（道路与铁道工程专业论文）双线暗涵近距离下穿既有地铁车站的影响及变形控制研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：在城市轨道交通网络逐渐形成并完善的过程中，新建隧道近距离穿越既有城市 轨道交通地下线路工程越来越多。新建隧道的开挖会引起既有线隧道结构及轨道结构 发生变位，进而影响到既有线的正常运营。如何把这些影响降到最低限度，既实现新 结构物的施工顺利进行，又保证既有线路安全、正常运营的施工方法就成为一项重要 的研究课题。 本文以南水北调北京段西四环暗涵下穿北京地铁1 号线五棵松车站为研究对象， 对双线浅埋暗挖法小净距暗涵穿越地下车站的影响进行了研究。本文主要做了了以下 几方面的研究工作并取得了以下成果： 1 本文以该工程为基础，系统地梳理了下穿城市轨道交通既有线流程，按照“穿 越前、“穿越中、“穿越后”三个阶段，形成了下穿既有线的基本流程和技术要点。 2 根据穿越五棵松地铁站的监测数据，对既有车站结构、轨道结构、走行轨、 变形缝差异沉降等指标的分布和发展进行了详尽的分析，得到了既有结构和轨道沉降 的空间和时间分布曲线。 3 利用a n s y s 软件建立了三维有限元模型，对双线暗涵穿越既有线车站的施工 过程进行了模拟分析，并将计算结果与实际监测数据进行了对比，表明车站正下方土 体的开挖是引起车站结构沉降的主要原因。 4 。利用模型对开挖步距、暗涵开挖面错距、注浆横通道与车站的间距等影响车 站沉降的因素进行了分析，计算结果表明： 开挖步距对车站累计沉降以及拱顶沉降影响较大； 工作面错距对车站最终沉降影响不大，但对变形缝差异沉降的影响较大，对于双 线暗涵，采用对向开挖与单向开挖相结合的措施可有效控制变形缝差异沉降； 注浆横通道的开挖对车站沉降的影响较小，因此注浆横通道与车站的间距对车站 累计沉降影响不大； 对车站下方土体进行大范围注浆加固是控制既有结构沉降的有效措施。 5 将变位分配控制原理应用到穿越工程中，制定了既有结构变位分配控制原理 的操作流程，并以五棵松穿越工程为例，对其应用做了尝试。 关键词：双线暗涵；地下车站；穿越；数值模拟；变位；变形控制 分类号：u 2 3 9 5 abstr act a b s t r a c t a b s t r a c t ：d u r i n g t h ef o r m a t i o no ft h en e t w o r ko fn e t w o r kt r a n s i t , i ti si n e v i t a b l et h a t s o m en e wb u i l tt u n n e l sc r o s st h ee x i s t i n gu r b a nr a i lt r a n s i tl i n e s 耽ee x c a v a t i n go fn e w t u n n e l sw i l lc a u s ed i s p l a c e m e n to ft h es l n l c n 】r ea n dt r a c ko ft h ee x i s t i n gl i n e s ，a n dt h u s i n f l u e n c et h eo p e r a t i o ns a f e t yo ft h el i n e s h o wt on 1 妯i i i 】j z es u c hi n f l u e n c e s ，a n df i n das a f e ， r a t i o n a l ，a n de c o n o i i l i ce x c a v a t i n gm e t h o d ，e n s u r i n gb o t ht h eb u i l d i n go ft h en e wt u n n e l s a n dt h es a f eo p e r a t i o no f t h ee x i s t i n gl i n e s ，h a sb e c o m et ob ea ni m p o r t a n tt o p i c b a s e do nt h ee n g i n e e r i n gc a s eo fc o v e r e dc u l v e r tt u n n e lo fb e i j i n gs e c t i o no ft h e s o u t h - n o r t hw a t e rd i v e r s i o nu n d e rc r o s s i n gw uk es o n gs t a t i o no fs u b w a yl i n e1 ，t h i s p a p e rs t u d i e st h ei n f l u e n c eo fs m a l li n t e m a lm i n i n g - m e t h o d - b u i l td o u b l e - l i n et u n n e lu n d e r c r o s s i n gu n d e r g r o u n ds t a t i o n , a n db r i n g sf o r w a r ds o m ec o n c l u s i o na sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h i sc a s e ，t h i sp a p e rt h o r o u g h l ys t u d i e st h ep r o c e s so fn e wt u n n e lu n d e r c r o s s i n gt h ee x i s t i n gu r b a nr a i lt r a n s i t a c c o r d i n gt h et h r e ep h a s e s “b e f o r ec r o s s i n g 。 。d u r i n gc r o s s i n g 。a f t e rc r o s s i n g 。，t h eb a s i cp r o c e s so fu n d e rc r o s s i n ga n dt h ec r u c i a l t e c h n i q u e sa r eg a i n e d 2 u s i n gm o n i t o r i n gd a t ao ft h i sc a s e , t h i sp a p e rc a r e f u l l ys t u d i e st h ed i s t r i b u t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h ed i s p l a c e m e n to ft h ee x i s t i n gs t a t i o n , i n c l u d i n gt h es e t t l e m e n to ft h e s 仃u c t u r e ，t h es e t t l e m e n to ft h et r a c k , t h es e t t l e m e n to ft h er a i la n dt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t o fd e f o r m a t i o ns e a mo ft h es t a t i o n t h ed i s p l a c e m e n tc u r v eo ft h es t r u c t u r ea n dt r a c k a c c o r d i n g t ot i m ea n ds p a c ea r ea c q u i r e d 3 u s i n gt h es o f t w a r ea n s y s ，3 一di n f i n i t ee l e m e n tm o d e la r ee s t a b l i s h e d ，b yw h i c ht h e e x c a v a t i n gp r o c e s so ft h ec o v e r e dc u l v e r tt u n n e lc r o s s i n gt h es t a t i o ni ss i m u l a t e da n d a n a l y z e d 髓ef e a s i b l eo ft h em o d e li sc o n f i r m e db yt h ec o n t r a s t i n go fs i m u l a t i o nd a t aa n d t h em o n i t o r i n gd a t a a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nd a t a ，t h em a i nc a u s eo ft h es t r u c t u r e s e t t l e m e n ti st h ee x c a v a t i n go f t h es o i lj u s tu n d e rt h es t a t i o n 4 u s i n gt h ei n f i n i t em o d e l ，t h ef a c t o r st h a ta f f e c ts t a t i o ns e t t l e m e n t ，s u c ha se x c a v a t i o n p r o g r e s s ，t h ed i s t a n c eo ft h ew o r k i n gf a c eo fd o u b l e l i n e s ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt r a n s v e r s e a l l e y w a yf o rg r o u t i n ga n ds t a t i o ns t r i l c t u r e ，a r ea n a l y z e d t h er e s u l tr e f l e c t st h a t ： 1 ) e x c a v a t i o np r o g r e s si so fg r e a ti m p o r t a n c et ot h es t n l 船s e t t l e m e n ta n dv a u l t s e t t l e m e n t ； 2 ) a l t h o u g ht h ed i s t a n c eo f t h ew o r k i n gf a c eo fd o u b l e l i n et u n n e l sd o e sn o ti n f l u e n c et h e f i n a ls e t t l e m e n to ft h ee x i s t i n gs t 【1 c t u r e ，i ta f f e c t st h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to fd e f o r m a t i o n abstr act s e a mg r e a t l y d u et ot h a t , c o m b i n a t i o no fb i - d i r e c t i o n a ld i g g i n ga n dp e r - d i r e c t i o nc a l l d e c r e a s et h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t 3 ) n ee x c a v a t i n go ft r a n s v e r s ea l l e y w a yf o rg r o u t i n gc a u s eas m a l li n c r e a s e ds e t t l e m e n t o ft h es t a t i o n ，a n dt h u st h ed i s t a n c eb e t w e e nt r a n s v e r s ea l l e y w a yf o rg r o u t i n ga n ds t a t i o n s t r u c t u r ei sn o ti m p o r t a n t 4 ) t og r o u tt h es o i lu n d e rt h es t a t i o na tal a r g es c o p ei sa l le f f e c t i v ew a y t oc o n t r o lt h e s e t t l e m e n to f t h ee x i s t i n gs t r u c t u r e 5 d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i n gc o n t r o lp f i n d p l ei sa p p l i e dt ou n d e rc r o s s i n gp r o j e c t t h e i m p l e m e n t i n gp r o c e s so ft h i sp r i n c i p l ei se s t a b l i s h e d t a k i n gw hk es o n gc r o s s i n gp r o j e c t ， t h ea p p l i c a t i o no f t h i sm e t h o di sd e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ：d o u b l e l i n et u n n e l ；u n d e r g r o u n ds t a t i o nc r o s s i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n d e f o r m a t i o n ；d i s p l a c e m e n tc o n t r o l c i ，a s s n 0 ：i j 2 3 9 5 独创性声明 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，论文中不包含其他人已经发表或 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。 学位做作者签名：加呷 签字日期：年6 月沙日 8 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： 夙丫呵 导师签名 签字日期：w 旷降月钞日 签字日期： 刁每- b 7 每毛 致谢 本论文的工作是在我的导师陈峰教授的悉心指导下完成的，陈老师严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。从课题的选择到论文的最终 完成，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来，陈老师不仅在 学业上给我以精心指导，同时还在思想上、生活上给我以无微不至的关怀，在此 谨向陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 梁青槐老师、江辉老师对于我的科研工作和学习给予了热心指导和帮助，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘涛、李鹏等同学对我的论文和研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1 问题的提出 南水北调工程是优化我国水资源时空配置的重大举措，是解决我国北方水资 源严重短缺问题的特大型基础设施项目，对解决我国北方地区一系列因水资源短 缺而产生的生态环境问题，对我国尤其是北方地区宏观经济和社会的发展起着十 分关键的决定性作用。在国务院的领导下，经过各个方面专家的反复论证，南水 北调工程总体规划已经完成。“十五”计划明确提出：“加紧南水北调工程的前期 工作，尽早开工建设。”现在，该工程已开始建设。 南水北调中线工程将从丹江口水库引水，经黄淮海平原西部，穿过黄河，沿 京广铁路西侧北上，至京津地区。隶属中线工程的北京段，起点为与河北省相接 的北拒马河中支南岸，终点为颐和园团城湖，自南而北跨越房山、丰台、海淀3 个行政区，全长8 0 3k m 。该工程属于应急工程，工程地理位置见图1 - 1 。 图1 1 工程地理位置 与此同时，北京市城市轨道交通正处在一个快速发展的时期，已逐步形成高 密度的线网布局。南水北调工程中线北京段进入市区以后，势必多次穿越城市轨 北京交通大学硕士学位论文 道交通线路。 在穿越地段，南水北调输水暗涵的施工会引起土体沉降、既有结构的变形、 道床沉降、轨道几何形位变化，给既有线路的运营安全带来不利影响：此外，如 此大型的水利工程启用后，亦将成为轨道交通运营安全的一个潜在隐患。南水北 调水利工程的各种穿越施工方式分别会对轨道交通带来怎样的影响，应该采取哪 些措施对其进行控制，是轨道交通运营过程中将会遇到的新问题。 图1 - 2 北京城市轨道线网与南水北调中线工程北京段相对位置 正是在这样的大背景下，本论文选择了研究南水北调输水隧洞下穿既有地下 城市轨道交通线路的课题，主要包括下穿地下隧道和地下车站。 在穿越既有线的工程中，如何维护既有线的安全运营是工程施工的出发点， 也是问题的最终目标。而实现安全穿越的前提是认识既有线结构随新线开挖的沉 降、变形规律，应力、应变分布规律，以便采取相应的措施，如加固既有结构、 强化施工支护措施等。对该课题进行研究的意义在于：以南水北调工程北京段的 实践为基础，采用模拟计算分析和工程实践总结的方法，分析南水北调工程穿越 既有轨道交通线路对轨道交通的影响因素和影响机理，提出保证轨道交通既有线 运营安全的施工、控制措施，为大型水利工程穿越轨道交通线路提供一般意义上 的技术指导。 引言 1 2 问题的研究现状 南水北调工程施工对既有线的影响问题主要是施工控制问题，概括而言就是 如何把对既有线安全运营的影响减小到最低限度。目前国内外关于水利工程穿越 城市轨道交通线路的工程实例鲜有报道，研究成果也较少。但是，近些年其他构 筑物比如国铁穿越城市轨道、城市轨道交通线路相互穿越、城市轨道线路穿越国 铁等构筑物的工程实例并不鲜见，基于这些穿越工程的研究成果也较为丰富。尽 管以上几类穿越工程中构筑物存在结构形式、受力方式和变形模式的差异，但在 隧道穿越的施工中都面临着同样的问题，即对隧道开挖导致土体沉降的预测、沉 降对既有建筑物可能引起破坏的评价、既有建筑物的保护措施、既有构筑物沉降 的监测和隧道的施工方法选择等等。因此，类似的穿越工程经验可以为水利工程 穿越问题提供借鉴。 国内外关于城市轨道交通相关的穿越工程报道较多，相应的分析方法、沉降 预测、施工控制理论等方面的研究成果较多。考虑到研究问题的相似性，本论文 主要搜集了新建隧道采用浅埋暗挖法施工的工程案例，并结合此类工程实践，对 目前国内外的相关研究方法、施工控制措施进行了总结归纳 1 2 1穿越既有线工程实例 国内外对隧道穿越工程的研究已经开展了很多年，积累了很多工程经验，以 下是几个具有代表性的实例。 就国内而言，对本论文研究的问题最有借鉴意义的是北京地铁5 号线崇文门 站下穿既有2 号线过渡段工程【l 】。北京交通大学姚海波在其博士论文中基于此工程 做了很多有价值的研究工作。地铁五号线崇文门站位于北京市崇文门路口下，采 用“浅埋暗挖法 施工。车站与既有地铁二号线崇文门站东端喇叭口式过渡段区 间立交，并从其下方穿过。五号线崇文门车站结构为双柱三跨岛式暗挖车站，车 站两端为双层结构( 地下一层为站厅层，地下二层为站台层) ，中间为单层结构( 系 站台层) 。新建隧道毛洞与既有线结构净距仅1 9 8 m 。车站结构沉降控制值3 0 m m 。 下穿施工中，新建隧道采用浅埋暗挖法施工，加固措施采用o6 0 0 m m 大管棚预支 护，沿新建车站隧道拱项布置。全断面预注浆加固地层，坚持多打孔少注浆原则。 采用水平跟踪注浆工艺及时对地层进行补偿注浆，注浆管分段连接，固定在大管 棚钢管上，随大管棚的施工同步到位。穿越工程j l 顶, n 完工，最终结构沉降2 6 m m ， 满足控制值。通过对监测数据的分析，论文中给出了以下结论：既有结构为现 场浇注的混凝土框架结构条件下，既有结构的变形表现为刚性特点，即结构自身 北京交通大学硕士学位论文 变形很小，既有线的变形主要表现为结构间的差异沉降；由于轨道的约束，使 得道床与结构间变形不同步，同时，道床表现出一定的柔性特征；沉降槽开展 过程中，既有结构会因为各点在沉降槽中位置不同而产生差异沉降，进而使结构 发生横向扭转，但一般来讲因开挖引起的扭转是暂时的，工作面通过后结构会恢 复，但由补偿注浆引起的扭转则是永久性的变形。文章还利用弹性地基梁理论对 管棚作用机理进行了建模分析，认为管棚沉降与隧道埋深、土体刚度、初支强度、 开挖方法、掘进速度等因素有关，并对部分影响因素做了定量分析。 其次是北京地铁5 号线下穿2 号线雍和宫车站工程 2 】。北京地铁5 号线雍和宫 站和平里北街站区间左线从5 号线雍和宫站( 位于2 号线雍和宫站南侧) 出发，向 北下穿2 号线雍和宫站西端站务用房；右线则从2 号线雍和宫站预留的换乘节点 内通过。2 号线雍和宫站建于1 9 世纪7 0 年代，至今己运营近3 0 年。车站沿东西 方向布置，与5 号线垂直相交。5 号线下穿部位的车站分上下两层，上层为会议室、 控制室、休息室及备用房间；下层两侧是行车道，中间是高压开关柜室。车站主 体为单层三跨矩形框架结构，中楼板与主体结构脱开。车站宽2 2 9 m ，高1 1 0 m ， 顶板埋深4 5 m 。该下穿工程采用的施工方法与上述工程有所不同，上述工程新建 车站与既有结构之间预留了近2 m 的土，而本工程采用的是刚性接触，即新旧结构 之间没有预留土层，新结构的顶板直接与既有结构的底板接触。施工中采用了c r d 平顶直墙+ 背后及时注浆技术。下穿段采用外尺寸为6 0 m 6 8 m 的平顶直墙断面， 这样可以较好地与2 号线崇文门站的底板接触，减小既有结构的沉降，同时及时 注浆，控制沉降。通过信息化监测数据发现，该工程的沉降变形值较小，完全控 制在警报值之内，是一个成功的下穿工程实例。 国外有关地铁穿越工程的报道也较多。 伦敦地铁j u b i l e e 延长线下穿5 条地铁线路1 0 条隧道工程【3 】。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，初期支护采用钢筋网喷混凝土，厚度为1 5 0 r a m ， 在补偿注浆区段( 隧道穿越段) 厚度增加至2 0 0 m m ，隧道衬砌采用模筑钢筋混凝土， 厚度为3 0 0 m m 。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，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 。通过施工过程 中对既有隧道的动态监测和进一步的研究，他们得出了以下结论：与地表沉降 槽相比，既有线沉降槽深而窄。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；隧道下穿b a k e l o o 线和n o r t h e r n 线时引起的土体损失 在o 5 。1 1 之间，较相似条件下( 相近土层条件和相近洞径) 的土体损失值小，分 析认为是由于采用了新奥法，较以前的开敞式盾构能更有效地控制土体沉降； 4 引言 沉降历时曲线表明，当工作面位于既有线正下方时沉降己完成2 0 , - - 5 0 ；对相 邻隧道采用叠加方法估计沉降槽形态的研究表明，在b a k e l o o 线下，由于隧道上下 行线相距较近( 2 5 5 2 7 m ) ，而距既有线较远( 1 0 5 1 3 i n ) ，沉降槽超出了叠加预测值， 表明其相互影响较大；而在n o r t h e r n 线下，隧道上下行线相距较远( 3 2 5 3 4 m ) ，而 与既有线相距较近( 8 m ) ，沉降槽与叠加预测值非常接近；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 ；工 后两年的固结沉降观测表明，既有隧道的最大沉降量几乎增加一倍，但沉降速率 逐渐减小，沉降槽变宽、变浅。 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 工程的核心目标在于如何控制既有线的变位，将变位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线隧道的安全施工。显然，要达到这 样的目标，需要做好新建隧道的施工方法的选择、新建既有隧道间夹土加固和既 有构筑物力学评价三方面的工作。 1 2 2 主要研究方法 研究穿越问题的核心，在于分析新建隧道引起既有结构沉降、变形的规律， 特别是不同的施工方法，开挖步序，加固措施对沉降的影响。只有明确既有结构 沉降变形规律，才能采取有针对性的加固及控制措施，保证既有结构的使用功能。 针对穿越工程的研究方法，主要有理论分析法、模型试验法和数值模拟方法 等。这里主要介绍模型试验法和数值模拟方法。 ( 1 ) 模型试验法 模型试验如果按尺寸比例来分又可分为足尺模型和缩尺模型两种情况。足尺 模型试验或现场原位试验，采用1 ：1 比例，这种方法最能体现原型的实际情况，结 果也是真实可靠的。但是由于采用的模型与原型几何尺寸、材料等一样，对于比 较大的土工构筑物来讲，就显得十分不经济，耗费大量的人力、物力、财力，有 时得不偿失，这种方法仅应用于较少的工程实践中；缩尺模型特别是小比尺模型 目前是人们常常采用的一种方法。即将原型的几何尺寸按照一定比例( 通常 1 5 0 i z 0 0 ) 缩小后进行研究【4 1 。小比尺模型又可分为小比尺常规模型和小比尺离心 模型，小比尺常规模型由于不能补偿几何尺寸的缩小带来的自重损失，同时也不 能解决隧道施工中地下水渗流场与地层应力场相互作用问题，因此不能反映原型 的真实情况。离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受 5 北京交通大学硕士学位论文 重力加速度n 倍的离心加速度作用( n 为模型率) ，增加模型的容重，补偿因模型缩 尺带来的土工构筑物自重的损失。它比通常在静力( 重力加速度= 1 曲条件下的常规 模型更接近于实际。这一特点导致了离心模型与常规模型本质的区别。 ( 2 ) 数值模拟方法 在隧道穿越工程中，对围岩和既有隧道结构应力、位移的掌握是进行结构设 计和既有隧道结构评价的基础，其重要性不言而喻。但是，采用传统的解析方法 很难对以上应力转化过程进行精确的描述。不是由于围岩结构、边界条件过于复 杂导致无法求解，就是简化过多，使所得解析解不具备太大的推广价值。而数值 解法则可以很好地解决这一问题。尤其是近2 0 年来，随着计算机技术的不断提高， 数值分析技术得到了迅猛的发展 4 】。其中应用较广泛的是有限元方法。 进入9 0 年代，随着城市隧道建投规模的扩大，出现了隧道施工干扰既有隧道、 土体开挖扰动既有隧道等近接施工问题，对此，有限元方法发挥了预测和分析的 作用。 韩国学者利用2 d 有限元方法模拟了韩国某隧道以4 8 3 m 间距，3 7 5 。夹角下 穿既有高速铁路隧道的情况下新老隧道间的相互影响【5 1 。得出结论认为，既有线运 营的振动应是新线隧道结构设计的主要控制参数，因振动传递的应力明显依赖于 新老结构间距。同时，侧向土压力系数与大直径管棚的打设对振动应力传递影响 不大。 s h a h r o u r & m r o u e h ( 1 9 9 7 ) 采用三维弹塑性有限元方法研究了两平行隧道施工的 相互作用【6 】。文章分析了新建隧道对既有隧道围岩的竖向位移和水平位移的影响及 对既有隧道衬砌结构轴力和弯矩的影响。同时，研究了隧道间距影响。分析显示， 当隧道间距为1 d ( d 为隧道直径) 时，新线隧道施工引起的沉降为老线隧道施工沉 降量的4 0 倍，同时，既有隧道结构的轴力和弯矩有所上升。当隧道间距减至0 5 d 时，引起隧道轴线上方1 4 的沉降增量。 国内何) 1 1 ( 2 0 0 4 6 ) 对南京地铁1 号线区间盾构隧道下穿既有玄武湖公路隧道的 工况进行了系统的三维数值模拟【7 1 。分析了盾构机在隧道下方不同位置、采用不同 顶推力条件下，对玄武湖公路隧道结构的影响。得出如下结论：1 ) 盾构推进对既有 结构影响的最大位置在盾构机前方6 m 左右；2 ) 盾构机在隧道下推进过程中，引起 结构受力、变形最不利工况，是出现在盾构机“近接玄武湖隧道中隔壁中线位 置时的施工状态，此时，结构最不利位置位于右线底板中心。3 ) 对应盾构机顶推力 5 0 0 t f 时的结构底板最大隆起变形量为0 4 2 m m ，对应1 5 0 0 t f 的隧道底板隆起量为 1 2 4 9 m m ； 徐前卫也采用三维数值分析的方法对上海地铁2 号线近距离下穿地铁1 号线 的盾构施工工况进行了研究【8 】，得出了与何川相似的结论，即土体和既有结构会发 生“先隆后沉”的沉降特点，认为减小施工对既有1 号线的影响，2 号线施工过程 6 引言 中其上、下行线应分先后穿越既有l 号线。 由以上叙述可以看出，目前的有限元数值分析技术可以对隧道施工的各种工 法、各种岩土体进行模拟，同时，由于监控量测技术的发展和反分析技术的成熟， 使得有限元计算的精度得到很大的提高，对施工的预测也越来越准确。 1 2 3穿越施工采用的主要预加固方法 新建隧道对既有结构的影响，主要通过新建隧道与既有结构间的土体发生作 用，因此有效控制既有结构的变位，除了选择合适的施工方法，确定合理的掘进 速度，最重要的手段是对新旧隧道之间的土体进行加固，或改善围岩的力学性质， 或控制土体的沉降。总结既有工程经验，在穿越过程中的预加固方法主要有以下 几种【9 1 。 ( 1 ) 锚杆 一般而言，锚杆是岩石隧道施工预加固与初期支护中应用最为广泛的一种技 术手段，它具有操作简单、施工方便、作用效果快等特点。但在软土隧道，尤其 是城市地铁隧道，我国用金属锚杆作为地层预加固的工程实例不是很多。 ( 2 ) 冷冻法 地层冻结法的原理就是另有某种介质从土壤中带走热量，使施工土层中的孔 隙水由液相变成固相，就像混凝土中的水泥浆一样，冰与土壤颗粒结合在一起， 增强了冻结土体的强度和抗渗性。这种方法非常安全，但要求必须进行详细设计。 具体做法是向欲加固的土体中打入冻结管，然后在封闭式冻结管中央插入一底部 敞开的内管，有时又称之为供液管。在供液管中输入低温冷媒，一般为液氮或盐 水，带走周围土体中的热量。土体则结霜冻结，在管子周围形成一冻土圈。冻结 管可进行各种排列布孔，以实现各种形式的冻结土墙。这种预加固技术多用在盾 构隧道出发、到达端头、联络通道和区间隧道局部具流塑或流沙地层的止水与加 固。 上海地铁明珠2 号线上体场车站区间隧道穿越地铁1 号线上体馆站工程中， 采用了这种预加固方法。 ( 3 ) 水平旋喷注浆 水平旋喷注浆法是在一般导管注浆基础上发展起来的，以高压旋喷的方式压 注水泥浆，从而在隧道开挖轮廓线外形成拱型预衬砌以起到预加固的作用。就目 前，国内应用水平旋喷注浆技术己比较成熟，但施工控制尚有一定难度。特别是 旋喷注浆的压力不宜控制。若压力过小，注浆桩的效果不好；压力过大，易引起 地表隆起。与我国相比较，国外在特殊地层及复杂环境条件下，相对较多地采用 7 北京交通大学硕士学位论文 水平旋喷注浆进行地层预加固。 北京地铁1 0 号线芍药居车站与既有1 3 号线城铁车站换乘通道下穿地铁车站 工程，在新建通道两侧施做了平旋喷桩注浆进行预加固。南水北调北京段配套工 程输水暗涵下穿1 3 号线清河桥区间，则采用了与此类似的桩墙隔离加固。 ( 4 ) 小导管注浆 所谓的小导管即是由矽3 2 m m 6 0 m m 的钢管制成。它包括锥体管头、花管及 管体三部分。长度一般为3 m 6 m 。其布置型式是沿隧道纵轴方向，在拱部开挖轮 廓线外一定范围内，向前上方倾斜一定角度，管体的外露端通常支撑于开挖面后 方的格栅钢架上，而前方要求深入到稳定的土体中，构成预支护加固系统。对注 浆的小导管，如若间距合适，注浆饱满搭接，则能在隧道轮廓线以外形成一定厚 度的结构。这样小导管既能加固一定范围的围岩，又能支托围岩，其支护刚度和 预加固效果均大于超前锚杆。 在下穿过程中，小导管注浆往往作为辅助工法对即将开挖的土体进行小范围 的加固。 ( 5 ) 管棚 当地铁隧道开挖通过自稳能力很差的地层、或车站以及双线隧道大断面施工、 或地表通过车辆荷载过大，威胁施工安全、或邻近有重要建筑物时，为防止由于 地铁施工造成的超量不均匀下沉，往往采用管棚法。管棚实质上是结构及布置型 式稍有不同的小导管。区别是管棚所用的钢管直径较大为矽1 0 0 m m 矽6 0 0 m m ，长 度亦较长，一般都在2 0 m 4 0 m 左右，也有l o o m 的实例。且其外插角不能过大( 一 般矽5 0 ) 。与小导管相比，其刚度更大，对地层的预加固效果也更理想。这一点 己被国内外众多的工程实践所证实。但存在的问题是施工时对地层的扰动过大。 北京地铁5 号线崇文门站下穿地铁2 号线工程，南水北调西四环暗涵下穿五 棵松地铁站工程，都采用了管棚加固，取得了理想的效果。 ( 6 ) 复合超前支护 在实际施工中，为了更有效地发挥各种加固措施的优点，有效控制既有结构 的变位，往往采用多种支护措施相结合的操作方法，即复合超前支护。常用的复 合超前支护有小导管+ 管棚、小导管+ 锚杆等。五棵松地铁站穿越工程即采用了小 导管注浆+ 管棚支护的控制措施。 1 3 论文研究目标 本论文研究预期达到以下目标： 1 总结既有结构变形规律 引言 根据调研得到的数据，总结在特定施工方法的条件下，南水北调输水隧洞下 穿轨道交通线路时引起土体扰动的范围、土层变形的一般规律和演化发展特性， 以及既有结构沉降、扭转等变形特征，评价其对运营造成的影响。 2 总结下穿既有线的工作流程和关键技术 基于暗涵穿越五棵松车站的工程实际，总结下穿既有线工程的实施方法和流 程，确定下穿工程的关键技术，为后续工程提供借鉴和参考。 3 确定合理的施工方法和加固措施 根据既有结构安全及地铁运营安全的要求，利用三维有限元模型，研究施工 开挖进尺、工作面错距等施工参数的影响，通过模拟和实测数据相对比，分析施 工参数和加固措施的效果，并做出评价。 4 提出下穿施工中既有结构变位控制措施 通过监测数据分析和模拟计算结果分析，总结已有工程经验，提出穿越车站 过程中车站变位控制方法和措施。 1 4 论文研究的主要内容与方法 本文在广泛研究中外文献基础上，借鉴以往的工程经验，并加以提炼、总结， 对隧道下穿既有构筑物( 建筑物) 这类工程问题所涉及的核心内容、采取的主要技术 措施和管理方法有一个系统化的认识，然后将这些研究成果有选择地应用在南水 北调穿越城市轨道工程上。结合南水北调北京段工程穿越既有地下城市轨道交通 线路的工程实际，对输水隧洞的施工给地下区间和车站造成的影响以及相应的加 固措施进行研究，为类似的水利工程穿越轨道交通提供理论支持。归纳起来，研 究的内容和相应方法有： 1 文献查阅 通过广泛查阅国内外相关文献资料，对类似工程实践，从研究方法、加固措 施等方面分别进行系统的总结，对工程所涉及的关键技术进行深入的研究，形成 问题研究的整体脉络。 2 数据调研 调研实际工程中的各项监测数据，对数据进行了全面的分析。针对浅埋暗挖 法施工的隧道，把施工的各项工序、工艺、开挖面的加固状态引起既有结构变形 特点及其原因分别进行了分析总结。 3 建模分析 建立有限元模型，动态模拟输水隧洞穿越轨道交通线路的过程。分析在不同 施工方法和加固措施下，开挖过程中围岩塑性区开展和土体沉降规律，既有结构 9 北京交通大学硕士学位论文 的变形、受力规律，轨道和几何形位变化规律，并将模拟数据与实际监测进行对 比。 4 提出监测重点和施工控制措施 根据实测数据的分析及模型计算的结果，提出南水北调工程穿越轨道交通既 有线区域监测的要点，包括主要的监测项目，控制性监测点的位置等。 通过研究分析，得到北京地区由于地下工程施工导致的土体扰动区域范围、 土层变形的一般规律和演化发展特性。研究对施工影响范围进行加固的主动控制 方法及其效果，通过模拟和实测曲线相对比，分析各类工程加固与控制措施的工 程效果，并做出评价。 1 0 城市轨道交通既有线下穿工程的关键问题和基本步骤 2 城市轨道交通既有线下穿工程的关键问题和基本步骤 与一般地段的地铁隧道施工问题相比，穿越既有地铁线路的工程施工问题更 为复杂。对于处于新建隧道沉降影响区域内的既有结构，新建隧道土体开挖引起 周围土体的变位，土体带动处于其中的既有结构随之变形。这种变形不仅体现在 整体位移，更关键的是因既有结构受土体开挖影响的强度不同，将会产生不均匀 沉降。同时既有结构的变形还是一个动态过程，随着穿越施工的实施进程而变化。 这些变形必然影响既有线的正常运营。这种影响可能通过两种途径发生。一种可 能的情况是既有结构变形带动轨道的几何形位发生变化，使得轨道的前后、高低、 轨距等平顺性指标受到影响，当这些指标超过限值时，即影响到既有线的正常运 营，或者既有结构内部空间变形影响到列车运行的界限。另一种情况是由于不均 匀沉降过大，使得既有结构不同部位应力分布差别巨大，局部发生剪切、拉伸等 形式的破坏。实际工程证明，一般情况下既有线对变形更为敏感，即在既有结构 发生强度破坏之前，轨道几何形位或者行车界限已发生过大变形而影响到既有线 的正常运营。新建隧道不仅对既有线结构有影响，同时既有结构对新建隧道也有 不可忽视的影响。既有结构本身与新建隧道周围的土体具有完全不同的力学参数。 既有结构嵌于围岩之中，势必对新建隧道施工引起的土体变形、地表沉降产生影 响，使其分布、变化规律与没有既有结构的情况呈现较大差异。且既有线列车运 行产生的振动会通过土体传递作用于新建隧道，从而对新建隧道的施工安全产生 影响。这种影响在近距离穿越工程中更为明显【1 0 】。 穿越地铁既有线工程的这些特点，再加上影响地铁穿越工程的因素众多，包 括既有线隧道或区间结构的安全状况、既有线行车速度、穿越地段工程地址及水 文条件、新建隧道采用的施工方法、掘进速度、新建隧道采用的预加固措施等辅 助工法等因素，要求我们必须把穿越既有线工程作为一个系统性工程进行研究， 对穿越工程的特点进行分析总结，确定穿越工程的技术要点，为工程实施提供一 般性指导。 本章在总结南水北调暗涵穿越城市轨道交通线路的相关工程实例的基础上， 搜集其他类似的城市轨道交通穿越工程案例，详细地总结了穿越工程特别是浅埋 暗挖法新建隧道穿越工程的关键性技术问题，梳理了整个穿越工程的流程及相应 的工作内容，包括穿越工程准备、穿越工程实施和后续相关技术体系。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 既有线下穿工程的关键性问题 新建隧道与城市轨道交通既有结构之间是相互影响的，既有结构的存在影响 到新建隧道的施工和安全；而新建隧道又必然对既有结构产生影响。在新线工程 建设中不仅要保证工程自身的安全，同时还要保证不引起既有结构过大的沉降变 形，甚至发生扭转、拉伸等形式的强度破坏。因为既有线上有列车运行，其对变 形更为敏感，所以前者对后者的影响更为重要。如何通过各种技术将这种影响降 至最低，是穿越既有线施工的主要技术难题。围绕这个核心问题，总结既有工程 案例，确定了影响穿越工程成败的关键性问题主要有以下几个方面【l 。 1 工程地质和水文地质条件。 工程地质、水文条件是穿越施工的基本工程环境，是决定新建隧道对既有结 构影响程度的重要因素，是选择施工方法的首要依据。以下穿工程为例，由于其 在既有结构下方施工，工程地质和水文地质条件的好坏直接影响上部既有结构的 变形和安全情况。周围土体的具体特征是决定下穿施工时采取什么样加固措施的 决定性因素，比如围岩的含砂量决定其注浆效果、卵砾石直径的大小决定锚杆或 管棚的长度，等等。因此，工程地质和水文地质评价是决定选用施工方法的关键， 甚至决定了工程成败。 实际上由地质情况认识不清造成穿越施工风险的案例并不鲜见。北京地铁5 号线崇文门站下穿地铁环线工程【1 2 】，采用了管棚预加固方法。由于对土体了解不 够，未见到预加固部分土体存在大量尺寸较大的建筑垃圾，导致长管打入过程中 管端遇到大量建筑垃圾，长管带动建筑垃圾造成周围土体发生了很大扰动，最终 造成长管打设过程中既有结构发生了1 0 m m 左右的沉降，最终沉降达3 1 4 5 m m ， 给既有线安全造成了一定风险。 2 既有结构的现状评价 穿越工程的首要任务是保证既有结构的正常使用，因此穿越工程实施之前必 须对既有结构进行必要的安全状态评价，掌握既有结构的各种情况，为穿越工程 的实施提供决策依据。 结构的破坏是由于所受外力超过其极限承载力，在结构的设计过程中，设计 人员对结构所受各种荷载一般都作了较保守的计算，在设计年限内，结构承载力 一般能满足要求。但由于新建结构要下穿施工，引起了新的变形，从而产生附加 内力。对于已经使用若干年的地下结构，由于长期受地下水的侵蚀，结构会受到 不同程度的破坏，很多结构已经开裂、渗水。因此，要充分作好既有结构的现状 检测，在全面掌握既有结构动态反应的基础上，才能给出比较合理的变形警报值 和容许值，才能选择合理的施工方案，达到控制变形的目的。 1 2 城市轨道交通既有线下穿工程的关键问题和基本步骤 对于结构结构现状评价的实施方法，主要内容，后文