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1、城市地铁工程邻近施工理论与关键掌握技术商量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，很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、M 2号线、M 5号线、M 10号线一期（含奥运支线）、M 13号线
2、、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担当客运总量的50至60。城市地铁土建施工一般都接受明（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，不行避开要进行邻近施工，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肯定的影响，只不过浅埋暗挖
3、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掌握技术进行一些分析、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商量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商量，国外较系统的商量仅见于日本1997年公布的既有铁路隧道近接施工指南。就工程实践而言，针对城市简单环境条件下，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商量还特别薄
4、弱。 2.2 邻近施工的分类2.2.1 邻近施工的周边环境分类依据工程实践，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接受的明挖法、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
5、既有环境实体，但为确保既有线运营平安，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。犹如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
6、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、需重点保护或特别要求的建筑物、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
7、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掌握模型见图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、比较与分析便利，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
8、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-1.0D5m0.5D1.0.D二级1.0D-2.0D5m-1.5D0.5D-1.0D3.5D3.0D2.5D2.5D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 邻近施工的平安性评估2.3.3.1 评估等级划分依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：简略评估、一般评估和只调查，不评估。 评估等级划分依据为：1) 对于环
9、境平安风险等级为“特级”，“一级”，“二级”的既有建（构）筑物，必须进行“简略评估”；2) 对于环境平安风险等级为“三级”的建（构）筑物，需进行“一般评估”；3) 对于环境平安风险等级为“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)，且裂开面影响桩长大于1/2）其他邻近程度依据简略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
10、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)，且裂开面影响桩长小于1/2且大于1/3）其他邻近程度依据简略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）依据简略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)，且裂开面影响桩长小于1/3）一般市政管线下穿或侧穿，显著影响区（1.0D）强烈影响区可依据简略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（1.0
11、D）强烈影响区可依据简略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）强烈影响区可依据简略情况上调一级2.3.3.2邻近施工的平安性评估邻近施工平安性评估的一般程序见图2.2。3 邻近施工的地层响应规律生疏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：沿工作面推动方向，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
12、征，又可将其沿地层剖面划分为五带：为弯曲下沉带、为压密带、为松弛带、为工作面影响带、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动方向，可分三个区(图3.2)。其中为原始地应力区，为增压区，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生疏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
13、，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）削减工作面无支护距离或缩短工作面推动长度（开挖进尺）；（2）掌握并削减下沉速度或下沉量；（3）保证结构具有肯定的厚度。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，最终稳定拱外形为椭圆。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，而简单条件下的失稳为整体失稳，可能抽冒至地表。因此为掌握地表下沉和工作面开挖的稳定，实施地层预加固，对浅埋暗挖法施工特别关键。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大于坡面裂开（松弛）长度l模型和土中管体的剩余长度le小于坡面裂开（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
