城市地铁工程邻近施工理论与关键控制技术研究

城市地铁工程邻近施工理论与关键控制技术研究 北京市政建设集团有限责任公司孔恒 1 引言 21 世纪城市地下工程建设的高峰时代已经到来。伴随着我国综合国力的提高，许多大城市将跻身于国际大都市， 其城市现代化建设正在提速。就目前，我国地铁在建或已通车运营的城市有北京、上海、广州、深圳、南京、天津、 杭州、成都、苏州、沈阳、西安、青岛等，而处在招投标或已获批准建设的城市有重庆、哈尔滨、无锡、佛山、郑州、 长沙等。另一方面，表征城市基础设施现代化水平的地下各类市政管廊也在大规模的开发建设。 以北京为例，截止目前，北京已建成运营的轨道交通有：M1 号线、M 2 号线、M 5 号线、M 10 号线一期（含奥运 支线）、M 13 号线、轨道交通机场线（L1 线），共计 6 条线路，总长达 198 公里。2010 年北京轨道交通通车里程确 保达到 300 公里； 2012 年通车里程达到 400 公里；2015 年通车里程达到 561 公里。北京轨道交通线网将于 2050 年 前全部完成，届时线路总长将达到 1053 公里，实现城市轨道交通系统承担客运总量的 50至 60。 城市地铁土建施工一般都采用明（盖）挖法、浅埋暗挖法和盾构法来修建地铁车站与区间隧道。勿庸置疑，在城 市环境条件下施工地铁工程，不可避免要进行邻近施工，如邻近既有地铁（铁路）、建筑物、桥梁、管线与河流等建 （构）筑物。工程实践表明：在城市环境条件下施工，这三种工法都会对周边环境造成一定的影响，只不过浅埋暗挖 法施工的风险发生几率相对于明（盖）挖法和盾构法要高一些。 本文主要以北京地铁建设为背景，对城市地铁工程邻近施工理论与关键控制技术进行一些分析、总结和探讨。 2 邻近施工的概念、分类、施工风险分析与评估 2.1 邻近施工的概念与国内外研究现状 一般把新建结构物邻近相对既有结构物施工，且新建结构物施工可能对相对既有结构物的功能等造成不利影响的 施工称为邻近施工。 纵观国内外相关文献，对于邻近施工的报道，都局限于对邻近施工个案的影响和对策研究，国外较系统的研究仅 见于日本 1997 年公布的既有铁路隧道近接施工指南。就工程实践而言，针对城市复杂环境条件下，尤其是对环境 影响相对显著的城市浅埋暗挖法邻近施工的研究还非常薄弱。 2.2 邻近施工的分类 2.2.1 邻近施工的周边环境分类 根据工程实践，城市地铁施工，其周边环境一般按重要性程度分为重要周边环境和一般周边环境两种情况。邻近 施工周边环境分类见表 2.1。 2.2.2 邻近施工的穿越方式分类 针对采用的明挖法、盾构法和浅埋暗挖法修建隧道与周边环境的位置关系，广义的邻近施工分类可分为两大基本 类型，即新建工程邻近既有隧道施工和新建隧道邻近既有环境体施工。但依据浅埋暗挖法隧道邻近周边环境施工的特 点，以及浅埋暗挖法自身的施工内涵，浅埋暗挖法隧道邻近施工分类可概括为三大类：新建隧道邻近既有线施工、新 建隧道邻近既有环境体施工和新建隧道邻近新建隧道。值得说明的是尽管既有线统属于既有环境实体，但为确保既有 线运营安全，突出以人为本，在工程实践中，对邻近既有线施工的对策有别于其他既有环境体，因此这里单独分类。 另外对浅埋暗挖法的新建隧道邻近新建隧道有下述几种含义：1）相互独立永久结构的浅埋暗挖法隧道邻近浅埋暗挖法 隧道施工。如同期施工的两条线间距较近的隧道施工；2）同一永久结构的浅埋暗挖法隧道邻近浅埋暗挖法隧道施工。 如大断面分割成 2 个导洞或多导洞群施工，诸如临时仰拱法、CD、CRD 、双侧洞、中洞和 PBA 法等；3）浅埋暗挖法 邻近同期应用明（盖）挖法与盾构法修建的隧道等。 从邻近施工的空间位置关系来分，邻近施工有并列、重叠和交叉三种位置关系。不管那一种位置关系，穿越方式 都可概括分为上穿、下穿与侧穿。 表 2.1 邻近施工周边环境分类 序 号 项目 重要周边环境 一般周边环境 备 注 1 既有线 既有地铁线路和铁路 2 既有建 （构） 筑物 古建筑（市级及以上）、标志性建筑（城市级及以上）、高层 民用建筑、一般建筑（使用时间较长）、基础条件差的建筑物、需 重点保护或特殊要求的建筑物、重要的烟囱、水塔、油库、加油站、 气灌、高压线路塔等 一般的中、低 层民用建筑、厂房、 车库等构筑物 3 既有地 下构筑物 地下商业街、热力隧道、大型雨污水管沟及人防工程等 地下通道等 4 既有市 政桥梁 高架桥、立交桥等 匝道桥、人行 天桥等 5 既有市 政管线 污水管、雨水管、铸铁管（使用时间较长）、承插式接口砼管、 煤气管、上水管、中水管、军缆等 电信、通讯、 电力管道（沟）等 6 既有市 政道路 城市主干道、快速路等 城市次干道、 支路等 7 水体 （河道、湖 泊） 自然、人工河湖等 8 树木 古树 2.3 邻近施工的风险等级分析与评估 2.3.1 基于 AHP 的邻近施工环境风险源影响因素与相对重要度分析 基于层次分析法（AHP）建立的城市地铁工程邻近施工风险源重要性等级评价与控制模型见图 2.1。其中 G 层为目 标层，A、B、C 层为准则层，D 层为最低层。为因素的计算、比较与分析方便，也可看作为因素树图，这样 G 层为目 标因素层，D 层为基因素层，相应的点为基因素点，其余层为复合因素层，相应的点为复合因素点。 由图 2.1，可计算各层次因素的权重，以及各影响因素的重要性排序。 2.3.2 邻近施工环境风险分级 邻近既有线施工环境风险的分级见表 2.2，邻近既有环境体施工环境风险的分级见表 2.3。 表 2.2 邻近既有线施工环境风险分级 侧穿（水平间隔） 下穿 （垂直间 隔） 上穿 （垂直间 隔） 新建比既有线位 置高 新建比既有线位 置低 特级 3.5D 3.0D 2.5D 2.5D 注：D 新建隧道外径， “间隔”，是指既有隧道衬砌外面到邻近工程距离 2.3.3 邻近施工的安全性评估 2.3.3.1 评估等级划分 根据以上邻近施工环境风险等级的划分，将邻近施工分为以下三个评估等级：详细评估、一般评估和只调查，不 评估。 评估等级划分依据为： 1) 对于环境安全风险等级为“特级 ”，“一级”，“二级”的既有建（构）筑物，必须进行 “详细评估”； 2) 对于环境安全风险等级为“三级 ”的建（构）筑物，需进行“一般评估”； 3) 对于环境安全风险等级为“无风险 ”的建（构）筑物，可以“只调查，不评估”。 表 2.3 邻近既有环境体施工环境风险分级 风险等级 环境风险工程 新建隧道与既有环境体的相对关 系 备注 重要桥梁（桩体） 邻近，强烈影响区（穿越水平距 离小于 2.5d(d 为桩径)，且破裂面影 响桩长大于 1/2） 其他邻近程度根据 具体情况可降低一级 重要市政管线 下穿或侧穿，强烈影响区 （0.5D） 强烈影响区外一般 可降低一级 重要建（构）筑 物 下穿或侧穿，显著影响区 （1.0D） 其他影响区范围结 合建（构）筑物特点可 进行调整 一级 河流、湖泊 下穿或侧穿 重要桥梁（桩体） 邻近，显著影响区（穿越水平距 离大于 2.5d(d 为桩径)，且破裂面影 响桩长小于 1/2 且大于 1/3） 其他邻近程度根据 具体情况可降低一级 重要市政管线 下穿或侧穿，显著影响区 一般影响区 （1.0D） （1.0.D）根据具体情 况可降低一级 二级 重要建（构）筑 物 下穿或侧穿，一般影响区（1.0D- 1.5D） 重要桥梁（桩体） 邻近，一般影响区（穿越水平距 离大于 2.5d(d 为桩径)，且破裂面影 响桩长小于 1/3） 一般市政管线 下穿或侧穿，显著影响区 （1.0D） 强烈影响区可根据 具体情况上调一级 一般市政道路及 其他市政基础设施工 程 下穿或侧穿，显著影响（1.0D） 强烈影响区可根据 具体情况上调一级 三级 一般既有建（构） 筑物、重要市政道路 工程 下穿或侧穿，显著影响区 （1.0D） 强烈影响区可根据 具体情况上调一级 2.3.3.2 邻近施工的安全性评估 邻近施工安全性评估的一般程序见图 2.2。 3 邻近施工的地层响应规律认识 基于浅埋暗挖法隧道施工对既有土工环境结构体的影响相对于明挖法和盾构法大，这里重点分析浅埋暗挖法隧道 开挖的地层响应规律及工作面开挖的稳定与失稳规律。 基于大量实测资料及数值模拟可以推断：沿工作面推进方向，据工作面上覆地层水平及垂直移动的变形特征，将 其划分为三个区：超前变形影响区（A 区）、松弛变形区（B 区）和滞后变形稳定区（C 区）。特别的对松弛变形 B 区， 据其特征，又可将其沿地层剖面划分为五带：为弯曲下沉带、为压密带、为松弛带、为工作面影响带、为 基底影响带（图 3.1）。图中 1 为变形影响边界线， 2 为松弛变形影响边界线。 由实测的围岩径向压力与上覆土柱荷载的比值，以及超前小导管的现场量测资料，浅埋隧道工作面围岩应力分布 沿隧道推进方向，可分三个区(图 3.2)。其中为原始地应力区，为增压区，为应力降低区（减压区或卸荷区）。 1 表示应力影响边界线，2 为应力峰值线， 3 表示为卸荷边界线。 3.2 浅埋暗挖法地铁隧道工作面稳定与失稳的认识 3.2.1 工作面上覆地层结构的稳定性分析 对浅埋软土隧道上覆地层结构的稳定性分析，就目前还没有文献报道。利用实测的隧道纵轴方向地层下沉态势， 建立的沿隧道纵轴方向松弛带内任一土分层的结构模型如图 3.3。 由模型，可求得无超前预加固以及超前预加固时，形成此结构的水平推力 Ti 与进尺以及地层沉降等的关系表达式。 促成工作面结构形成并稳定的条件是：（1）减少工作面无支护距离或缩短工作面推进长度（开挖进尺）；（2）控制 并减少下沉速度或下沉量；（3）保证结构具有一定的厚度。 3.2.2 工作面上覆地层结构的失稳坍落模式 对松弛带内处于失稳坍落的土体，可视作为松散介质。对松弛带的拱本文定义抛物线拱为初期稳定拱，最终稳定 拱形状为椭圆。基于假定，可建立求解无支护长度与坍落椭球体高度的关系模型见图 3.4。 对浅埋土质隧道，可计算一般地层条件下的失稳为局部坍落，而复杂条件下的失稳为整体失稳，可能抽冒至地表。 因此为控制地表下沉和工作面开挖的稳定，实施地层预加固，对浅埋暗挖法施工非常关键。 3.3 工作面正面土体稳定性分析的上限解 由建立的工作面上覆地层椭球体坍落模型，浅埋隧道工作面正面土体的一般坍落模型见图 3.5。 由上述分析，可建立无超前小导管预加固结构模型、土中管体的剩余长度 le 大于坡面破裂（松弛）长度 l 模型和土 中管体的剩余长度 le 小于坡面破裂（松弛）长度 l 模型的隧道工作面土体稳定性分析上限解模型。 由建立的模型上限解结果分析，可得出以下初步结论： （1）对浅埋暗挖隧道工作面，若工作面无超前预加固技术措施，则一般来说，工作面难以保证开挖的稳定性。 （2）尽管超前预加固的作用效果明显，但其作用受地层条件、埋深、隧道开挖尺寸、隧道初次支护方式、预加固 参数等限制。 （3）上限解表明，上覆地层的拱效应是存在的。如若把地层荷载的增加视为地层物性参数的劣化，则可明显看出， 如若上覆地层荷载全部作用在超前预加固结构体上，无疑工作面必趋于失稳。事实上，对一般地层条件，工作面并未 失稳，这说明地层拱效应的存在承担了一部分荷载，它使作用在超前预加固结构上的荷载以及直接作用在工作面土体 的荷载大为减少，从而确保了隧道的正常开挖。 （4）对复杂地层条件，仅依靠常规超前预加固技术措施难以保证开挖面的稳定。 （5）一般条件下，随预加固长度的增加，其对工作面的促稳效果明显。但当土中管体剩余长度达到临界破裂长度 时，此时预加固长度的相对大小对工作面的稳定性影响已不再是关键因素。 （6）由上限解分析，对一定的地层条件，工作面土体破裂滑动角 一般都接近于 450-/2，并且基本稳定。这说 明工作面土体的破坏是渐次累加破坏。 4 邻近施工的主要控制指标与控制基准 4.1 邻近既有线施工控制指标与控制基准 4.1.1 主要控制指标的确定 这里以浅埋暗挖法邻近施工为例，分析邻近既有线施工的主要控制指标确定。在既有线这个大的结构系统中，位 移包括既有线结构位移、道床位移和轨道位移。轨道结构允许变形制约既有线结构允许位移，而通过结构计算可以根 据既有线结构位移确定道床与轨道结构位移，因此确定将结构位移作为控制指标。 根据各个穿越方式的受影响特点、各个指标与施工阶段和其它指标的相关程度、施工中可操作性，建议在既有线 穿越工程中采用既有地铁结构底板沉降量（隆起量）和沉降速率（隆起速率）作为控制指标。 4.1.2 控制基准值的确定 当前控制基准的拟定仍只能在经验和统计的基础上加以制定。控制基准的确定主要依据实测统计资料、施工经验 及常规隧道基准给出。基准以允许变形值为上限，同时应该考虑变形持续的特点，并本着严格管理、给控制措施留出 时间(余量)的原则给出。 综合来说，应该根据调查情况、影响预测分析、类似工程经验、工程要求综合制定控制基准。 根据北京地铁 5 号线穿越既有线的工程实践，崇文门车站下穿既有线安全运营的变形控制指标及基准见表 4.1，东 单车站上穿既有线控制指标及控制基准见表 4.2。 表 4.1 崇文门线轨道结构变形预警值和基准值（单位：mm） 变形类别 沉降 平移 沉降差 道床开裂 隧道结构与道床脱 离 每日 3 1 2 0.5 1 预警 值 累积 30 4 6 1 3 每日 4 2 3 0.5 2 基准 值 累积 40 6 10 1 5 表 4.2 东单车站地表及轨道变形预警值和基准值（单位：mm） 变形类别 上拱 平移 沉降差 道床开裂 隧道结构与道床脱 离 每日 3 1 2 0.5 1 预警值 累积 18 4 6 1 3 每日 4 2 3 0.5 2 基准值 累积 20 6 10 1 5 4.2 邻近建（构）筑物施工控制指标与控制基准 邻近建（构）筑物施工控制指标主要有两个：建（构）筑物沉降和建（构；）筑物倾斜。尤其是建（构）筑物的 不均匀沉降引发的建筑物倾斜则是判定建筑物是否安全的一个关键指标。 工程实践中，对一般建（构）筑物地表沉降按 30mm，建筑物倾斜按 3控制；对重要建（构）筑物地表沉降按 15 20mm，倾斜按 1控制；对特别重要的建（构）筑物地表沉降按 10mm，差异沉降按 5mm 控制。 在实际工程中，一般仍应根据环境条件、地质条件等，在上述经验数据的基础上，对重要建（构）筑物必须结合 数值模拟来确定。 4.3 邻近桥梁施工控制指标与控制基准 4.3.1 邻近桥梁施工控制指标的选取 施工控制指标应包括但不限于以下指标内容：（1）桥墩绝对沉降（单墩沉降）；（2）横桥向同一盖梁下相邻桥 墩之间的差异沉降；（3）顺桥向相邻桥墩之间的差异沉降；（4 ）桥基附近的地表沉降。 4.3.2 邻近桥梁施工控制基准的确定原则与方法 1）邻近桥梁施工控制基准的确定原则 （1）邻近桥梁的桥基沉降沉降控制基准应在地铁初步设计提交前（最迟应在施工图提交前）确定； （2）邻近桥梁的桥基沉降控制基准应征得桥梁产权单位和桥梁养护部门的同意后方有效。 2）邻近桥梁施工控制基准的确定方法 （1）应在完成邻近桥梁评估之后制定桥基沉降控制基准。 （2）应按照“分区、分级、分阶段”的原则来制定桥基沉降的控制基准。 3）邻近桥梁施工的一般控制基准 根据工程实践，目前北京地铁新线施工对邻近桥梁施工的一般控制基准见表 4.3。 表 4.3 邻近桥梁施工一般控制基准 结构类型 顺桥向差异沉降（mm） 横桥向差异沉降 mm） 钢混凝土叠合变截面连续箱梁 5 5 预应力混凝土简支 T 梁 20 5 钢筋混凝土异形板 5 5 预应力混凝土连续箱梁 5 5 4.4 邻近管线施工控制指标与控制基准 4.4.1 邻近管线施工控制指标的确定 邻近施工中，一般以控制管线的接头（管线的差异沉降或管接头的倾斜值）满足正常运营的技术标准进行控制。 限于实际工程中难以对管线进行有效监测，因此邻近管线施工的控制指标还是以允许的地表沉降并结合管线部位的地 中地层沉降综合来确定。 4.4.2 邻近管线施工一般控制基准 对于承插式接头的铸铁水管、钢筋混凝土水管，两个接头之间的局部倾斜值不应大于 0.0025，采用焊接接头的水 管两个接头之间的局部倾斜值不应大于 0.006，采用焊接接头的煤气管两个接头之间的局部倾斜值不大于 0.002。另外， 据工程实践，对有管线的地表沉降控制为：一般周边环境的区间隧道地表沉降不应大于 30mm，大断面隧道地表沉降 不应大于 60mm；重要周边环境的区间隧道地表沉降不应大于 20mm，大断面隧道地表沉降不应大于 50mm。 5 邻近施工变形关键控制技术 5.1 邻近施工沉降（变位）的影响因素分析与评价 为全面揭示浅埋暗挖隧道引起沉降的影响因素，以及定量分析影响因素的重要程度，这里基于层次分析法（AHP） 及大量的工程实践经验，构建了浅埋暗挖隧道施工地层变位的最优控制评价层次结构模型（图 5.1）。由图 5.1，可计 算各层次因素对沉降的影响程度，并进行评价分析。 5.2 邻近施工既有土工环境结构变位分配控制原理 对浅埋暗挖法隧道施工，特别是大断面暗挖隧道施工，是一项庞杂的系统工程，涉及到多种工艺、多道工序，自 始至终都是一个动态的、不断变化的过程，每一个施工步序都会对既有结构体产生不同程度的影响。而最终的影响则 是每一个施工步序产生影响的累加。如果所有这些影响的累加仍然控制在既有土工环境结构的管理标准之内，则既有 土工环境的安全使用是可得以保证。这就是所谓变位分配原理。 基于以上分析，提出根据变位分配原理和方法对既有结构变位进行控制，即既有结构的变位分配控制方法，总体 框图如图 5.2。 5.3 邻近施工变形最优化控制技术 一般来说，对沉降影响比较敏感且比较重要的既有土工环境结构，施工前在评估的基础上，都需要采取加固或保 护措施。如对桥梁结构需要进行支撑防护、设置调节千斤顶、下部桩基础加固、挡墙防护或加固等；对既有线采取限 速、既有结构裂缝整治、道床与结构充填注浆加固、扣轨等措施；对河流湖泊采用导流、渡槽、河床整治等治理措施。 相对而言，对地表土工环境建（构）筑物的加固与防护，一般都有相应的规范、规程和成熟的加固与防护技术措施， 因此邻近施工变形最优化控制技术重点包含两大方面的内容：其一是明挖法、盾构法与浅埋暗挖法施工的变形控制； 其二是中间地层的变形控制。 5.3.1 施工变形最优化控制技术 5.3.1.1 明挖法施工变形最优化控制技术 明挖法施工的变形影响因素可概括为：（1）降水与否；（2 ）地质条件；（3）围护结构；（4 ）支护结构；（5） 开挖方式与顺序；（6）开挖与支护的同步关系；（7 ）施工影响范围内的静载与动载；（8）结构施作与支护结构的相 互协调关系；（9）地层的改良与其他等。这里重点介绍非降水条件下，SMW 工法在北京地铁深基坑的试验应用技术。 1）试验段概况 SMW 工法试验段位于北京地铁十号线 9#合同段北土城东路站芍药居站区间隧道明挖段，长度 50m，该段基坑 深 14m12.7m，宽 16m，采用水泥土搅拌桩内插 H 型钢+ 冠梁+钢围檩+钢管支撑形式。水泥搅拌桩直径 850mm， 搅拌桩中心间距 600mm，相邻两根桩搭接 250mm。H 型钢全长 2223m，基坑以下埋置深度 6.57.8m，采用国产 7003001324mm 焊接型钢，间隔插入搅拌桩内，中心间距 1200mm。桩顶设置 8501000mm 钢筋混凝土冠梁， 将钢桩连成一体。 试验段地质条件：表层堆积层为杂填土，层厚为 24m。中部为粉土、粉质粘土、粘质粉土为交互沉积，偶尔夹 有粉砂的透镜体，夹 12m 厚的细中砂薄层。下部为卵石层，卵石粒径一般为 2030mm，最大 100mm，亚圆形， 含量达 55，层厚 13m。其中，砂质粉土标贯 N63.5=1020 ，粉细砂标贯 N63.5=19，细中砂标贯 N63.5=38（平均）， 局部达到 5772 。地下水分布：场地 30m 深度范围内含有三层地下水：上层滞水，埋深 7.8m；潜水：埋深 11 12m；层间潜水：埋深 25.526.2m。 2）SMW 工法施工 采用跳槽式双孔全套复搅式方法连接施工，水泥搅拌桩的搭接是依靠重复套钻来保证，以达到止水的作用。套钻 桩重叠部分是水泥土重复搅拌的地方，在复搅桩位上插入 H 型钢。 SMW 工法在北京地区是首次应用，通过不同的水灰比现场试验。选用 2.0 水灰比进行施工，最高作业班次钻孔 11 幅，插入钢梁 11 根。较一般螺旋钻机施工工效高。 试验表明：在北京地区进行 SMW 工法施工，其水泥浆的水灰比应相对软土地层使用的水灰比 1.6 要大一些；在北 京地区穿越粘土层、粉质粘土和少量砂层的条件下，水灰比取 2.0 较为合适。 水泥土抗渗性能采用室内试验和现场效果观察来确定。根据现场取样室内试验，水灰比 2.02.2 时，渗透系数低 于 1.210-8 cm/s,满足设计要求。从现场来看，水泥土墙未出现渗水现象，基础干燥，施工效果良好。 3）监控量测 设计 SMW 工法基坑施工按一级基坑标准控制，桩体最大水平侧移28mm，地面沉降22.2mm。 经过施工监测，SMW 桩体变形与内支撑设置和开挖深度密切相关： (1)桩体变形与内支撑设置的关系：开挖初期，尚未设置支撑，表现出悬臂桩的特点,桩顶位移最大；随着第 1 道支 撑的设置，桩顶位移得到控制；第 2 道支撑对桩体变形存在抑制作用，基坑变形基本稳定，第 3 道支撑则完全控制了 变形。 (2)桩体变形随开挖深度增加而增大。变形最大的位置位于基坑 910m 处，基坑 910m 深度以上变形量大，基 坑 910m 以下变形量小，变形最大值为 27mm，小于规定值，满足基坑开挖要求。 基坑开挖引起的桩体位移最大值为 26mm，小于基坑开挖深度的 0.2%,桩体的变形数值模拟计算最大值为 27mm，两者结果相符，计算最大值位于 910m，实际位于 7m 处，实际与模拟计算存在差别。受槽北侧杂填土深度 较大的影响，北侧 H21 桩变形较大。 5.3.1.2 盾构法施工变形最优化控制技术 一般而言，盾构法施工引起的变形相对于明挖法和浅埋暗挖法要小。对盾构法施工其变形影响因素可概括为： （1 ）地质条件；（2 ）埋深；（3）结构断面与型式；（4）盾构机型式；（ 5）盾构机面板型式与刀具类型及布置； （6 ）盾构内压力与围岩及环境的匹配关系；（7 ）切削速度；（8）掘进速度；（9 ）工作面流塑性改造；（10）螺旋 输送机的动态平衡关系；（11）盾构机外周摩阻力；（ 12）同步注浆系统；（ 13）盾构机姿态调整；（14）管片； （15 ）进出洞土体加固；（16）密封橡胶条；（17）盾构机的可靠性（18）二次补浆；（19）其他等。 实质上，对盾构法施工，其影响变形最为显著的第一位因素为同步注浆系统，也即是如何快速、有效的充填管片 与盾构机切削土体之间所导致的空隙及其土体的流失；而对砂卵石地层，工作面加泥、加泡沫的流塑性改良也是控制 变形的关键措施。 基于盾构法施工本身造成的变形较小，对邻近施工重点在于中间地层的变形控制。因此这里不再赘述。 5.3.1.3 浅埋暗挖法隧道施工变形最优化控制技术 1）隧道结构型式 从受力和变形最优化控制分析，变形自小到大依次为：圆形椭圆型曲线型曲拱直墙型平顶直墙型。就地 铁工程，一般而言，浅埋暗挖法地铁区间隧道多采用马蹄曲线型隧道断面，特殊环境条件下采用平顶直墙型，从而体 现了隧道结构型式方面变形的最优化控制。 2）隧道施工方法 隧道施工方法引起的变形自大到小依次为：普通台阶法环形开挖留核心土正台阶法临时仰拱正台阶法CD 法 CRD 法眼镜法侧洞法中洞法PBA 法。其中地铁区间隧道多采用正台阶法，有特殊要求时，采用临时仰拱正 台阶法、CD 法和 CRD 法等。跨度小于 10m 的隧道多采用 CD 法、CRD 法和眼镜法。地铁车站施工多采用侧洞法、中 洞法和 PBA 法。对于侧洞法和中洞法，就理论分析，中洞法优于侧洞法，但就工程实践，侧洞法较中洞法更易控制沉 降。这表明，隧道施工变形控制并不是由单一因素主导，是多因素相互作用的最终体现。对邻近施工，根据不同的邻 近度，实施隧道大跨变小跨，始终是控制变形的最有效手段。 3）导洞(群)施工顺序与开挖参数 为实施变形最优控制，对单一导洞，为减小开挖空间效应，确保核心土的留设有挡土墙效果，台阶长度宜控制在 1D，自核心土上方至拱顶的最大高度不宜大于 1.7m，核心土长度不应小于 2m，且上台阶应打设锁脚注浆锚管。 对多导洞群施工，两相邻或相平行导洞施工错距最小宜控制在 15m，以控制在 30m 为宜；对两个结构相互独立的 相邻平行隧道施工，其间隔土体小于或等于 0.5D 时，应在控制 30m 错距的同时，超前施工的隧道还应对间隔土体进 行注浆加固或对拉措施，并据变形进行多次补注浆填充空、裂隙；上下导洞施工错距最小宜控制在 10m，以控制在 15m 为宜；对两个结构相互独立的重叠隧道施工，不利其间隔土体的尺寸，隧道施工宜先施工下方隧道而后施工上覆 隧道，且不宜先行施工二衬结构。最小施工错距宜控制在 30m，并对间隔土体实施加固。 对变形有特殊控制的邻近施工，进行多导洞或两个及以上相互独立结构的隧道施工时，应先行施工一侧导洞群或 单一的隧道，待其邻近施工完成后，再行另一侧导洞群或其他隧道的施工，有必要时，考虑先行施工二衬结构。 另一方面，从开挖参数分析，减少工作面无支护空间范围的开挖步距无疑是在跨度由大变小后的又一个控制变形 的最有效措施，也就是说在同样参数条件下，“短进尺”是控制隧道工作面变形的最关键措施。 4）二衬结构施工 从施作方式上，跳仓式施工的变形控制优于连续式施工；从临时支护拆除上，分段拆除的变形控制优于一次拆除。 在临时支护分段拆除施工上，又以间隔式拆除及时恢复生根施工为变形的最优控制。 5.3.2 中间地层变形最优化控制技术 5.3.2.1 浅埋暗挖法中间地层变形最优化控制技术 对浅埋暗挖法隧道，减弱变形影响的方法一般是采取对中间地层（松弛带）进行改良如注浆加固、冻结法等；改 变如隔断影响的方法可采取钻孔灌注桩、钢管桩、地下连续壁（搅拌桩、旋喷桩）或连续注浆墙等。 1）地层（松弛带）改良 在隧道内实施，按控制地层变形的作用效果，从小到大依次为：拱部超前小导管拱部超前小导管注浆上半断 面拱部超前小导管注浆双排（层）超前注浆小导管大管棚超前注浆小导管正面土体注浆双排（层）(层) 超前 注浆小导管正面土体注浆后退式超前深孔注浆（半断面或全断面）水平旋喷前进式超前深孔注浆（半断面或 全断面）袖阀管超前深孔注浆（半断面或全断面）。 2）隔断控制技术 当浅埋暗挖法隧道，在强烈影响区侧穿建（构）筑物施工时，往往采用隔断控制技术。根据环境条件的要求，控 制变形作用效果，自强而弱的控制措施有：钻孔灌注桩钢管桩搅拌桩或垂直旋喷桩连续注浆墙地表锚杆等。 在工程实践中，多采用钻孔灌注桩、钢管桩和注浆墙。邻近施工不允许降水条件下，与搅拌桩或旋喷桩相配合采 用。 值得说明的是，对明挖法和盾构法邻近特殊要求的土工环境结构体施工，也多采用隔断控制技术。 5.3.2.1.1 双排（层）超前注浆小导管控制技术 双排（层）超前注浆小导管控制技术（发明专利公开号：CN101196118A,实用新型专利号：ZL2007 2 0190112.3），是最近几年在邻近施工实践中发展的一种新方法。 根据地层和环境条件，双排（层）小导管的第一排打设角度为 710 0，第二排打设角度为 3060 0，环向间距为 0.30.4mm，然后向小导管注浆，待注浆土体达到强度后，再开挖土体。该方法可据邻近施工要求，灵活实施对地层 的超前加固和改良，在原有第一排小导管加固壳体的基础上形成第二层缓冲壳体，进一步减缓或避免地层破坏后的沉 降及建（构）筑物的损坏。 相比于其他方法，双排（层）超前注浆小导管具有如下特点：（1）地层的适应性强。可发挥打设小导管的高度灵 活性；（2）可操作性强。不需要操作工作空间，如大管棚、水平旋喷和超前深孔注浆等必须留置最小的作业空间； （3 ）浆液选择与应用的高度调节与灵活性。可针对工程地质与水文地质条件，在同一个断面上选择灵活选择对地层适 应性强的两种或两种以上的浆液，这是其他方法所不可比拟的；（4）可及时调整加固范围。这基于双排（层）小导管 的两个特性：角度和长度的可调节性。 自在动物园车站东北风道邻近施工成功应用后，目前已经在北京复杂环境条件下施工大量采用，带来了显著的经 济与社会效益。 5.3.2.1.2 TGRM 分段前进式超前深孔注浆技术 TGRM 分段前进式深孔注浆技术（发明专利公开号： CN101328811A），其实质是钻、注交替作业的一种注浆方式。 即在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。每次钻孔注浆分段长 度 23m 。止浆方式采用孔口管法兰盘止浆。 该工艺最初是为解决砂卵石地层其他深孔注浆工艺难以成孔问题而提出，经过应用中的不断改进和完善，这种注 浆施工方法解决了复杂环境条件下，城市暗挖隧道不同地层施工的多个注浆技术难题，已被广泛引用于北京地下工程 的注浆施工，与其注浆工艺配套开发的具有早强性、耐久性、微膨胀性等特点的 TGRM 注浆材料被并称为 TGRM 分段 前进式超前深孔注浆工艺。前进式分段注浆钻孔注浆施工模式图如图 5.3。 自在北京地铁 4 号线地铁隧道穿越西直门桥砂卵石地层施工成功开发以来，在北京乃至全国，已在地铁工程、交 通工程、铁道工程、城市市政管线（缆）隧道以及南水北调工程等大量推广应用，成功的解决了邻近施工的沉降控制 问题。 5.3.2.2 盾构隧道径向深孔注浆控制技术 尽管盾构法施工本身导致的地层变位相对较小，但对邻近施工而言，也难以满足某些对沉降控制要求苛刻的土工 环境结构体。基于双排（层）超前小导管技术与分段前进式注浆技术原理，开发了应用于盾构隧道二次注浆的径向深 孔注浆控制技术（图 5.4）。其目的有二，其一是有效控制后期土体固结沉降；其二是对围岩的补偿加固作用，提高 c、值。目前该技术已经在盾构隧道邻近施工中得到广泛应用，达到了控制沉降的目的。 其施工要点如下： （1）管片上预留注浆孔，孔内径 84mm，每环 23 个，方向基本向上，在盾构台车过后，通过钻孔，埋管，在洞 内实施注浆； （2）根据地层及邻近施工土工环境结构体状况，洞内注浆工艺可选择前进式或后退式，浆液可选择单液浆或双液 浆采用深孔双重管注浆法，注浆方式可选择劈裂或渗透注浆，目的是确保注浆效果； （3）成孔深度据要求可选择 48m，在距管片 1m 范围内应控制注浆压力不大于 0.2Mpa； （4）在盾构机头通过约 30m 后开始深孔注浆，注浆时每次注入量以地面的变化为依据，采取分次或跳跃注浆的 方式，每次注完对管路要进行清洗，防止堵塞，以备下次再用。 6 结论 （1）城市地铁邻近施工，其周边环境一般按重要性程度可分为重要周边环境和一般周边环境。广义的邻近施工分 类可分为两大基本类型，即新建工程邻近既有隧道施工和新建隧道邻近既有环境体施工。而对浅埋暗挖法隧道邻近施 工可概括为三大类：新建隧道邻近既有线施工、新建隧道邻近既有环境体施工和新建隧道邻近新建隧道。从邻近施工 的空间位置关系来分，邻近施工有并列、重叠和交叉三种位置关系。不管那一种位置关系，穿越方式都可概括分为上 穿、下穿与侧穿。 （2）基于层次分析法（ AHP），建立了城市地铁工程邻近施工风险源重要性等级评价与控制模型，依据该模型， 可分析并确定邻近施工风险源影响因素的相对重要性程度。邻近既有线施工环境风险的分级可分为特级、一级、二级 和三级风险；邻近既有环境体施工环境风险的分级可分为一级、二级和三级。根据邻近施工环境风险等级的划分，可 将邻近施工分为详细评估、一般评估和只调查，不评估三个评估等级。 （3）对浅埋暗挖法隧道，基于大量实测资料，据工作面上覆地层水平及垂直移动的变形特征，沿工作面推进方向， 可将其划分为三个区：超前变形影响区（A 区）、松弛变形区（B 区）和滞后变形稳定区（C 区）。特别的对松弛变形 B 区，又可将其沿地层剖面划分为五带：为弯曲下沉带、为压密带、为松弛带、为工作面影响带、为基底影 响带。由工作面上覆地层结构的稳定性分析，揭示了超前预加固能及时承担原失稳结构的荷载，强化松弛带已形成的 拱结构，从而确保工作面稳定并减少下沉。由建立的松弛带内椭球体模型，对浅埋土质隧道，一般地层条件下的失稳 为局部坍落，而复杂条件下的失稳为整体失稳，可能抽冒至地表。因此为控制地表下沉和工作面开挖的稳定，实施地 层预加固，对浅埋暗挖法施工非常关键。 （4）验证了上覆地层的拱效应是存在的；同时也说明了对浅埋暗挖隧道工作面，若无超前预加固技术措施，则一 般来说，工作面难以保证开挖的稳定性；另一方面，尽管超前预加固的作用效果明显，但对复杂地层条件，仅依靠常 规超前预加固技术措施难以保证开挖面的稳定；一般条件下，随预加固长度的增加，其对工作面的促稳效果明显。但 当土中管体剩余长度达到临界破裂长度时，此时预加固长度的相对大小对工作面的稳定性影响已不再是关键因素；对 一定的地层条件，工作面土体破裂滑动角 一般都接近于 450-/2，并且基本稳定。这说明工作面土体的破坏是渐次累 加破坏。 （5）对邻近既有线施工，建议采用既有地铁结构底板沉降量（