北京地鐵施工環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)管理中得到了應(yīng)用。 隧道施工過程中既有線地鐵構(gòu)筑物的控制模式隧道施工過程中既有線地鐵構(gòu)筑物的控制模式 (5個(gè)環(huán)節(jié)個(gè)環(huán)節(jié))： 既有地鐵構(gòu)筑物的現(xiàn)狀評(píng)估和安全性評(píng)價(jià)既有地鐵構(gòu)筑物的現(xiàn)狀評(píng)估和安全性評(píng)價(jià) 施工附加影響分析和施工方案優(yōu)化分析施工附加影響分析和施工方案優(yōu)化分析 既有結(jié)構(gòu)控制方案的制定和實(shí)施既有結(jié)構(gòu)控制方案的制定和實(shí)施 施工過程的監(jiān)測(cè)和信息反饋施工過程的監(jiān)測(cè)和信息反饋 工后評(píng)估及恢復(fù)方案制定工后評(píng)估及恢

30、復(fù)方案制定 施工監(jiān)測(cè)施工監(jiān)測(cè)( (地層及結(jié)構(gòu)變形地層及結(jié)構(gòu)變形) )與分析與分析 施工引起的土體變形預(yù)測(cè)分析施工引起的土體變形預(yù)測(cè)分析 注漿加固方案注漿加固方案 在地鐵施工中，對(duì)既有線安全的管理即是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源（如重要建（構(gòu)）筑物）的全過程控制，通常包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)： 既有結(jié)構(gòu)物(如地鐵區(qū)間或車站)的現(xiàn)狀評(píng)估和安全性評(píng)價(jià)，由此可確定出既有結(jié)構(gòu)的沉降和變形控制標(biāo)準(zhǔn)，即既有結(jié)構(gòu)所能夠承受的極限變形值。 施工附加影響的分析和評(píng)價(jià)，由此可確定出合理的施工方案。實(shí)際上為施工方法以及輔助施工方法的優(yōu)化，并且包括工法的優(yōu)化以及細(xì)部?jī)?yōu)化（如到洞開挖以及支護(hù)順序等細(xì)節(jié)問題）。 控制方案制定。考慮到隧道開挖對(duì)地層影響

31、的時(shí)空效應(yīng)，依據(jù)地層和結(jié)構(gòu)的變位分配原理，初步擬定相應(yīng)施工方案下的既有結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性控制方案并實(shí)施。方案制定的依據(jù)主要包括：既往經(jīng)驗(yàn)及資料、數(shù)值模擬及理論分析、工程特點(diǎn)等。 監(jiān)測(cè)及反饋?；谛畔⒒┕さ脑?，通過監(jiān)測(cè)結(jié)果與既定控制方案的對(duì)比，可及時(shí)對(duì)施工方案和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，以及在必要時(shí)對(duì)地層和結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。加固地層其作用是減小施工對(duì)結(jié)構(gòu)的附加影響；加固結(jié)構(gòu)其作用則在于提高結(jié)構(gòu)的抗變形能力。 工后評(píng)估及恢復(fù)方案制定。無(wú)論采取怎樣的施工方案和技術(shù)措施，施工結(jié)束后都會(huì)或多或少地對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成影響，因此待施工完成后應(yīng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的損壞狀況進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，并據(jù)此制定恢復(fù)方案和具體措

32、施，包括恢復(fù)的必要性、恢復(fù)程度以及工后沉降和變形的預(yù)測(cè)等。 依據(jù)上述原理和方法，在淺埋暗挖法穿越地鐵結(jié)依據(jù)上述原理和方法，在淺埋暗挖法穿越地鐵結(jié)構(gòu)成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，目前已在北京地鐵施工的環(huán)境構(gòu)成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上，目前已在北京地鐵施工的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)管理中得到了推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。安全風(fēng)險(xiǎn)管理中得到了推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。由此可對(duì)地鐵及城市地下工程施工的環(huán)境控制提供直由此可對(duì)地鐵及城市地下工程施工的環(huán)境控制提供直接的指導(dǎo)，從整體上提高了信息化施工的技術(shù)水平。接的指導(dǎo)，從整體上提高了信息化施工的技術(shù)水平。現(xiàn)以崇文門車站現(xiàn)以崇文門車站穿越既有線結(jié)構(gòu)工程穿越既有線結(jié)構(gòu)工程為例對(duì)其控制過程進(jìn)為

33、例對(duì)其控制過程進(jìn)行分析。行分析。 本項(xiàng)工作可委托專門機(jī)構(gòu)完成，本課題的研究成果主要給出評(píng)估的內(nèi)容、方法和技術(shù)要求，在綜合分析的基礎(chǔ)上給出結(jié)構(gòu)的控制標(biāo)準(zhǔn)值。 一般來(lái)說，既有線結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀安全評(píng)估的工作程序?yàn)椋海?）按照擬定或可能的隧道施工方法，將施工對(duì)結(jié)構(gòu)的附加影響分為不同的模式和類型，包括在結(jié)構(gòu)中的變形量及其分布規(guī)律；（2）將不同的變形量及其分布形式施加到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)狀況，在變形累計(jì)遞增的過程中找出結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的臨界值，即給出相應(yīng)模式下的廣義變形極限值。 (3) 針對(duì)不同指標(biāo)，按照小值優(yōu)先的原則，給出破壞極限值，考慮一定的安全儲(chǔ)備系數(shù)后即為控制標(biāo)準(zhǔn)控制標(biāo)準(zhǔn)。 需要說明的是，對(duì)于穿越

34、既有地鐵線路工程，除保證結(jié)構(gòu)的安全外還必須滿足諸如曲線豎直度、兩軌高差、兩軌水平移動(dòng)量以及隧道凈空要求等要求。這些應(yīng)在結(jié)構(gòu)評(píng)估、綜合調(diào)研和理論分析的基礎(chǔ)上綜合研究決定。 盡管考核既有線安全狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)很多，但各項(xiàng)指標(biāo)之間具有顯著的相關(guān)性，大量實(shí)踐表明，既有線結(jié)構(gòu)的最大沉降量和沉降速率仍然我們所更為關(guān)心的，這是因?yàn)椋鹤畲蟪两盗渴歉鞣N指標(biāo)的綜合反映，集中體現(xiàn)了既有線的安全狀況；沉降速率的突然增大通常是某些異常變化的體現(xiàn)，若措施不當(dāng)則可能發(fā)生災(zāi)難性事故。平面圖平面圖橫剖面圖橫剖面圖18m11.42m8.5m24.2m18m7.2m8.5m18m西1.98m 結(jié)合上述破壞模式，對(duì)施工過程中可能發(fā)生的

35、沉降模式進(jìn)行綜合分析，同時(shí)考慮到綜合分析，同時(shí)考慮到列車運(yùn)營(yíng)條件（豎曲線、過超高等）的要求，列車運(yùn)營(yíng)條件（豎曲線、過超高等）的要求，最后以既有隧道結(jié)構(gòu)變形縫處的最大沉降量最后以既有隧道結(jié)構(gòu)變形縫處的最大沉降量最為控制指標(biāo)，控制標(biāo)準(zhǔn)為不超過最為控制指標(biāo)，控制標(biāo)準(zhǔn)為不超過40mm40mm，考，考慮到一定安全儲(chǔ)備，將既有結(jié)構(gòu)的最大沉降慮到一定安全儲(chǔ)備，將既有結(jié)構(gòu)的最大沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)擬定為量控制標(biāo)準(zhǔn)擬定為36mm36mm。10 10 地鐵施工的附加影響分析及工法優(yōu)化地鐵施工的附加影響分析及工法優(yōu)化 大斷面淺埋暗挖地鐵車站可以采用中洞法、柱洞法和側(cè)洞法施工，不同施工方法對(duì)既有結(jié)構(gòu)沉降的影響是不同的，為此

36、以既有結(jié)構(gòu)的最大沉降量為目標(biāo)，對(duì)不同工法的附加影響進(jìn)行分析，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)施工方法的優(yōu)化。 施工方法的附加影響分析及優(yōu)化，包括工法的優(yōu)化和施工步驟的細(xì)部?jī)?yōu)化。 既有環(huán)線區(qū)間隧道新建車站600大管棚柱洞法柱洞法中洞法中洞法1300側(cè)洞法側(cè)洞法-70-60-50-40-30-20-10012345678910111213141516施工步序累計(jì)沉降量/mm柱洞中洞側(cè)洞FLAC3D 3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep48804ModelPerspective15:15:29TueMay032005Center:X:-5.463e+000

37、Y:2.768e+001Z:1.800e+001Rotation:X:90.000Y:360.000Z:0.000Dist:1.934e+002Mag.:1Ang.:22.500Block StateNoneshear-nshear-pshear-ntension-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-nshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pFLAC3D 3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep83973ModelPerspec

38、tive16:24:00TueMay032005Center:X:7.761e-001Y:3.242e+001Z:1.800e+001Rotation:X:90.000Y:0.000Z:0.000Dist:1.934e+002Mag.:1.56Ang.:22.500History4.05.06.07.08.0 x104-1.3-1.2-1.1-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1x10-246Y-DisplacementGp17318Linestyle-1.335e-002-1.846e-006 Vs.Step3.218e+0048.397e+004B

39、lock StateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-ntension-nshear-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-nshear-ptension-ptension-ntension-ptension-pFLAC3D 3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep61102ModelPerspective17:10:56TueMay032005Center:X:0.000e+000Y:3.335e+001Z:1.800e+001

40、Rotation:X:90.000Y:0.000Z:0.000Dist:3.593e+002Mag.:3.05Ang.:22.500History1.02.03.04.05.06.0 x104-2.4-2.2-2.0-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4x10-246Y-DisplacementGp24436Linestyle-2.437e-002-2.530e-003 Vs.Step5.910e+0036.110e+004Block StateNoneshear-nshear-pshear-nshear-ptension-pshear-ntension-nshear

41、-ptension-pshear-pshear-ptension-ptension-nshear-ptension-ptension-ntension-ptension-p不不同同施施工工方方法法的的塑塑性性區(qū)區(qū)分分布布柱洞法柱洞法中洞法中洞法側(cè)洞法側(cè)洞法 綜合既有結(jié)構(gòu)沉降以及塑性區(qū)范圍的影綜合既有結(jié)構(gòu)沉降以及塑性區(qū)范圍的影響分析，可以得出以下結(jié)論：響分析，可以得出以下結(jié)論： 柱洞法以最小的挖土量，提供了前期襯砌柱洞法以最小的挖土量，提供了前期襯砌的施作空間，其永久襯砌結(jié)構(gòu)施作最早，支的施作空間，其永久襯砌結(jié)構(gòu)施作最早，支撐作用發(fā)揮得最早，所以對(duì)土體沉降和既有撐作用發(fā)揮得最早，所以對(duì)土體沉降和既有結(jié)構(gòu)的變位控制最為有利，應(yīng)是穿越施工的結(jié)構(gòu)的變位控制最為有利，應(yīng)是穿越施工的最佳方案。最