新建地铁隧道下穿既有车站影响及安全控制措施研究
第 1 章 绪 论
1.1.1 研究的背景
近三十多年来，我国经济飞速发展、人口数量不断增加，为了顺应国家的发展，基础设施建设如火如荼。纵观当下的形势，北京市的人口数量肯定会随着经济水平的提高而不断增多。放眼整个北京市区域，人口分布相当不均，北京市现在六个城区（以前八个城区）的人口已经超过 1300 万，已经远远超过远期规划目标 850 万人，很明显的可以看出北京市人口大多数集中在中心城区，导致了中心城区交通拥挤，需求量激增，但是交通建设远远落后于对其的需求，使这种矛盾不断被激化。以前规划的轨道交通很难承担起其在城市交通运输中的核心地位，对缓解这种矛盾的效果很有限，这些都限制了北京快速成为世界城市的步伐。
机遇和挑战是北京市交通接下来几年将要面对的情况，而机遇要大于挑战。北京交通的结构形式将会进入十分重要的调整期，虽然会有一些空间进行优化，但是波动仍然可有会发生。北京交通得到进一步的发展和缓解城区拥堵的关键是有效引导人们的出行方式，并且继续大力发展公共交通，使其在人们出行方式中主导地位。2012 年国务院审核通过了《北京市城市快速轨道交通近期建设规划》（2007-2016），提出到 2015 年，北京将会拥有 21 条地铁线，里程达到 664km。
十号线的客运量超过了 191 万人次，是所有线路中运送量最大的；一号线、二号线、四号线的运送量也达到了 140 万人次；新修建的六号线一期、八号线二期的客流量也达到了几十万人次；五号线修建的时间比较早，沿线的人口数量众多，其运送能力有待提高。在运输效能和保护城市环境等方面，城市轨道交通都拥有很多的优点。城市地铁交通因为其运输量多、全天候、速度快、时间准确、能耗少等优点被人们广泛认可。在迅速建设城市轨道交通的同时也会遇到各种各样的难题。其中，轨道交通线路将会日益密集，隧道之间及隧道和其他结构之间的距离逐渐减小，新建地铁为了实现和既有线的换乘，势必会面临临近施工或者穿越施工，有的甚至间距为零、密贴浇筑，它们之间将会发生相互影响。这种影响由它们之间的位置关系、隧道的规模、施工工艺、地质条件、水文条件等因素决定。
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地铁在城市现代化建设中正扮演着重要角色，已经成为很多大城市不可替代的公共交通工具，地铁的建设往往穿越城市的繁华的商业区、城市主要交通道路或者人口聚集的住宅区，因此地铁隧道的建设将会影响城市地面、地上或者地下的建筑物[4]。综合考虑工程周边环境、施工要求、成本等因素，选取合适的施工方法是至关重要的。经过前人多年的探索与研究，我国在地铁隧道建设方面积累了丰富经验，当前地铁隧道的施工方法一般可以分为盾构法、暗挖法和明挖法，每种方法根据施工工艺的不同又可以分为好多种，具体见图 1-3，每种施工方法都有其适应的条件和范围。
明挖法对地层条件适应性比较强，具有多工作面、施工速度、短工期、结构空间利用率高、低成本等优点[5]。但是当地质条件很差，隧道埋深较深，如果这时施工采用明挖法，支护难度将大大增加，而且造价会比较高；明挖法对周边环境和交通影响比较大，在繁华的闹市区和交通主干道的地铁区间一般不适合采用明挖法。盾构法是使用机械工具挖掘隧道的方法，在隧道断面（一般为圆形）和功能比较单一的区间使用比较普遍。在施工中，盾构机在钢壳的保护下，依靠前端刀盘挖掘工作面上的土体，利用传送带将土渣运出，而且完成盾构管片的拼装。盾构法具有施工速度快、噪音小、衬砌质量可靠、地面沉降小、对周边环境影响小等优点，但是盾构机一般比较昂贵，设备比较复杂，对区间断面尺寸调整适应性差，一般适用于城市地铁深埋区间。
新奥法充分发挥围岩自身的承载能力，利用锚杆和混凝土的喷射，尽量保护隧道周围岩体，让围岩成为支护体系的一部分。过去的几年中，高速铁路在我国快速的发展，带来了大量的山体隧道工程，在修建这些高铁隧道时大多数采用的是新奥法，随着施工工艺技术的改进和机械设备创新研发，新奥法也得到了大力的发展。新奥法对地面影响小、造价低，但是施工速度慢、工期长、需要大量人力、风险大。在新奥法的基础之上，隧道开挖后施作初次衬砌来承担前期的全部荷载，然后施作二次衬砌来保障安全，二者共同组成隧道支护结构。隧道利用浅埋暗挖法施工的同时，将采取很多辅助工艺，来提高围岩的强度，比如超前支护，深孔注浆，施作锚杆等；采用不同的开挖方法，使支护尽快封闭，实现局部支护结构体系；在以上过程中要加强工程监测，根据反馈信息及时调整施工方法和采取应急措施，保证施工安全、达到施工要求等，形成各种工艺相互配合的施工技术。浅埋暗挖法有很多优点，比如不影响交通、没有污染，无需专业设备，适合应用于不同跨度、多种断面等，但是其施工工作量大、速度慢、工期长、风险较大。
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第 2 章 新建隧道下穿既有线结构的变形机理
隧道埋置深度划分这个难题一直都困扰着国内外的学者和工程师们，这是由于在进行隧道结构设计或者对衬砌受力分析等方面，它起到了关键性的作用[53-54]。隧道根据其埋置深度或者覆土厚度可以分为浅埋隧道和深埋隧道[55-56]。结合世界上很多隧道施工工程，浅埋一般指的是拱顶上方的土层比较薄，以至于很难形成承载拱，地面容易发生沉降；如果隧道埋置较深时，围岩土体能够充分发挥自身的承载能力，隧道开挖只影响洞口周围的围岩，随着埋置深度的增大对地表的影响越小。
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在城市中建设地下轨道交通时，往往会遇到下穿既有结构的情况，这势必会对其产生不可避免的影响，这种影响主要是通过新旧隧道之间的土层进行传递的，所以如果想研究新建地铁对上部结构造成的影响，那么首先要弄清楚隧道施工造成土体变形的规律[58]。新建隧道下穿施工将严重影响上部既有结构，造成既有结构发生不均匀沉降、倾斜或者局部破坏，反之既有结构也会影响新建隧道的施工安全，他们之间的互相影响的媒介就是地层。隧道开挖将对地层造成扰动，导致地层发生变形，进而引起既有结构变形。如果想研究新建隧道对既有结构的影响，首先要弄清楚隧道开挖引起的土体变形。
隧道施工开挖时将会引起上方土层的变形，如图 2-1。沿着垂直于暗挖隧道走向，土体竖向变形规律类似于高斯正态分布曲线，沿着开挖方向，竖向变形曲线类似于一条指数函数曲线[59]。随着隧道开挖面的掘进，沉降槽的形状就好像一艘船的样子，地面的竖向变形和隧道上部土体的变形也近似相同[60]。
到现在为止关于地层竖向变形的研究方法中，Peck 在 1969 年提出的公式被认为是最简单、最被普遍运用的方法[61]。Peck 经过大量的收集工程现场资料和实测数据，通过归纳、整理分析，最后得出了一个经验公式。假设隧道是在周围土体没有排水的情况下推进，地表沉降槽的整体体积和施工中产生的土体体积的损失是等效一致的。
隧道在开挖施工之前，所在地层已经存在初始地应力场，土体被开挖后会造成土层的扰动，从而打破了原有的应力平衡，待地层稳定后应力会第二次达到平衡，形成新的应力场。隧道根据不同情况有许多施工方法，不同的方法对应不同得工序，每种工序施作都会改变地层的应力状态，从而会形成三次、四次或者更多应力场。在进行隧道开挖的时候，施工会对隧道周围的土体产生扰动，从而产生应力，这种应力随距离开挖面越近而变得越集中；离开挖面越远，土体应力集中的程度就会慢慢降低。假如要建设的隧道离另一条隧道很近，那么他们附近的土体将会受到很大的扰动，打破了原有土体应力状态，应力高度集中[66]。上个世纪九十年代，日本提出了自己的《既有铁路隧道近接施工指南》，并且也发表了很多这方面的研究报告和论文。在这篇指南里面很详细、周全和系统的说明了隧道近距离开挖施工这个工程难题[67]。这个指南根据很多因素将这类问题中隧道的接近程度进行了划分，，比如施工方法、两者的空间位置、工程的大小、地质水文条件、已有结构的损伤等[68]。根据本文要分析的内容，只考虑了两条隧道交叉的情况，具体接近程度的划分如表 2-1。
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3.1 工程概况 ............................................... 19
3.2 工程地质及水文地质概况 ................................ 20
3.2.1 地层岩性 ............................................ 20
第 4 章 穿越施工控制措施优化分析........................... 42
4.1 施工注浆范围对比 ....................................... 42
4.1.1 工程深孔注浆 .......................................... 42
4.1.2 地层不同注浆范围分析 .................................. 43
第 5 章 现场实测数据分析 ..................................... 57
5.1 施工方案 ................................................. 57
5.1.1 施工总体顺序 ........................................... 57
5.1.2 主要的施工方法 ........................................ 58
第 5 章 现场实测数据分析
5.1.1 施工总体顺序
根据设计要求，结合同类工程施工经验，区间正线隧道下穿既有线车站施工时，左、右线必须分别、单独进行穿越，这样可避免左、右线隧道同时穿越扰动地层，减小既有线结构的沉降、变形。因本区间正线隧道在下穿既有线车站前需下穿北京环路高架桥，因此本方案在制定下穿总体施工顺序时将下穿高架桥施工考虑在内，具体施工顺序如下图所示：
5.1.2 主要的施工方法
（一）下穿既有车站暗挖段隧道开挖与支护
下穿既有车站暗挖段专项设计起止里程：K12+905.000-K12+935.700。该段区间为单线单洞，利用上下台阶+临时仰拱法开挖，进行开挖掌子面和周围 3m 范围土体注浆加固方法。具体措施如下：
1．在隧道掌子面掘进到下穿影响范围前，在人防段内打设注浆管，使用普通水泥-水玻璃双液浆将掌子面及其周围的土体进行加固。
2．设置临时仰拱，各部施工应连续作业，尽早封闭成环，减少掌子面暴露时间。
3．本工程该区段采用 台阶 +临时仰拱法开挖，首先开挖上部弧形土体，喷射初期支护，完成临时仰拱，然后开挖预留核心土部分，遵循 1m 开挖进尺，防止超挖。
4．隧道左、右线施工时相互错开 10～15m，要迅速完成临时仰拱，实现初支封闭。
5．上部弧形土体开挖完成之后，要预埋直径 Φ 32 、长 0.5m 注浆管，待初期支护完成以后，用浆液把初支与围岩间的孔隙填满。如果在开挖过程中，地表或者既有结构沉降过大，要增加注浆量。当隧道开挖贯通后，拆除临时仰拱，浇筑二次衬砌时还要提前埋设注浆管，用来回填二衬与初衬之间的孔隙。
（二）下穿既有车站暗挖段施工方法及程序说明
掌子面在往前掘进的过程中，要一边开挖土体，一边往前打设注浆管，对前方 12m范围的土体进行加固，前后两次加固要有 2m 的叠加段。
为了稳定掌子面的土体，在进行隧道开挖设计时要合理设计预留核心土的面积，使其占上台阶面积的 50%以上。
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结论与展望
（1）采用三种工法进行开挖都会造成既有结构发生竖向变形，最大变形量主要发生左、右线隧道拱顶对应既有结构底板处。随着开挖面接近下穿位置，结构的沉降越来越大，在正下穿位置处的沉降率达到最大。当掌子面远离暗挖段结构时，结构竖向变形慢慢减缓，趋于水平的直线。右隧道开挖对该隧道拱顶对应位置处既有结构的沉降影响要比左隧道大；同样，左隧道开挖对左隧道拱顶对应位置处既有结构的沉降影响要比右隧道大；然而，左、右隧道开挖对两隧道中间点对应既有结构位置的沉降影响差别不大。在既有结构纵向方向上，底板位置的变形呈“W”型（双峰沉降槽），拱腰、拱顶位置处的变形曲线呈“V”型（单峰沉降槽）。
（2）CRD 法施工引起的既有结构最大沉降为 4.662mm，上下台阶法为 5.512mm，全断面法为 6.528mm，通过对比分析，在控制既有结构沉降方面，新建隧道采用 CRD法施工效果最好，其次是上下台阶（预留核心土）法和全断面法，但是在横向变形和最大主应力方面差别不大。然后分析三种施工方法的适应情况和在工程中应用的优缺点，结合本工程中新建区间隧道的截面尺寸、围岩等级等，综合考虑了既有结构变形控制、预算、工期等因素，采用上下台阶（预留核心土）法开挖最为合适。
（3）在没有注浆加固的情况时，隧道下穿对既有车站暗挖段竖向变形的影响是十分明显的，最大竖向变形为 5.534mm，超过了变形预警值，进而根据其余三种工况进行土层注浆加固，既有结构的竖向变形分别减小了 30.6%、40.9%和 50.4%。既有结构的横向变形和应力在不同工况下的差异并不明显。
（4）通过分析开挖进尺为 1m，2m，4m 三种情况下的数值模拟结果，得出当开挖进尺为 4m 时监测点的竖向变形最大，结构最大竖向变形值为 5.074mm；当采用 2m 进尺时结构最大竖向变形值为 2.746 mm，减少了 45.9%；当开挖进尺为 1m 时结构最大竖向变形值为 2.424 mm，减少了 52.2%。可见，开挖进尺越小对控制既有结构竖向变形越有效。但是，随着开挖进尺的增大，结构最大主应力有减小的趋势，但是差别不是很大。
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参考文献（略）
本文编号：37894
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/37894.html
