城市地铁工程邻近施工理论和关键控制技术研究.docx
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城市地铁工程邻近施工理论和关键控制技术研究
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、M2号线、M5号线、M10号线一期（含奥运支线）、M13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
下穿
（垂直间隔）
上穿
（垂直间隔）
侧穿（水平间隔）
新建比既有线位置高
新建比既有线位置低
特级
<5m
一级
5m-1.0D
<5m
<0.5D
<1.0.D
二级
1.0D-2.0D
5m-1.5D
0.5D-1.0D
<1.5D
三级
2.0D-3.5D
1.5-3.0D
1D-2.5D
1.5D-2.5D
无风险
>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
一级
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
河流、湖泊
下穿或侧穿
二级
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（<1.0D）
一般影响区（≥1.0.D）根据具体情况可降低一级
重要建（构）筑物
下穿或侧穿，一般影响区（1.0D-1.5D）
三级
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
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：
Ⅰ为弯曲下沉带、Ⅱ为压密带、Ⅲ为松弛带、Ⅳ为工作面影响带、Ⅴ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Ⅰ为原始地应力区，Ⅱ为增压区，Ⅲ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α一般都接近于450-Ψ/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
预警值
每日
3
1
2
0.5
1
累积
30
4
6
1
3
基准值
每日
4
2
3
0.5
2
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
预警值
每日
3
1
2
0.5
1
累积
18
4
6
1
3
基准值
每日
4
2
3
0.5
2
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14m～12.7m，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22～23m，基坑以下埋置深度6.5～7.8m，采用国产700×300×13×24mm焊接型钢，间隔插入搅拌桩内，中心间距1200mm。
桩顶设置850×1000mm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2～4m。
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1～2m厚的细中砂薄层。
下部为卵石层，卵石粒径一般为20～30mm，最大100mm，亚圆形，含量达55％，层厚1～3m。
其中，砂质粉土标贯N63.5=10～20，粉细砂标贯N63.5=19，细中砂标贯N63.5=38（平均），局部达到57～72。
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25.5～26.2m。
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2.0～2.2时，渗透系数低于1.2×10-8cm/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9～10m处，基坑9～10m深度以上变形量大，基坑9～10m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
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