（道路与铁道工程专业论文）上穿工程对既有地铁隧道结构变形影响及控制研究.pdf

中文摘要 摘要；随着城市地铁及其它市政地下工程的大量建设，新建隧道上穿既有地铁隧 道的情况逐渐增多。新建隧道的施工必然会对周围地层产生扰动，从而可能引起 近邻既有地铁隧道结构产生附加内力和变形。为了保证既有地铁隧道的正常、安 全运营，有必要研究上穿工程对既有地铁隧道的作用机理和特点，并制定相应的 技术要求和控制措施。 本文利用理论分析的方法对上穿既有地铁隧道的作用机理进行了研究，明确 了既有地铁隧道的变形机理和夹层土体对穿越工程的重要性；通过建立有限元模 型，用数值模拟的方法对上穿工程的6 种工况作了计算分析，得到了上穿既有地 铁隧道的结构变形特点和规律，并归纳出开挖进尺等因素对既有地铁隧道结构变 形的影响；在弄清上穿工程的作用机理和既有隧道变形特征的基础上，对上穿既 有地铁隧道结构变形控制进行了分析和探讨，确立了制定控制标准的思路和方法， 并制定了相应的控制措施；通过北京公主坟上穿既有地铁隧道工程案例，对本文 的研究结果进行了验证和运用。 通过研究，得到主要结论如下： 1 ) 对于上穿工程，夹层土体理论上存在合理的厚度h ，使得上穿工程对既有 地铁隧道结构的动、静荷载综合影响达到最优。 2 ) 开挖进尺对下方既有隧道变形有重要影响，当既有隧道结构变形要求比较 高时，应慎重选择在软弱地层中采用超短台阶、小开挖进尺进行穿越工程施工； 3 ) 相对而言，设置了变形缝的既有隧道在纵向上的沉降变形更多呈现出刚性 特征； 4 ) 上穿工程中，通过对新建隧道施作底板能有效抑制既有隧道的隆起变形； 5 ) 由于进入土体沉降槽的先后顺序不同，施工过程中既有地铁隧道会有一定 程度的横向变形，横断面最终向着穿越工程前进的方向倾斜转动； 6 ) 变形分布范围不同时，对既有隧道结构变形的控制要求不同。 十 关键词：上穿工程；地铁隧道；变形控制；开挖进尺：变形缝：分级管理 分类号：中图分类号：u 2 5 ：国际十进制分类号：6 2 5 1 5 北立交通太堂亟堂焦逾塞垦s ! r ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：a l o n g w i t ht h ea b u n d a n tc o n s t r u c t i o no f c i t ym e t r oa n do t h e rm u n i c i p a l u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g , e n g i n e e r i n gi s s u et h a tai l c wt u n n e lc o n s t r u c t e dc r o s s i n gt h e e x i s t e dm e t r oi n c r e a s e sg r a d u a l l y n e wt u n n e l c o n s t r u c t i o ni n e v i t a b l yd i s t u r b e dt h e s u r r o u n d i n gs t r a t a ；t h e r e b yi tm a ym a k ea d d i t i o n a li n t e r n a lf o r c ea n dd e f o r m a t i o no nt h e a d j a e e n tm e t r ot u n n e l i no r d e rt oe n s u r et h em e t r ot u n n e lo p e r a t e dn o r m a l l ya n ds a f e l y , i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h em e c h a n i s ma n de h a r a c t e r i s t i e so ft h ef u n e t i o nt h a tt h eu p c r o s s i n ge n g i n e e r i n ga c t s o nt h em e t r ot u n n e l ，a n de s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l r e q u e s ta n dm e a s u r e s b yt h e o r i e sa n a l y s i s ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ef u n c t i o nm e c h a n i s mo fu pc r o s s i n gt h e e x i s t e dm e t r ot u n n e l ，e x p a t i a t e dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h ee x i s t e dm e t r ot u n n e la n d i m p o r t a n c eo f t h ei n t e r l a y e rs o i l ；t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to f af i n i t ee l e m e n tm o d e l ，i t c a l c u l a t e da n da n a l y z e d6k i n d so f w o r kc o n d i t i o ni nu pc r o s s i n ge n g i n e e r i n g , t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e g u l a t i o nw e f ee x p a t i a t e da n dt h ee f f e c to ff a c t o r ss u c ha s e x c a v a t i o nf o o t a g ew a sc o n c l u d e d ；b a s e do na w a r eo ff u n c t i o nm e c h a n i s mo fu p c r o s s i n ge n g i n e e r i n ga n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x i s t e dm e t r ot u n n e l ，t h e p a p e rm a d ea n a l y s i sa n ds t u d i e do nt h ec o n t r o lc r i t e r i o no fd e f o r m a t i o no ft h em e t r o t u n n e ls t r u c t u r e 1 1 1 em e t h o da n dp r o c e s so ft h ec r i t e r i o ne s t a b l i s h m e n tw e r ep u t f o r w a r d ，a n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e sw e r ei n s t i t u t e d w i t ht h eu pc r o s s i n g e n g i n e e r i n gc a s e o fg o n g z h u f e ni nb e i j i n g , c a l c u l a t i o nr e s u l tw 勰c a r r i e do n v e r i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rw e r el i s t 勰f o l l o w s ： nh lu pc r o s s i n ge n g i n e e r i n g , i n t e r l a y e rs o i ls h o u l dh a v ear e a s o n a b l et h i c k n e s s ” h ”t om a k et h ee x i s t e dm e t x ot u n n e lw e a l as u p e r i o rl o a dc o m p o s e do fc l y m m i el o a d a n ds t e a d y1 0 a d 2 1e x c a v a t i o nf o o t a g eb a si m p o r t a n c ei n f l u e n c eo nd e f o r m a t i o no ft h ed o w n e x i s t e dn l e i g ot u n n e l w h e nt h et u n n e ls l l u e t u r et r a n s f o r mh a sas t r i c tr e q u e s t , i ts h o u l d b ec a r e f u lt od i gc a r r i e dw i t l lu l t r as h o r ts h o u l d e ra n ds m a l le x c a v a t i o nf o o t a g ei nf l a b b y g e o l o g i cs l r a t a 3 ) c o m p a r e dw i t h1 1 0m o v e m e n tj o i n t s ，l i n e a rs e t t l e m e n to ft h ee x i s t e dm e t r o t u n n e lw i t l lm o v e m e n t j o i n t sh a sm o l er i g i dc h a r a c t e r i s t i c s 钔f o ru pc r o s s i n ge n g i n e e r i n g , s o l e p l a t es e t u pm a yr e d u c eu p h e a v a lo ft h e j e 峦交道太堂亟堂僮垃塞旦至r 至 e x i s t e dt u n n e l 5 ) ) s i n c et h eo r d e rg e t t i n gi n t os o i lb o d ys e t t l e ri sd i s s i m i l a r , t h ee x i s t e dm e t r o t u n n e lw i l lh a v eat r a n s v e r s ed e f o r m a t i o n 1 1 1 et r a n s e c tc r o s s e sf o r w a r dt h ea d v a n c e d d i r e c t i o no f c o n s t r u c t i o n 6 1c o n t r o lc r i t e r i o no ft h ee x i s t e dt u n n e ls t r u c t u r ed e f o r m a t i o nw i l la l t e rw i t h d i f f e r e n td e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n k e y w o r d s ：u pc r o s s i n ge n g i n e e r i n g ；m e t r ot u n n e l ；d e f o r m a t i o nc o n t r o l ； e x c a v a t i o nf o o t a g e ；m o v e m e n tj o i n t ；a d m i n i s t r a t i o nb yd i f f e r e n tl e v e l s c l a s s n o ：c l c ：u 2 5 ； u d c ：6 2 5 i 5 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 签字日期：年月e t签字日期：年月 日 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。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 致谢 本文是在我尊敬的导师梁青槐教授精心指导下完成的，从论文的选题、思路 的形成、资料收集、科研直到最后成文，每一个环节都凝结着导师的心血和智慧。 三年来，作者在导师的教诲和指导下，我不但学到了丰富的专业知识，而且导师 渊博的学识、严谨求实的态度、宽厚谦和的长者风范都给了我很大的影响，促使 我在生活、学习和工作中不断前进，尤其教授常常教诲我的“真诚待人”和“态度决 定成败”，这些必将使学生终身受益。感谢三年来，梁老师给予我的宽松自由学术 氛围以及大量的课题，使学生得以广泛而深入的理论联系实际；感谢梁老师和师 母在生活上给了我亲人般的关心和帮助。值此论文完成之际，谨再次向导师致以 最崇高的敬意和最衷心地感谢! 在论文研究、撰写及最终成稿过程中，作者得到了城市轨道交通研究中心倪 永军副教授、张海燕副教授等老师的指导和帮助，在此向他们表示感谢! 衷心感谢杨立明博士、孔令洋博士对论文的指导和帮助；感谢城市轨道交通 研究中心7 4 5 室的师弟师妹们在资料整理、学术见解启迪等多方面的帮助；同时 感谢土建硕士0 5 0 3 班的同学和朋友们，祝愿他们前程似锦! 在此我也深深感谢我的父母、姐姐以及所有亲人在我漫长的求学生涯中所给 予的谆谆教诲和殷殷期望，感谢他们给予我的默默支持和无私的爱! 感谢各位专家和教授在百忙之中评审本文，从您们那里一定可以得到更多的 指导和帮助! 卢芜主 2 0 0 7 丰1 2 胄于交史缸幂国 1 1问题的提出 1 绪论 随着我国经济建设的高速发展和城市化水平的快速提高，人口向城市集中， 绿化减少、城市功能恶化，许多大城市存在诸如人口膨胀、交通拥堵等一系列问 题，其中交通阻塞己经成为我国许多城市的突出问题。为了保持城市的功能、减 少地面交通流量，人们开始发展高效率的城市轨道交通。城市轨道交通具有安全 可靠、准时方便、占地较少、不破坏地面景观等特点【1 】，并能快速输送大量人流， 极大地缓解城市交通拥挤问题。城市轨道交通中的地铁更是因为利用了地下空间， 占地面面积小，对环境污染少而获得了迅速发展。在国外，伦敦、纽约、东京、 巴黎、莫斯科等城市都已经形成了四通八达的地铁线网。我国于1 9 6 5 年开始在北 京修建地铁以来，至2 0 0 7 年底，北京、上海、天津、广州、长春、大连、武汉、 深i j l i 、重庆、南京1 0 个城市共2 1 条轨道交通项线路投入运营，总里程5 8 1 k m ， 年客运量达1 6 5 亿人次【2 】另外沈阳、青岛、西安、成都、杭州等城市正在积极 兴建或者计划修建地铁。 伴随大量地铁隧道以及其它市政隧道的建设，频繁出现了新建地下工程穿越 地铁线的现象，如北京目前在建的4 、5 、1 0 号线【3 1 和机场专线工程就存在近十处穿 越既有地铁线的情况。我们把这类新建隧道结构物邻近既有地铁隧道结构物施工， 并可能对既有地铁隧道结构物产生不利影响的工程称为近接工程【4 】，有关近接工程 的施工称为近接施工。与隧道及地下工程有关的近接工程称为近接隧道及地下工 程，近接隧道及地下工程的施工称为隧道及地下工程近接施工。 新建隧道的施工会不可避免的对周围地层产生扰动，使地层和地表产生变形， 必然引起近邻既有地铁隧道结构产生附加内力和变形，从而影响既有地铁隧道的 正常、安全运营。另外由于限于建设资金及规划设计的影响，穿越的间距也越来 越近，使得穿越工程难度大、风险高，尤其对于浅埋暗挖的更是如此。既有地铁 线作为城市交通的命脉，对附加变形要求高，一旦施工不当，就有可能会造成极 其严重的后果。要实现施工过程中既有地铁线的安全，前提是认识穿越工程施工 时对周围环境的影响程度，掌握既有地铁隧道随新建隧道开挖的沉降、变形规律， 应力、应变分布规律，以便采取相应控制既有地铁隧道结构影响的技术措施，保 证既有地铁线所受影响不超过其承受能力。 如前所述，从城市轨道交通发展的长远规划来看，这类问题不但以前已有所 发生，并且在以后会越来越多。但一方面，由于土体物理参数性质的不确定性以 及周围环境的复杂性，目前对这个课题以往的研究类型相对单一，无论是从系统 性还是深度来说，都还很不深入，有关文献资料也比较缺乏，对浅埋暗挖隧道近 接施工的研究资料更是少之又少。另一方面，已建成并正在运营中的地铁隧道对 变形的要求极其严格，这与目前工程界对如何有效预测和控制隧道变形的现状形 成了一对矛盾。对于现在出现的新型问题还无法解决，设计和施工还无规范、标 准可循。因此，目前遇到这类工程的处理结果是要么采取过于保守的对策，造成 很大的浪费，要么采取过于冒险或盲目的对策，造成安全问题。 因此，广泛、深入、系统地研究地下工程近接施工时既有地铁隧道的变形机 理及特点，并在已有工程经验和研究成果基础上，探讨制定既有隧道变形控制标 准和措施，已成为当务之急。本文将针对新建隧道上穿既有地铁线的情况，对施 工引起既有地铁隧道结构变形机理、特点和控制进行了研究，以期为今后类似穿 越工程的设计和施工提供技术指导。 1 2 国内外研究现状 1 2 1新建隧道施工引起的土层变形 目前预测隧道施工引起士体变形的方法很多，主要有经验法、模型试验法、 理论预测法等。 1 ) 经验法 p e e k 教授【5 1 在1 9 6 9 年提出的高斯( g a u s s i a n ) 分布曲线( 图) 是经验方法的基 础。通过大量地表沉降实测数据分析后，p e c k 认为地表沉降槽近似正态分布曲线 并给出沉降槽的宽度，根据不同的地层条件、隧道直径及埋深等参数间的无量纲 关系式，p e c k 假定，隧道( 半径为r ) 推进引起地面沉降是在不排水情况下发生的 沉降，地面沉降槽的体积等于隧道施工中产生的地层损失的体积，假设横断面上 地面沉降曲线形状为图1 6 中所示的正态分布曲线，p e e k 公式为 & ：善j 三2 i 2 ( 1 1 ) 趾= 志嘻， 2 ( 1 2 ) 日 l = 一 2 瓜t a n ( 4 5 叱争 ( 1 3 ) 为横断面上与隧道轴线距离为x 地面点的沉降量；巧为隧道开挖引起的地层 损失量；s 一为地面沉降量最大值，位于隧道中心线处；i 为沉降槽宽度系数，取 为地表沉降曲线反弯点与原点的距离；h 为覆土厚度；矿为地层内摩擦角。 加拿大的r o w e 和h a c k l 6 】提出了间隙值来模拟地层损失，间隙值与地层损失的 关系为 k = 争( 或+ g ) 2 一d 2 。】 一( 1 4 ) 式中，为隧道外径，m 。 根据单孔隧道地表沉降结果，按照叠加原理，得出了开挖双孔隧道引起的地 表沉降的计算。双线隧道的地面沉降曲线，类似两个单线隧道引起的地面沉降曲 线相叠加后的曲线。大多数情况下，第二条隧道所引起的地面沉降较第一条隧道 大，因为第一条隧道上方土体已经扰动过。当两条隧道间距较近，引起的地面沉 降大体与等效半径的单条隧道引起的地面沉降相同。 国内众多学者在这方面也做了大量工作。刘建航等 似p c c k 法为基础，根据上 海延安东路隧道施工实测资料，提出“负地层损失”概念，在此基础上得出预测纵向 沉降槽曲线的计算公式： = 老哗一烨，氇晔卜哔， s ， 式中，s ( y ) 为沿隧道纵轴线分布沉降量；y 为沉降点距坐标原点距离；7 c - ，z ： 分别为盾构开挖面和盾尾后部间隙的地层损失；乃，y i 分别为盾构推进起始点和 盾构开挖面到坐标原点距离；y ，= ，l ，_ ) ，k 一l ( l 为盾构机的长度) 。同济大 学嘲f 1 2 0 世纪7 0 年代起，便开始开展隧道施工地表沉降的实测和理论研究工作，先 后对上海地铁试验段等隧道进行现场监控和实测，在现场实测的基础上，对p e c k 公式进行了修正，认为隧道顶部和周围土体受挤压而产生超空隙水压力的消散， 必然相应地使土层中有效应力增加，从而引起固结沉降，提出了考虑土体受扰动 后固结沉降的新代表沉降计算公式： 脚) = 老? 参v 二i ( 1 6 ) h 为隧道埋深，k 为隧道顶部土体加权平均渗透系数，m d 。 2 ) 模型试验法 主要指通过离心模型试验进行参数研究，进而预测现场的沉降曲线。k i m u r 和m a i r 等【9 】通过离心机模型试验对伦敦几种地层中隧道施工所产生的地表沉降预 计参数进行了探讨，按照体积不变的假定，得出了地表水平位移的计算公式。 a t l d n s o n 和p o t t s 、c o r d i n g 掣1o 】通过常规小比尺隧洞的物理模型试验表明，当t 。o = 1 0 时，即使隧道内支护压力小得多，而地表沉陷却比“o = 0 5 时小得多，这种差别是 因为土体发挥拱效应有助于减少因隧道支护压力降低产生的沉降。g u t t l e r 和 s t o f f e r s j l l 】用离心模型试验对圆形隧洞变形和破坏的形态进行了研究，试验发现： 随着离心机加速度增加，衬砌呈椭圆状变形，垂直向直径缩小而水平向至直径增 大，加速度增加到一定程度时，隧道之上部分土体塌落，且失效机制为以陡的剪 切面向上部覆盖层内扩展，引起地基表面的大幅沉降。i m a m u r a 等采用一种微型盾 构机进行隧洞开挖和衬砌脱出盾尾过程的离心模型试验，研究在不同的隧洞埋深 条件下和有盾尾间隙情况下衬砌拱顶土压力及地面的沉降情况，得到地表中心沉 降与埋深比的关系符合指数函数关系。横向断面地表沉降槽符合p e c k 提出的正态 曲线。w u ，c h i o u ，l e d l 2 】和c h e n 等用离心模型试验研究了粘土地基中一条单行 隧道和两条并行隧道情况下周围土的位移和塌陷机理，试验结果表明，隧道的稳 定性随着埋深的增加而增加，两条隧道距离越近则其相互影响越大，并行隧道不 如单行隧道稳定，并行隧道的地面沉降槽曲线可以由两条隧道各自沉降槽的正态 曲线叠加得到。t 0 s h i 、t a k a o 掣b 】也通过模型试验对地表沉降预计进行了相关研究。 国内的周顺华【1 4 1 也对隧道的稳定性及地表的变形性态进行了离心模型试验， 试验表明，6 0 9 之_ 前基本上未发生塌陷，当加至l j l 2 0 9 时已经全部塌陷，塌陷的范围 呈柱状，代表沉降范围大约为4 倍洞径，并对联跨式和双洞式隧道采用不同台阶长 度施工时引起的地表沉降进行了比较，结果表明，联跨式的地表沉降大于双洞式。 张师德掣1 5 1 对车站的开挖稳定性进行了试验研究，周小文掣1 6 】利用离心模型试验 研究了隧洞开挖中支护压力p 与地层位移s 的关系以及地面沉降槽的形态，得到了 归一化p s 曲线和沉降槽计算参数，同时还分析了土类、密度和含水量对地层位移 的影响。 3 ) 理论预测法 ( 1 ) 弹粘塑性理论解析方法 随着对地层变形研究的深入，许多学者将相关学科的研究成果要引入到隧道 4 软土地层变形研究中，考虑地基土层的变形特点，将地基土作为弹性、弹塑性、 粘弹塑性体考虑，陶履彬、侯学渊【1 7 1 等用轴对阵的平面应变弹性理论分析了圆形 隧道的应力场和位移场；日本的久保胜保研究了圆形隧道的非线性弹塑性理论解， 将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映了土体的非弹性性质，并考虑地层位移和 时间的相关性；孙钧等利用粘弹塑性理论，对圆形隧道围岩和衬砌进行了粘弹塑 性分析【1 8 】。由于受到计算条件的限制，只能对较简单的边界条件和初始条件求出 解答，所以这些方法几乎无一例外地将地层假定为均匀的、轴对阵的平面应变问 题，使其应用受到极大限制。 ( 2 ) 随机介质理论方法 随机介质理论是波兰学者j l i t w i n i s z y n i l 9 l 为研究采煤岩层与地表移动问题所 提出的，他基于砂箱模型实验研究，提出了五大公理，应用严密的数学方法，建 立了随机介质理论。随机介质自提出以来，经过我国学者刘宝琛、廖国华【2 0 】、阳 军生等f 2 l 】的发展，其理论已逐步完善，应用领域从最初的煤矿地下开采所引起的 代表移动预计，发展到露天开采，金属矿地下开采、近地表开挖及地层疏水所引 起的地表移动预计问题。该理论分析的对象是一种被称为“随机介质”的介质，由于 常见的城市隧道一般距离地表不深，大都处于表土或风化岩层中，这些介质能被 较好地视为随机介质。其研究成果开始被应用于地铁工程( 北京和深圳) ，初步解 决了地铁各种开挖方法地面点位移( 垂直及水平) 和变形( 倾斜、曲率、水平应 变) 的计算方法，获得了全套计算公式，并编制了相应的程序。通过把随机介质 方法与固结理论相耦合的方法，对于疏水地面沉降问题也进行了有实际工程意义 的探索和运用。 ( 3 ) 数值模拟方法 数值方法能够考虑复杂的边界条件，模拟复杂的岩土介质的特性，能够动态 模拟工程的施工过程，能求解复杂的隧道结构问题，因此数值方法有着广阔的应 用前景。常用的数值方法主要有有限单元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 、边界 元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 和刚性有限元法( r f e m ) 等。其中以有限元法 的应用更为普及和成熟。根据隧道施工的地层条件及隧道施工的实际情况，可以 将地层假定为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类型的介质。弹性有限元法一般 适用于地层和施工条件较好的情况。日本大阪地区曾采用弹性有限元法对隧道开 挖施工引起的代表沉降进行了估算，并取得了较为满意的效果【1 4 】。由于在隧道旄 工过程中，周围的土体受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常使估算值偏小， 因此通常需将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法不仅能考虑 隧道施工引起的地层损失，而且可以考虑土体的失水固结、土体本身的压缩性等， 并且能够考虑多种施工方法、多种断面的影响，因而获得了广泛应用。目前比较 韭 立交通太坐硒堂僮 论 塞绪 论 常用的大型地下工程力学分析程序主要有，以c 3 。、a n s y s 、2 d - o 、3 d 盯、 m i d a s g t s 等。 。 1 2 2穿越工程对既有隧道的影响 新建地下工程隧道对既有隧道的影响主要是通过扰动周围的土体，使周围的 土体应力应变发生新的变化，从而影响既有隧道的应力应变状态。隧道之间的作 用形态与两隧道相互位置关系、新建隧道的开挖方式和支护类型，隧道的结构特 征、水文地质等因素息息相关。隧道开挖面向前推进时，由开挖面引起的支护能 力随之减弱，隧道就发生变形，相应地将出现非稳定状态区。当近距离的相邻两 隧道之间的应力变化较大的区域连成一体时，就会出现较大的松弛范围，两隧道 之间的土体将处于不稳定状态，相邻两隧道衬砌内力也将会发生变化。 日本把双线隧道或者双层，甚至更多孔隧道的情况定义为近接旄工问题，并 且于1 9 9 7 年公布了既有铁路隧道近接施工指南，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。主要根据新建隧道工程的规模、近接施工的 设计施工方法、与既有隧道的位置关系、影响程度等因素，将新建隧道施工的影 响范围划分为无影响范围、要注意范围和限制范围三类。根据接近度的划分，采 取措施见表1 1 哗1 表1 1 影响程度分区 分区特征 对策 必须从施工方法上采取措施并根据既有地 新建工程对既有地铁隧铁隧道结构物的强度、变形量等来研究影响程 限制范围道结构物有影响，且影响 度，而后采取相应措施。同时对既有地铁隧道结 较强，通常会产生危害。 构物和新建隧道结构物进行量测管理。 一般以采用合适的施工方法为对策，并根据 新建工程对既有地铁隧 既有地铁隧道结构物的强度、变形最等来推定容 道结构物有影响，但影较 许值，再决定是否采取其他措施。为确保施工安 要注意范围 弱，通常不会产生危害， 但需注意。 全，要对既有地铁隧道结构物和新建隧道结构物 进行量测管理。 一般不需要考虑新建工 无影响范围 程对既有地铁隧道结构 一般不需要采取措施。 物的影响。 6 在新建隧道交叉穿越既有地铁隧道的情况下，接近度的主要根据是既有隧道 与新建隧道结构物的间隔划分的，其接近度的划分基准见表1 2 。这里所谓“间隔”， 是指既有隧道衬砌外面到近接工程的最小距离。接近度判断时采用的d ( 隧道外径) 值，指新建隧道衬砌外轮廓的垂直高度与水平宽度中的最大值。 表1 2 交叉穿越接近度的划分 位置关系隧道问隔接近度划分 3 d不考虑范围 3 5 d不考虑范围 1 3论文主要内容和研究方法 地下工程近接施工越来越多，但目前经验还在实际地下工程中占据主导地位， 理论和实践的结合还有待加强。在课题研究和论文撰写过程中，我们收集和参阅 了一些有关文献，文献很多，但多为隧道旖工对地层变形方面的研究，而对于既 有地铁隧道结构变形影响的研究成果却十分稀少，对于上穿对既有地铁隧道结构 变形影响的研究更是少之又少。因此有必要研究上穿工程对既有地铁隧道结构变 形的影响。基于此，本文主要研究内容和方法如下： 1 ) 从力学作用角度，用理论分析的方法研究上穿工程中既有地铁隧道结构变 形机理，分析夹层土体对上穿工程的作用影响，建立了上穿工程弹性地基梁系统 模型； 2 ) 通过建立有限元地层结构实体模型，对上穿地铁隧道工况作了数值模拟计 算，分析上穿工程对既有地铁隧道结构变形的影响特征和规律； 3 ) 在弄清上穿地铁隧道结构变形特征的基础上，对既有地铁隧道结构变形的 控制管理作了研究，确立了制定控制标准的思路和方法，制定了相应的控制措施。 4 ) 结合北京公主坟甜穿越工程监测成果，对上穿工程数值模拟的研究成果进 行验证和修正，对既有地铁隧道结构变形控制方法进行工程应用，达到指导施工 控制管理的目的。 7 韭塞銮逼盘堂亟堂僮j 金塞土左王捏越甄直地迭隧道侄旦也堡硒荭 2 上穿工程对既有地铁隧道作用机理研究 2 1既有地铁隧道变形机理 浅埋暗挖隧道施工引起对既有地铁隧道的影响，是开挖产生地层扰动所引 起的，地层扰动传播到既有地铁隧道，发生与结构的相互作用，夹层土是传播 的媒介。对于下层隧道而言，在上层隧道开挖前，下层隧道承受上部传来的荷 载作用；上层隧道开挖后，两方面的变化可能导致既有隧道发生上浮。其一， 开挖范围内卸载，导致既有地铁隧道结构发生上浮( 图) ；其二，开挖范围内 的原有荷载转移到开挖范围两侧的既有隧道结构上，导致开挖范围内的支撑反 力加大，既有地铁隧道结构开挖范围内产生上浮( 图) 。两种结果的叠加导致 下层隧道局部发生上浮，产生不均匀沉降，并可能发生整体弯曲。开挖前和开 挖后既有隧道的受力图示如图2 1 2 4 。 均匀地基 图2 1 上层隧道施工前下层隧道受力图示 f i g 2 1f o r c e b e a r d o n t h e d o w n t u n n e l b e f o r e t h e u p t u n n e l c o n s t r u c t i o n 匹匝圃翌兰垦匝厅衄 土体荷载 。 图2 2 上层隧道开挖卸载后引起下层隧道受力图示 f i g 2 2f o r c eb e a r do nt h ed o w nt u n n e lc a u s e db ye x c a v a t i o nl o a du n i n s t a l l j b 塞銮逼盔堂亟堂焦论塞上差兰程盟匮直垫煞隧道往旦扭堡班荭 土体荷载 图2 3 上层隧道开挖区荷载转移引起下层隧道受力图示 f i g 2 3f o r c eb e a r do nt h ed o w nt u n n e lc a u s e db ye x c a v a t i o nl o a dt r a n s f e r 图2 4 上层隧道开挖导致下层隧道受力总体效果图示 f i g 2 4c o l l e c t i v i t ye f f e c to f t h ef o r c eb e a r do l lt h ed o w nt u n n e lc a u s e db yt h eu pt u n n e l e x c a v a t i o n 2 2夹层土体的作用机理 2 2 1夹层土体的概念与作用 在近接地铁施工中，处在新建隧道与既有地铁隧道结构之间的土体称为夹层 土体。 近接施工的本质问题即为新、旧结构物问的距离过近，以至于对于! 者之间 的相互影响必须加以考虑，在设计与施工过程中加以体现，进而保护结构的安全。 新建隧道的施工对周围地层包括夹层土体产生扰动，这种扰动传播到既有地铁隧 道结构上，造成对既有地铁隧道结构的影响。既有地铁隧道结构的列车荷载也通 过中夹层士体传播。夹层土是二者相互影响的媒介。 在新1 日结构物影响程度的划分中，二者的间距即夹层土体的厚度是第一位的 因素。间距大到一定程度时，二者的影响就可以不计，即超出近接施工范围。但 9 韭夏至逼丕堂亟堂僮j 金塞土窆王捏蕴既直丝筮隧壅缝围扭堡班荭 是由于地铁及其他市政工程的发展，近接施工通常无可避免，且呈越来越多趋势。 近接施工中，二者相互作用的传播、中夹层土体加固方法的实施、工程的经济性 都与中夹层土体的厚度密切相关。因此，在近接施工中，夹层土体的厚度是工程 中一个需要认真考虑的问题。 2 2 2夹层土体对近接施工的影响 近接施工前，实际上不存在夹层土体。施工过程中及施工后才出现夹层土体。 夹层土体的出现使得既有地铁隧道、夹层土体和新建隧道构成一个完整的体系， 承受外部荷载。 对于下穿情况来讲，夹层土体的厚度和性质影响到既有地铁隧道结构的地基 沉降量。夹层土体厚度越厚、性质越差，夹层土体的压缩越大，新建隧道结构的 沉降变形也越大，二者联合在造成的既有地铁隧道结构地基沉降量变大，对既有 地铁隧道结构产生不利影响；另外既有地铁隧道的特点之一就是列车的振动会影 响到新建隧道结构的受力和施工，振动的传播与夹层土体的厚度和性质有密切的 关系，随着夹层土体的加厚，振动传播存在衰减，新建隧道结构的动荷载效应与 施工所受振动影响都减小。 对于上穿情况来讲，同样可以从新旧结构物两方面考虑。 从既有地铁隧道结构角度考虑，夹层土体厚度h 增大时，证l 变大，但是地基 力s 减小，根据隧道受力特点，s 总量的减小应该等于丫 h 的增大。此时对于既有 地铁隧道结构来说，存在不利影响。因此，夹层土体厚度的增大对于既有地铁隧 道结构来说是有利的。考虑到列车振动荷载的传播，夹层土体厚度越小，新建隧 道结构所受列车振动荷载越大，导致s 增大，对于阻止结构上浮有利。因此，对 于既有地铁隧道结构所受影响来说，存在合理的夹层土体厚度h ，使得动、静荷 载合理影响达到最优。 从新建隧道结构角度考虑，夹层土体的加厚，导致新建隧道结构所受荷载减 小。考虑到列车动载的传播对于新建隧道结构的影响，则夹层土体厚度越大则新 建隧道结构所受荷载越小。两方面均有利于新建隧道结构安全。所以对于新建机 构来说，夹层土体厚度越大越好。 对于上穿工程的以上分析的前提条件认为，相对于既有隧道的位置，新建隧 道的开挖完全破坏了既有隧道的承载拱，即既有隧道所受荷载为其上部所有荷载 ( 包括土体和新结构自重) 。如果夹层厚度的增大，使得新建隧道结构的开挖能保 持既有地铁隧道结构的承载拱或部分承载拱，则无论对于新建隧道结构还是既有 地铁隧道结构，夹层厚度越大越好。 1 0 韭鏖交通盍堂亟堂僮j 金塞上寥工程蕴匦直地筮隧道往厦扭理班荭 另外，考虑到两个混凝土结构直接接触会产生腐蚀，并且为保护外面防水层， 在两个结构间要留有一定距离的土层，即需要保留夹层土体。由于夹层土体的性 质与二者的相互影响和新建隧道施工的稳定性密切相关，因此，夹层土体通常都 必须加固，而各种加固措施需要夹层土体有不同的施工工艺厚度，如管棚的打设、 注浆等，都需要夹层土体有一定的厚度。即认为夹层土体有必要保留，且最小厚 度应满足施工工艺要求。 2 3上穿工程近接施工系统模型 穿越工程中的既有地铁隧道、夹层土体和新建隧道结构构成一个完整的体系。 从位置关系上说，新建隧道与既有地铁隧道之间相隔中夹层土体，中夹层土体受 力和变形调整的过程，传递着二者的相互作用。 2 3 1模型假设 模型作以下基本假设： 1 ) 单元的特性可按线弹性考虑； 2 ) 上层土体所受荷载为土体本身自重与上覆超载 3 ) 既有地铁隧道承受来自上层土体传递来的荷载，另外加上既有地铁隧道本 身结构自重； 4 ) 依次传递到中夹层土体上，初支和二衬上，由于初支和二衬不同时旌作， 二者均施作完成后，开始共同变形； 5 ) 夹层土体虽然经过加固，本身不构成受力结构体。只是在压力作用下产生 压缩，提供对既有地铁隧道结构的地基支撑力。上部传递的荷载与夹层土体的重 量传递给初支和二衬，构成二者荷载； 6 ) 对于开挖未支护阶段，是系统最危险时刻，必须严格控制该段时间最小， 及时施作初支和二衬； 7 ) 初支多看作表现为粘弹性，初支施作后，二衬施作前，初支与中夹层土体 共同变形；二衬施作后，中夹层土体、初支和二衬共同变形； 8 ) 所有的荷载在二衬未施作的情况下，均作用到初支上。产生一定变形，初 支开始表现为粘弹性；二衬施作后，二者共同变形，承受上部传来荷载。 2 3 2模型 土层对于上部结构的支撑作用，通常用弹性地基梁理论来模拟对于上穿施 工而言，开挖前，相应于后来成为夹层土体部分的地层与其上地层共同构成既有 地铁隧道结构的荷载；开挖未支护时，上面土体开挖掉而未有结构支护的中夹层 土体部分继续作为既有地铁隧道结构的荷载存在，而开挖上部土体的荷载转移到 其它中夹层土体上，由此作用到结构上；支护的施作，使得开挖部分支护与夹层 共同变形，由支护与夹层土体以及支护承担的荷载共同构成开挖区的荷载。 近接地铁构筑物系统模型，总体而言应由四个主要单元构成： 上层土体单元 既有地铁隧道单元 夹层土体单元 新建隧道结构单元 为理解既有地铁隧道、夹层土体、新建隧道间的变形传播特性，构建地层的 串并联模型。为了表达不同施工阶段模型的变化，将整个施工过程分成三步完成， 分别为：开挖未支护、初支施作完成及二衬施作完成，不同施工阶段状态模型见 图2 5 开拄术完护 初文埴作 = 衬捌作 图2 5 上穿工程系统模型 f i g 2 5s y s t e mm o d e lo f u pc r o s s i n ge n g i n e e r i n g 模型中，夹层土体初支和二衬的作用主要是对既有地铁隧道提供荷载。 1 ) 开挖前，既有地铁隧道上覆荷载为上层土体重量a 、将来新建隧道处的土 体重量办及夹层土体重量尼； 2 ) 开挖未支状态下，新建隧道开挖处应力释放，既有地铁隧道结构上荷载减 小。此时既有地铁隧道上荷载为中夹层土体重量乃以及中夹层土体上作用的未完 全释放掉的荷载a + 岛奶( a 砩与初支施作的时间密切相关) ； 3 ) 初支施作后，此时既有地铁隧道上荷载为中夹层土体重量a 及支护下的地 基力o ( a 与初支和二衬刚度密切相关) 。 近接地铁构筑物系统模型表明各子系统之间存在着相互制约机制，遵循一定 的准则。模型的某些阶段并不是长期行为，而是短期行为，因此设计与施工一定 要体现出经济技术的合理性。 1 3 北塞变道盍堂亟堂焦i 幺室土左丝珐隧遵结趋变形熬值撞越盆妊 3 上穿地铁隧道结构变形数值模拟分析 穿越工程施工过程中，新建隧道与既有隧道之间发生相互作用，这种作用决 定于两隧道的位置关系、新建隧道的规模、施工方法和既有隧道的结构状况、健 全度等诸多因素。施工前必须弄清新建隧道施工对既有地铁隧道结构的影响方式 和影响程度以及可能出现的破坏模式，只有明确了以上两点，才能确定可行的施 工方案，采取相应对策，将施工风险消灭在萌芽阶段。 本章采用数值模拟的方法，对上穿工程6 种工况下的既有地铁隧道结构变形 规律和特点进行了比较分析。 3 1模拟基础和依据 3 1 1模拟工况 北京市公主坟甜点拟修建一条热力管线隧道，按照设计，该新建隧道采用浅 埋暗挖台阶法施工，从地铁一号线区间隧道上方垂直穿越，施工方向由北向南。 新建热力隧道顶埋深o 8 m ，隧道底与地铁一号线结构间隔为l m 。 图3 1 穿越模型立面示意图 f i g 3 1e l e v a t i o ns k e t c ho f t h ec r o s s i n gm o d e l 热力隧道拟采用直墙拱项断面，如图3 2 ，长7 9 3 8 9 m ，宽3 8m ，高2 7 5 m ， 初期支护采用c 2 0 喷射混凝土，厚度2 5 0 r a m 。隧道二衬结构采用c 3 0 模筑混凝土， 厚度4 0 0 m m ，隧道结构为复合衬砌结构，即钢格栅+ 钢筋网片+ 喷射混凝土的初期 j e 夏窑适太堂亟堂僮j 金窑土窆地迭隧道绪翅变理錾值搓拯盆蚯 支护与模注混凝土的二次衬砌构成。 既有地铁区间隧道为联体双洞隧道，底板和侧墙厚度为o 7 m ，顶板厚度0 8 m ， 隧道断面外轮廓尺寸为5 9 x 1 1 1 m ，( 见图3 3 ) ，每2 0 m 设置一条变形缝。 缪慕、 弋 o莹 厂喇 图3