黄土地区地铁隧道穿越既有线路工程理论与实践

第1章 绪论 　　1.1 目的及意义 　　改革开放以来，伴随着社会经济的快速发展，我国的城市化水平也在不断提高。近年来，由于私家车的大量普及和外来流动人口的蜂拥而至，很多城市出现了人口过度饱和、大气污染严重、资源短缺、建筑空间拥挤、交通堵塞等不良反应，即所谓的“城市综合症”［1］。其中，交通堵塞似乎已经成为所有城市的顽疾，这严重制约着城市的发展。为了从根本上解决城市环境、资源、人口三大危机，就必须另辟蹊径，将地面人流引入地下，建设高效环保的地下有轨交通。与传统的地面公共交通设施相比，城市地下轨道交通具有运输能力强、快速、便捷、准时、安全、舒适、占地少、无污染、低能耗等优点［2］。城市轨道交通成为改善城市交通环境、缓解城市交通拥挤以及带动城市经济发展的重要手段。 　　然而，随着地铁线网的不断完善，节点车站和区间线路的换乘、交叉问题日益突出。这种交叉、换乘的实现方式主要包括穿越施工、预留线路和同期建设。三种方式中又以穿越施工的难度*大，其对既有地铁结构及列车运营的安全威胁*大［3］。同期修建时不存在新建线路对既有线路的影响问题；预留线路修建时由于提前考虑了后期穿越问题，在修建既有结构时往往会进行土层加固等保护措施，大大降低了新建线路施工对既有结构的影响。然而，由于规划考虑不周或者线路需要调整，往往只能选择穿越施工。根据新建线路与既有线路的相对位置关系，可以将地下穿越工程分为新建线路正交下穿既有线路、新建线路正交上穿既有线路、新建线路斜交下穿既有线路和新建线路斜交上穿既有线路等。表1.1列举了部分国内已有的典型既有近距离穿越工程。 　　表1.1 既有近距离穿越工程汇总表 　　在表1.1所列的穿越工程中，既有地铁线路受上穿工程施工的影响较小，既有地铁结构往往会因卸载而发生上浮变形；而对于下穿工程，既有结构会因新建线路施工而产生不均匀沉降，并发生整体弯曲，甚至出现隧道结构与道床剥离的现象，对既有线结构的安全极为不利。因此，对于穿越工程，在保证既有结构及列车运营安全的前提下实现新建工程安全施工的要求可能要远远高于新建结构安全对施工的要求，这是穿越工程的显著特点，更是难点所在。 　　在西安市城市轨道交通远景规划中，区间隧道的交叉和车站的换乘节点总数为66处，穿越工程施工将面临以下两个突出问题： 　　（1）黄土属于特殊土，其结构疏松，性质多变，具有大孔隙性，节理裂隙发育，水敏感性；受外界各种荷载的影响其性质会发生变异，产生较大变形。所有这些围岩特征将对隧道下穿既有构筑物施工产生较大影响，对既有构筑物安全及稳定性构成威胁。因此，很有必要研究下穿时既有构筑物的变形和力学行为，给出确保安全的既有地铁构筑物变形控制标准与措施。 　　（2）从地铁隧道的施工方法来看，由于技术上的先进性和优点，以盾构法和浅埋暗挖法作为施工工法的案例层出不穷。在近100多年的发展中，不断改善的盾构性能以及不断提高的设计和施工技术理论，使这些施工工艺日趋成熟。然而，在黄土地层，盾构法和浅埋暗挖理论及实践仍需接受时间和工程实例的考验。尤其是施工引起的沉降理论不成熟，既有运营地铁线路对沉降的高要求、地铁运行时对地层的动力作用，这些都要求我们在隧道施工穿越既有地铁构筑物的过程中慎之又慎，突破技术瓶颈，提出黄土地层隧道穿越既有地铁构筑物的关键技术参数，明确穿越时对施工质量起控制作用的敏感参数与取值标准，确保下穿过程中既有线的安全稳定。 　　鉴于黄土地区新建地铁隧道穿越既有线路工程的上述难题，本书以暗挖正交下穿既有线、盾构斜交下穿既有线、暗挖正交上跨既有线等穿越工程为依托，从既有线沉降计算方法、既有线沉降控制标准、既有线力学行为、新建隧道施工参数对既有线变形的影响规律、施工参数敏感性及其优化等多方面展开论述，具有重要的理论意义和工程实践价值。 　　1.2 现有研究成果综述 　　1.2.1 新建地铁隧道下穿既有地铁构筑物影响因素 　　宋文杰等［20］依托北京地铁7号线下穿地铁10号线双井站实体工程，分析了新建隧道与既有车站在不同下穿净距下，既有地铁车站结构不同部位的沉降变形与应力及既有地铁结构周围土体的变形规律；刘镇等［21］依托珠江新城盾构地铁隧道下穿广州地铁1号线区间实体工程，利用实际监控量测数据验证数值模拟计算的有效性和可靠性，从而进一步研究新建盾构地铁隧道下穿既有地铁构筑物时，不同类型的复合地层、既有隧道埋深、两隧道间净距等因素对既有地铁构筑物的影响规律，并根据下穿时不同复合地层引起的既有地铁隧道的沉降特点，制定了相应的沉降控制措施。 　　宁寅等［22］根据上海打浦路隧道复线工程，建立了弯曲隧道下穿复杂几何特性的既有隧道的三维计算模型，采用Newton\|Raphson方法进行非线性求解，分析了泥水盾构施工对围岩与既有隧道的影响；赵晓勇［23］依托重庆地铁6号线下穿涵洞的工程实例，分析了TBM施工下既有涵洞的应力和变形；王金龙［24］结合广州地铁5号线盾构施工过程中下穿过街通道的工程实例，对通道桩基基础处理方案进行了分析及优化，提出了钢纤维喷射混凝土与人工挖孔桩相结合的地下过街通道的施工方案；闫朝霞等［3］通过对北京多条地铁线路穿越情况的对比分析，在确保*小限度扰动既有线，保证既有线运营和结构安全的基础上，论述了如何制定合适的施工方案，选择合适的辅助施工措施和监控量测手段；朱正国等［25］依据北京地铁，通过数值分析，研究讨论了不同施工方法、不同预加固范围对下穿施工的影响。 　　汪伟松［26］运用激振函数模拟地铁列车的振动荷载，通过Newmark隐式积分法，研究分析了在不同的列车振动荷载作用下，立体交叉隧道衬砌结构的动力响应规律，指出了列车振动荷载作用下既有隧道衬砌结构的薄弱部位，并确定了相应的位移大小和受力状态；白冰等［27］通过数值模拟计算的方法，研究了列车荷载作用下，左右平行隧道过渡到上下平行隧道工况下的三维动力响应；黎杰等［28］以上下交叠隧道为背景，研究了双向列车振动荷载对隧道结构的动力影响；刘强等［29］运用有限元方法，分析了高速列车振动荷载作用下，上下交叠隧道结构的动力响应特征，探讨了列车速度、围岩级别、交叉角度等因素对下穿隧道结构动力响应变化规律的影响。 　　1.2.2 新建地铁隧道下穿既有线力学行为研究现状 　　邵华等［30］以上海明珠线浦东大道站—张杨路站区间斜下穿既有轨道交通2号线为工程背景，通过分析现场监测数据，得出了盾构施工对既有隧道的影响规律：既有隧道结构的变形以竖向位移为主，随着盾构的掘进，既有隧道纵向呈波浪状并不断向前移动。 　　胡群芳等［31］通过对上海明珠线浦东大道站—张杨路站区间32°下穿既有轨道交通2号线进行现场监测，得到既有线周围土体的变形规律，同时系统地论述了近距离下穿工程的施工技术方案。 　　张晓丽［32］分析了下穿施工对地铁行驶限速运营安全、地铁振动效应和新旧地铁隧道下穿净距的影响，提出了新建地铁隧道与既有隧道合理间距的确定方法，同时应用能量分配理论制定了新建隧道施工过程中的既有构筑物分步沉降控制指标体系。 　　何川等［33］以广州地铁3号线大塘站—沥滘站区间重叠下穿某既有隧道为背景，通过数值模拟和模型试验的手段，分析了既有隧道受盾构重叠下穿施工影响所产生的附加轴力、弯矩和变形等。研究表明，掌子面前方两倍直径处隆起*大，在掌子面前方三倍直径到后方两倍直径范围内出现了不均匀沉降。 　　白海卫［34］针对新建地铁隧道下穿既有地铁线路区间结构的类型进行了分类，建模过程中采用弹性地基梁进行分析，推导了既有地铁线路受新建地铁隧道正交下穿施工影响产生的应力计算公式、沉降曲线表达式以及极限沉降表达式。 　　王子甲［35］基于南水北调暗涵小间距双线隧道近距离下穿五棵松地铁车站的实体工程，研究穿越区域范围内双线隧道注浆加固效果、车站与浆液横通道之间的间隔以及两工作面之间的错距对地层沉降的影响，认为6m的工作面错距完全满足降低变形缝差异沉降的要求，而车站与浆液横通道之间的距离对既有线路区间结构沉降影响较小，之后又提出了限速运营沉降控制标准。 　　杨海平［36］基于北京地铁10号线垂直下穿1号线的工程背景，考虑到双曲线预测模型与灰色预测模型在计算地层沉降变形方面的不足之处，对误差绝对值进行权重考虑并辅以*小准则的运用，建立了新的加权模型组合。 　　李东海等［37］以北京地铁北土城站—芍药居站区间下穿既有地铁13号线为工程依托，通过分析既有隧道结构变形实测数据，得到了既有车站的变形规律并优化了施工参数。研究表明，既有车站结构的变形表现为扭转下沉，侧墙处则发生了半槽型沉降；合理选择盾构顶推力、土仓压力、掘进速度以及加强同步注浆和二次补浆可以有效控制既有车站的变形。 　　汪洋等［38］以广州地铁3号线大塘站—沥滘站区间正交下穿某既有隧道为工程依托，通过数值模拟和模型试验相结合，研究既有隧道受下穿施工影响的变形、受力、弯矩等变化规律。研究表明，既有隧道在拱腰处发生内敛，拱底变位大于拱顶，且*大变位量发生在新建隧道正上方；既有隧道产生了较大的附加轴力和纵向弯矩，既有隧道的内力则表现为“上压下拉”。 　　房明等［39］利用有限元方法对广州某盾构隧道正交下穿既有地铁1号线的施工过程进行模拟，得到了既有隧道的位移、应力变化规律。结果表明，既有隧道的变形以符合正态分布的纵向沉降为主，既有隧道的正应力受下穿施工影响较大，隧道埋深、夹层土厚度以及土体的强度对既有隧道的变形和受力也有较大影响。 　　胡军等［40］以某盾构隧道下穿既有暗挖地铁隧道为依托，通过数值模拟的手段对既有隧道的力学行为进行研究。研究表明，随着盾构掘进，既有隧道先隆起后沉降，且在盾构脱离既有线时，沉降的增量达到*大；盾构隧道下穿施工过程中，既有隧道会发生扭转变形，且扭转程度随盾构顶推力的增大而增大。 　　马振超［41］以北京地区的下穿实例为研究背景，针对穿越类型及邻近度两方面展开研究，发现采用盾构法施工下穿引起的地层沉降量以及对既有线区间结构的影响程度均低于浅埋暗挖法。既有线路区间结构会在1～1.5倍洞径范围内产生显著沉降，新建隧道跨度对既有线路结构的影响比较明显，而下穿净距仅对既有线区间结构的范围影响较大，对沉降*大值影响较小。 　　张明远［42］将超近距离下穿隧道工程作为研究对象，应用荷载\|结构\|基床系数折减法的计算模型，研究下穿影响范围、程度及隧道埋深等条件下既有地铁隧道结构的力学行为，通过改变隧道下方基床系数的取值以及基床系数的分布范围，实时预测施工掘进对既有地铁线路区间的影响。 　　韩煊等［43］选取国内外经典地铁隧道的下穿工程，分析实测曲线发现，既有隧道结构呈柔性变形，既有线路结构刚度与辅助加固措施对隧道变形影响显著，考虑新建隧道埋深、穿越夹角、既有线路结构刚度以及预加固措施等多种影响因素，得到预测既有地铁隧道变形的简便计算方法。 　　张海彦等［44］以苏州某盾构隧道正交下穿既有地铁1号线为工程依托，通过数值模拟分析了不同夹层土厚度时既有隧道的力学行为。结果表明，新建隧道施工对既有隧道的影响范围为3倍直径；为了降低新建隧道施工对既有隧道的影响，夹层土厚度应尽可能大于0.8倍新建隧道直径。 　　康佐等［45］以西安地铁某盾构区间为工程依托，通过数值模拟的手段分析了正交下穿工程中既有隧道管片的内力、位移及地表沉降的变化规律。研究表明，既有隧道结构发生了不均匀的扭转和侧移，既有结构衬砌在正交位置附近出现了一定程度的拉应力。 　　王剑晨等［46］通过对北京地区10个下穿工程的23组既有线实测变形数据进行拟合，发现绝大多数沉降曲线符合Peck公式，并讨论了新建隧道与既有隧道的埋深、新建隧道双洞间距、新建隧道施工工法、既有隧道刚度等因素对经验参数的影响，给出了经验参数的修正公式，为北京地区既有隧道受新建隧道施工影响的变形规律提供了一个简单、可靠的预测方法。