第 1 章 緒 論

1.1 研究的背景、目的及意義
1.1.1 研究的背景
近三十多年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展、人口數(shù)量不斷增加，為了順應(yīng)國家的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼�？v觀當(dāng)下的形勢，北京市的人口數(shù)量肯定會隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高而不斷增多。放眼整個北京市區(qū)域，人口分布相當(dāng)不均，北京市現(xiàn)在六個城區(qū)（以前八個城區(qū)）的人口已經(jīng)超過 1300 萬，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遠(yuǎn)期規(guī)劃目標(biāo) 850 萬人，很明顯的可以看出北京市人口大多數(shù)集中在中心城區(qū)，導(dǎo)致了中心城區(qū)交通擁擠，需求量激增，但是交通建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對其的需求，使這種矛盾不斷被激化。以前規(guī)劃的軌道交通很難承擔(dān)起其在城市交通運輸中的核心地位，對緩解這種矛盾的效果很有限，這些都限制了北京快速成為世界城市的步伐。

機(jī)遇和挑戰(zhàn)是北京市交通接下來幾年將要面對的情況，而機(jī)遇要大于挑戰(zhàn)。北京交通的結(jié)構(gòu)形式將會進(jìn)入十分重要的調(diào)整期，雖然會有一些空間進(jìn)行優(yōu)化，但是波動仍然可有會發(fā)生。北京交通得到進(jìn)一步的發(fā)展和緩解城區(qū)擁堵的關(guān)鍵是有效引導(dǎo)人們的出行方式，并且繼續(xù)大力發(fā)展公共交通，使其在人們出行方式中主導(dǎo)地位。2012 年國務(wù)院審核通過了《北京市城市快速軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃》（2007-2016），提出到 2015 年，北京將會擁有 21 條地鐵線，里程達(dá)到 664km。

在 2012 年，北京有四條新的地鐵線開通運營，分別是地鐵十號線二期、地鐵九號線一期、地鐵八號線一期、地鐵六號線一期，總里程達(dá) 69.8km。當(dāng)時北京有 16 條地鐵線路在運營，總里程超過 443km。2013 年五月北京十四號地鐵線郭莊至西局段運營通車，十號線首經(jīng)貿(mào)至西局段也運營通車。此時，北京正在運營的軌道線路達(dá)到十七條，運營里程突破 456km。按照 2013年七月客運流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，北京所有軌道交通線路客運量大約在一千萬人次。七月份各個地鐵線路在工作日期間的平均運送旅客流量如下表。2013 年五月北京十四號地鐵線郭莊至西局段運營通車，十號線首經(jīng)貿(mào)至西局段也運營通車。此時，北京正在運營的軌道線路達(dá)到十七條，運營里程突破 456km。按照 2013年七月客運流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，北京所有軌道交通線路客運量大約在一千萬人次。七月份各個地鐵線路在工作日期間的平均運送旅客流量如下表。

十號線的客運量超過了 191 萬人次，是所有線路中運送量最大的；一號線、二號線、四號線的運送量也達(dá)到了 140 萬人次；新修建的六號線一期、八號線二期的客流量也達(dá)到了幾十萬人次；五號線修建的時間比較早，沿線的人口數(shù)量眾多，其運送能力有待提高。在運輸效能和保護(hù)城市環(huán)境等方面，城市軌道交通都擁有很多的優(yōu)點。城市地鐵交通因為其運輸量多、全天候、速度快、時間準(zhǔn)確、能耗少等優(yōu)點被人們廣泛認(rèn)可。在迅速建設(shè)城市軌道交通的同時也會遇到各種各樣的難題。其中，軌道交通線路將會日益密集，隧道之間及隧道和其他結(jié)構(gòu)之間的距離逐漸減小，新建地鐵為了實現(xiàn)和既有線的換乘，勢必會面臨臨近施工或者穿越施工，有的甚至間距為零、密貼澆筑，它們之間將會發(fā)生相互影響。這種影響由它們之間的位置關(guān)系、隧道的規(guī)模、施工工藝、地質(zhì)條件、水文條件等因素決定。

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1.2 隧道淺埋暗挖法施工
地鐵在城市現(xiàn)代化建設(shè)中正扮演著重要角色，已經(jīng)成為很多大城市不可替代的公共交通工具，地鐵的建設(shè)往往穿越城市的繁華的商業(yè)區(qū)、城市主要交通道路或者人口聚集的住宅區(qū)，因此地鐵隧道的建設(shè)將會影響城市地面、地上或者地下的建筑物[4]。綜合考慮工程周邊環(huán)境、施工要求、成本等因素，選取合適的施工方法是至關(guān)重要的。經(jīng)過前人多年的探索與研究，我國在地鐵隧道建設(shè)方面積累了豐富經(jīng)驗，當(dāng)前地鐵隧道的施工方法一般可以分為盾構(gòu)法、暗挖法和明挖法，每種方法根據(jù)施工工藝的不同又可以分為好多種，具體見圖 1-3，每種施工方法都有其適應(yīng)的條件和范圍。
明挖法對地層條件適應(yīng)性比較強(qiáng)，具有多工作面、施工速度、短工期、結(jié)構(gòu)空間利用率高、低成本等優(yōu)點[5]。但是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件很差，隧道埋深較深，如果這時施工采用明挖法，支護(hù)難度將大大增加，而且造價會比較高；明挖法對周邊環(huán)境和交通影響比較大，在繁華的鬧市區(qū)和交通主干道的地鐵區(qū)間一般不適合采用明挖法。盾構(gòu)法是使用機(jī)械工具挖掘隧道的方法，在隧道斷面（一般為圓形）和功能比較單一的區(qū)間使用比較普遍。在施工中，盾構(gòu)機(jī)在鋼殼的保護(hù)下，依靠前端刀盤挖掘工作面上的土體，利用傳送帶將土渣運出，而且完成盾構(gòu)管片的拼裝。盾構(gòu)法具有施工速度快、噪音小、襯砌質(zhì)量可靠、地面沉降小、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，但是盾構(gòu)機(jī)一般比較昂貴，設(shè)備比較復(fù)雜，對區(qū)間斷面尺寸調(diào)整適應(yīng)性差，一般適用于城市地鐵深埋區(qū)間。

新奧法充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，利用錨桿和混凝土的噴射，盡量保護(hù)隧道周圍巖體，讓圍巖成為支護(hù)體系的一部分。過去的幾年中，高速鐵路在我國快速的發(fā)展，帶來了大量的山體隧道工程，在修建這些高鐵隧道時大多數(shù)采用的是新奧法，隨著施工工藝技術(shù)的改進(jìn)和機(jī)械設(shè)備創(chuàng)新研發(fā)，新奧法也得到了大力的發(fā)展。新奧法對地面影響小、造價低，但是施工速度慢、工期長、需要大量人力、風(fēng)險大。在新奧法的基礎(chǔ)之上，隧道開挖后施作初次襯砌來承擔(dān)前期的全部荷載，然后施作二次襯砌來保障安全，二者共同組成隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。隧道利用淺埋暗挖法施工的同時，將采取很多輔助工藝，來提高圍巖的強(qiáng)度，比如超前支護(hù)，深孔注漿，施作錨桿等；采用不同的開挖方法，使支護(hù)盡快封閉，實現(xiàn)局部支護(hù)結(jié)構(gòu)體系；在以上過程中要加強(qiáng)工程監(jiān)測，根據(jù)反饋信息及時調(diào)整施工方法和采取應(yīng)急措施，保證施工安全、達(dá)到施工要求等，形成各種工藝相互配合的施工技術(shù)。淺埋暗挖法有很多優(yōu)點，比如不影響交通、沒有污染，無需專業(yè)設(shè)備，適合應(yīng)用于不同跨度、多種斷面等，但是其施工工作量大、速度慢、工期長、風(fēng)險較大。

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第 2 章 新建隧道下穿既有線結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理

2.1 隧道的埋深分界

隧道埋置深度劃分這個難題一直都困擾著國內(nèi)外的學(xué)者和工程師們，這是由于在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計或者對襯砌受力分析等方面，它起到了關(guān)鍵性的作用[53-54]。隧道根據(jù)其埋置深度或者覆土厚度可以分為淺埋隧道和深埋隧道[55-56]。結(jié)合世界上很多隧道施工工程，淺埋一般指的是拱頂上方的土層比較薄，以至于很難形成承載拱，地面容易發(fā)生沉降；如果隧道埋置較深時，圍巖土體能夠充分發(fā)揮自身的承載能力，隧道開挖只影響洞口周圍的圍巖，隨著埋置深度的增大對地表的影響越小。

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2.2 新建隧道施工引起地層及既有結(jié)構(gòu)變形
在城市中建設(shè)地下軌道交通時，往往會遇到下穿既有結(jié)構(gòu)的情況，這勢必會對其產(chǎn)生不可避免的影響，這種影響主要是通過新舊隧道之間的土層進(jìn)行傳遞的，所以如果想研究新建地鐵對上部結(jié)構(gòu)造成的影響，那么首先要弄清楚隧道施工造成土體變形的規(guī)律[58]。新建隧道下穿施工將嚴(yán)重影響上部既有結(jié)構(gòu)，造成既有結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降、傾斜或者局部破壞，反之既有結(jié)構(gòu)也會影響新建隧道的施工安全，他們之間的互相影響的媒介就是地層。隧道開挖將對地層造成擾動，導(dǎo)致地層發(fā)生變形，進(jìn)而引起既有結(jié)構(gòu)變形。如果想研究新建隧道對既有結(jié)構(gòu)的影響，首先要弄清楚隧道開挖引起的土體變形。
隧道施工開挖時將會引起上方土層的變形，如圖 2-1。沿著垂直于暗挖隧道走向，土體豎向變形規(guī)律類似于高斯正態(tài)分布曲線，沿著開挖方向，豎向變形曲線類似于一條指數(shù)函數(shù)曲線[59]。隨著隧道開挖面的掘進(jìn)，沉降槽的形狀就好像一艘船的樣子，地面的豎向變形和隧道上部土體的變形也近似相同[60]。
到現(xiàn)在為止關(guān)于地層豎向變形的研究方法中，Peck 在 1969 年提出的公式被認(rèn)為是最簡單、最被普遍運用的方法[61]。Peck 經(jīng)過大量的收集工程現(xiàn)場資料和實測數(shù)據(jù)，通過歸納、整理分析，最后得出了一個經(jīng)驗公式。假設(shè)隧道是在周圍土體沒有排水的情況下推進(jìn)，地表沉降槽的整體體積和施工中產(chǎn)生的土體體積的損失是等效一致的。

隧道在開挖施工之前，所在地層已經(jīng)存在初始地應(yīng)力場，土體被開挖后會造成土層的擾動，從而打破了原有的應(yīng)力平衡，待地層穩(wěn)定后應(yīng)力會第二次達(dá)到平衡，形成新的應(yīng)力場。隧道根據(jù)不同情況有許多施工方法，不同的方法對應(yīng)不同得工序，每種工序施作都會改變地層的應(yīng)力狀態(tài)，從而會形成三次、四次或者更多應(yīng)力場。在進(jìn)行隧道開挖的時候，施工會對隧道周圍的土體產(chǎn)生擾動，從而產(chǎn)生應(yīng)力，這種應(yīng)力隨距離開挖面越近而變得越集中；離開挖面越遠(yuǎn)，土體應(yīng)力集中的程度就會慢慢降低。假如要建設(shè)的隧道離另一條隧道很近，那么他們附近的土體將會受到很大的擾動，打破了原有土體應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力高度集中[66]。上個世紀(jì)九十年代，日本提出了自己的《既有鐵路隧道近接施工指南》，并且也發(fā)表了很多這方面的研究報告和論文。在這篇指南里面很詳細(xì)、周全和系統(tǒng)的說明了隧道近距離開挖施工這個工程難題[67]。這個指南根據(jù)很多因素將這類問題中隧道的接近程度進(jìn)行了劃分，，比如施工方法、兩者的空間位置、工程的大小、地質(zhì)水文條件、已有結(jié)構(gòu)的損傷等[68]。根據(jù)本文要分析的內(nèi)容，只考慮了兩條隧道交叉的情況，具體接近程度的劃分如表 2-1。

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第 3 章 新建隧道下穿既有車站數(shù)值分析...................... 19
3.1 工程概況 ............................................... 19
3.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況 ................................ 20
3.2.1 地層巖性 ............................................ 20
第 4 章 穿越施工控制措施優(yōu)化分析........................... 42
4.1 施工注漿范圍對比 ....................................... 42
4.1.1 工程深孔注漿 .......................................... 42
4.1.2 地層不同注漿范圍分析 .................................. 43
第 5 章 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析 ..................................... 57
5.1 施工方案 ................................................. 57
5.1.1 施工總體順序 ........................................... 57

5.1.2 主要的施工方法 ........................................ 58

第 5 章 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

5.1 施工方案
5.1.1 施工總體順序
根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合同類工程施工經(jīng)驗，區(qū)間正線隧道下穿既有線車站施工時，左、右線必須分別、單獨進(jìn)行穿越，這樣可避免左、右線隧道同時穿越擾動地層，減小既有線結(jié)構(gòu)的沉降、變形。因本區(qū)間正線隧道在下穿既有線車站前需下穿北京環(huán)路高架橋，因此本方案在制定下穿總體施工順序時將下穿高架橋施工考慮在內(nèi)，具體施工順序如下圖所示：
5.1.2 主要的施工方法
（一）下穿既有車站暗挖段隧道開挖與支護(hù)
下穿既有車站暗挖段專項設(shè)計起止里程：K12+905.000-K12+935.700。該段區(qū)間為單線單洞，利用上下臺階+臨時仰拱法開挖，進(jìn)行開挖掌子面和周圍 3m 范圍土體注漿加固方法。具體措施如下：
1．在隧道掌子面掘進(jìn)到下穿影響范圍前，在人防段內(nèi)打設(shè)注漿管，使用普通水泥-水玻璃雙液漿將掌子面及其周圍的土體進(jìn)行加固。
2．設(shè)置臨時仰拱，各部施工應(yīng)連續(xù)作業(yè)，盡早封閉成環(huán)，減少掌子面暴露時間。
3．本工程該區(qū)段采用 臺階 +臨時仰拱法開挖，首先開挖上部弧形土體，噴射初期支護(hù)，完成臨時仰拱，然后開挖預(yù)留核心土部分，遵循 1m 開挖進(jìn)尺，防止超挖。
4．隧道左、右線施工時相互錯開 10～15m，要迅速完成臨時仰拱，實現(xiàn)初支封閉。
5．上部弧形土體開挖完成之后，要預(yù)埋直徑 Φ 32 、長 0.5m 注漿管，待初期支護(hù)完成以后，用漿液把初支與圍巖間的孔隙填滿。如果在開挖過程中，地表或者既有結(jié)構(gòu)沉降過大，要增加注漿量。當(dāng)隧道開挖貫通后，拆除臨時仰拱，澆筑二次襯砌時還要提前埋設(shè)注漿管，用來回填二襯與初襯之間的孔隙。
（二）下穿既有車站暗挖段施工方法及程序說明
掌子面在往前掘進(jìn)的過程中，要一邊開挖土體，一邊往前打設(shè)注漿管，對前方 12m范圍的土體進(jìn)行加固，前后兩次加固要有 2m 的疊加段。

為了穩(wěn)定掌子面的土體，在進(jìn)行隧道開挖設(shè)計時要合理設(shè)計預(yù)留核心土的面積，使其占上臺階面積的 50%以上。

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結(jié)論與展望

我國進(jìn)入 21 世紀(jì)之后經(jīng)濟(jì)飛速增長，城市化建設(shè)不斷加大，城市人口也越來越多，發(fā)展城市地下軌道交通迎來了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。地鐵隧道往往要穿越城市繁華地區(qū)，這樣會帶來很多近接施工問題，進(jìn)行隧道穿越方面的研究對城市軌道交通的長足發(fā)展有重要的意義。本文依托北京某新建地鐵區(qū)間隧道下穿既有線地鐵車站實際工程，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者對隧道近距離穿越對既有結(jié)構(gòu)的影響研究以及我國在修建地鐵隧道時采用的施工方法和工藝，借助數(shù)值模擬軟件 Midas GTS 和 FLAC3D4.0 進(jìn)行建模計算，主要研究了以下幾方面內(nèi)容：
（1）采用三種工法進(jìn)行開挖都會造成既有結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向變形，最大變形量主要發(fā)生左、右線隧道拱頂對應(yīng)既有結(jié)構(gòu)底板處。隨著開挖面接近下穿位置，結(jié)構(gòu)的沉降越來越大，在正下穿位置處的沉降率達(dá)到最大。當(dāng)掌子面遠(yuǎn)離暗挖段結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)豎向變形慢慢減緩，趨于水平的直線。右隧道開挖對該隧道拱頂對應(yīng)位置處既有結(jié)構(gòu)的沉降影響要比左隧道大；同樣，左隧道開挖對左隧道拱頂對應(yīng)位置處既有結(jié)構(gòu)的沉降影響要比右隧道大；然而，左、右隧道開挖對兩隧道中間點對應(yīng)既有結(jié)構(gòu)位置的沉降影響差別不大。在既有結(jié)構(gòu)縱向方向上，底板位置的變形呈“W”型（雙峰沉降槽），拱腰、拱頂位置處的變形曲線呈“V”型（單峰沉降槽）。
（2）CRD 法施工引起的既有結(jié)構(gòu)最大沉降為 4.662mm，上下臺階法為 5.512mm，全斷面法為 6.528mm，通過對比分析，在控制既有結(jié)構(gòu)沉降方面，新建隧道采用 CRD法施工效果最好，其次是上下臺階（預(yù)留核心土）法和全斷面法，但是在橫向變形和最大主應(yīng)力方面差別不大。然后分析三種施工方法的適應(yīng)情況和在工程中應(yīng)用的優(yōu)缺點，結(jié)合本工程中新建區(qū)間隧道的截面尺寸、圍巖等級等，綜合考慮了既有結(jié)構(gòu)變形控制、預(yù)算、工期等因素，采用上下臺階（預(yù)留核心土）法開挖最為合適。
（3）在沒有注漿加固的情況時，隧道下穿對既有車站暗挖段豎向變形的影響是十分明顯的，最大豎向變形為 5.534mm，超過了變形預(yù)警值，進(jìn)而根據(jù)其余三種工況進(jìn)行土層注漿加固，既有結(jié)構(gòu)的豎向變形分別減小了 30.6%、40.9%和 50.4%。既有結(jié)構(gòu)的橫向變形和應(yīng)力在不同工況下的差異并不明顯。

（4）通過分析開挖進(jìn)尺為 1m，2m，4m 三種情況下的數(shù)值模擬結(jié)果，得出當(dāng)開挖進(jìn)尺為 4m 時監(jiān)測點的豎向變形最大，結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為 5.074mm；當(dāng)采用 2m 進(jìn)尺時結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為 2.746 mm，減少了 45.9%；當(dāng)開挖進(jìn)尺為 1m 時結(jié)構(gòu)最大豎向變形值為 2.424 mm，減少了 52.2%�？梢姡_挖進(jìn)尺越小對控制既有結(jié)構(gòu)豎向變形越有效。但是，隨著開挖進(jìn)尺的增大，結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力有減小的趨勢，但是差別不是很大。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：37894