软土地区盾构近距下穿车站影响性研究 荔 强薛城 （铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津３００２５１） 摘要：地铁建设的线路交叉是影响工程安全及正常运营的重要风险点，需要高度关注，尤其是软土地区，更 是需要仔细的研究。文章通过分析近距施工的各项影响因素，阐释了软土地区盾构下穿对既有车站的影响性， 并通过数值模拟，分析了天津地区大直沽西路盾构下穿对既有车站的影响性，提出了软土地区盾构近距下穿 的相关工程措施。 关键词：盾构下穿；近距施工；风险控制；地基加固；软土地区 中图分类号：ｕ４５５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－２３７４（２０１１）３６－０１１６一Ｏ３ 一、概述 随着城市化进程的不断推进，为了满足城市便 ｌｌ ｌｌ ｌｌ ｌ 捷、快速、综合的各项特性要求，立体交通在城市功 能中会扮演越来越重要的角色。城市地铁作为城市立 三 至 体交通的重要组成部分，是分流交通的有效措施，同 ｛ｆ ｌ ｌ ｌ ｆ ｌ ｌ ｌ 时也是城市现代化的重要标志。然而，随着地铁线路 图１单一圆形洞室计算模 图２弹性条件应力影响范 覆盖面的加大，就不可避免的出现地铁线路的交叉， 型简化图 。 围图 这在地铁建设中，是影响工程安全及正常运营的重要 根据弹性理论计算得出，当侧压力系数为０时， 风险点，需要高度关注。尤其是在软土地区，由于地 其在半径为２．６７及７．７２倍洞室半径的圆环处，其侧 层特性以及各项力学参数较之硬质地层对于地下工程 边切向应力分别为初始应力的１．１倍及１．Ｏ１倍；当侧 来说都更为不利，工程风险会显著加大，如果风险控 压力系数为１时，其在半径为３．１６及１０倍洞室半径的 圆环处，其切向应力分别为初始应力的１．１倍及１．０１ 制不好，极有可能影响到整个线路，甚至影响到整个 倍。也即是说，在弹性条件下，对于单一洞室，当超 城市的立体交通路网建设。 出ｌ０倍洞室半径的范围内，我们即认为其对于周围的 地铁盾构下穿既有地下车站是线路交叉的一种形 应力场的影响已经可以忽略。如图２所示。 式，对于地铁盾构以及上部车站都具有很高的风险， 对于洞室周围出现塑性区的情况，该塑性区域的 研究此种线路交叉形式所造成的风险的各项控制因 外边界即是弹性区域的边界条件，进而影响到弹性区 素，进而通过有针对性的措施，控制盾构施工对既有 域的应力场，其简化模型如图３所示： 地铁结构的不利影响，提出适应软土地区的下穿模 式，是有其实际意义的。 二、影响因素分析 （一）临近距离 临近距离是下穿盾构对上部车站结构产生影响的 最直接因素。根据弹性理论，对于单一圆形洞室，可 以计算其在不同侧压力系数条件下的应力场影响范 图３弹塑性条件应力模型简化图 日本《既有铁路隧道近接施工指南》一书根据新 围。其简化模型如图１所示： 建构筑物与既有结构之间的临近距离，将研究区域划 １１６ ｏ中圃高新技术企业２０１ １ １２ 分为三个区域：无影响范围、需注意的影响范围、必 须采取措施的范围。见表１： 表１新建构筑物与既有建筑物影响范围划分（交叉） 条盾构线路的施工顺序、下穿过程中的压力控制及盾 尾注浆的有效组织、以及不良地质条件的超前预报 与处理等，都最终会反映到对既有车站结构的影响 性上。 三、工程实例 天津地铁５号线与天津地铁９号线于大直沽西路形 成交叉，地铁９号线大直沽西路车站先行施工，５号线 与９号线Ｔ字换乘，盾构出站后下穿９号线车站。 注：表中Ｄ为新建构筑物的垂直高度和水平宽度 该地区地层主要以粉质粘土为主，局部含有细砂 的最大值。 （二）相对位置关系 盾构线路下穿既有地下车站的形式灵活多样，如 垂直下穿、斜交下穿等，同时，盾构线路一般为双洞 双线，其本身也可能有不同的形式，如平行、层叠、 交叉等，这些下穿形式的选取主要取决于线路的设 计，这就形成了盾构与地下车站之间不同的相对位置 关系。总体来说，相对位置关系越简单明确，对于结 构分析与设计越有利，同时风险也越容易控制。 （三）水文地质条件 不同的地层条件及水文条件，决定了盾构临近 施工条件下的位移场及应力场的幅值大小以及分布 状态。 对于处于软岩中的既有车站结构，其周围岩层的 抗变形能力较弱，在同等条件下，相对于硬岩，更容 易受到临近施工的影响。同时，若地下岩性较为复 杂，软硬岩层夹杂出现，会造成既有车站结构在附加 应力场作用下，产生较大程度的差异变形，进而出现 结构破坏或者正常使用功能无法实现的情况。 盾构临近施工是有可能造成研究区域的渗流场发 生变化，相应的会影响到应力场的分布，尤其是在非 稳定流过程中，渗流场从一个状态到另一个状态的过 程中，会产生明显的附加应力场，造成既有车站结构 应力及变形问题。同时土层从含水到无水的过程中， 会出现应力莫尔圆左移的情况，使得土层更接近塑性 状态，从而造成较大的土层变形，影响既有车站结构 的稳定。 （四）施工规模 施工规模的大小，直接控制了其影响范围的大小 以及对既有车站结构影响程度的大小。对于大直径盾 构施工，其影响范围也随之加大，同时其风险也相对 较高。 （五）施工组织 优选良好的施工步续以及施工组织形式，能够在 一定程度上有效减小对既有车站结构的影响性。如两 层和淤泥质粘土层，土质较软，工程性质较差，地下 水位埋深约１ｍ左右。 ９号线车站预先进行了４ｍ的基底加固，并在穿越 部位使用了玻璃纤维混凝土地连墙，以利于盾构的顺 利穿越。如图４所示： 纽衄衄缀盛魑 图４天津某盾构下穿示意图 运用有限元方法，对盾构下穿车站的施工过程进 行模拟，以车站底部变形作为主要考量指标，有限元 模型如图５所示： 图５盾构下穿有限元计算模型 计算结果表明，随着盾构的不断推进，车站底部 的沉降在不断增大，在盾构到达正下方时，其沉降变 化率最大。、如图６所示： 图６车站底特征点随施工过程位移曲线 比较不同地层加固参数的影响，可以看出，随着 ２０ｉ｝．１２ ０中阅高新技术企业１ １７ 加固参数的不断提升，车站底部特征点的沉降也在不 五、结论 断减小，然而，随着加固参数的不断提升，其对于位 软土地区盾构近距下穿既有车站的控制因素较为 移的影响效果也会越来越弱，也即是说，基底加固对 复杂，风险来源多样，并且贯穿于整个施工过程中。 于最终沉降的影响效果是有限的，如图７所示： 从本质上讲，近距下穿造成了研究区域的应力重 分布，进而使得位移场也重新分布。当既有车站结构 处于影响范围内时，就会与地层共同作用，参与进应 力重分布的过程中。在此过程中，如果应力场的重新 分布造成了应力在既有结构处集中，超过了混凝土的 图７不同基底加固参数特征点沉降曲线 承受能力，则会造成混凝土的破坏。或者虽未达到其 对于不同的隧道埋深，可以看出，随着隧道埋深 承受能力，但是由于应力过大而出现了较大的变形， 的加深，也即是临近距离的加大，盾构开挖对于车站 则会影响其正常使用功能。 结构的影响也随之减弱，这是影响近距下穿风险的最 从具体的控制因素来看，临近距离、相对位置关 直接因素。如图８所示： 系、水文地质条件、施工规模、施工组织等都会对近 距下穿对既有车站结构的作用产生影响。其中临近距 离、相对位置关系、水文地质条件和施工规模主要从 内因出发产生影响，施工组织及施工工艺主要从人为 因素及施工过程出发而产生影响。尤其是临近距离和 水文地质条件，是软土地区下穿既有车站形成风险的 图８不同近距特征点沉降曲线 最主要因素，在条件允许的情况下，线路设计要尽量 四、工程措施 保证１倍洞径的近距，同时要做好地层加固的措施。 通过以上分析了软土地区盾构近距下穿车站结构 除此之外，综合考虑以上的各项因素，才能够有效的 的各项影响因素，有针对性的采取工程措施，能够有 减小盾构下穿对既有车站结构带来的不利影响，实现 效的控制风险。 、 风险控制的目的。ｏ １．在线路设计过程中，综合考虑，尽量加大临 近距离。根据单一圆形洞室弹性条件下的应力分析， 参考文献 建议在条件允许的情况下，近距不宜小于１倍洞径。 ［１徐志英．岩石力学（第三版）【１］Ｍ］．北京：水利水电出版社， ２．在路网设计过程中，在线路交叉的部位，尽 １９９３． 量使线路间垂直交叉，使线路交叉关系明确，为结构 ［２】郭栋．北京地铁盾构隧道近接施工技术研究【Ｄ】．北京 设计提供条件。 交通大学硕士学位论文，２００８． ３．先行结构的设计及施工，应充分考虑后续下 ［３】王眷辉．地Ｔ＿Ｚ－程临近既有地铁施工安全性影响评价研 穿的影响，预留穿越条件，如事先进行地基加固、施 究匹）］．北京交通大学硕士学位论文，２０１１． 做保护桩、保护桥架等。 ［４】郑傻杰，包德勇，等．铁路隧道下穿既有高速公路隧道施 ４．盾构施工过程中，要密切关注下穿既有结构 工控制技术研究Ⅱ】．铁道工程学报，２００６，（８）． 时的变位情况，及时调整盾构推进压力、注浆压力等 【５］刘镇，房明，周翠英，史海欧，等．交叉隧道施工中新建 各项参数。 隧道周围复合地层与间距对既有隧道的沉降影响研究 ５．增加超前注浆系统，在穿越风险点时对软弱 【刀．工程地质学报，２０１０，１８（５）． 地层进行超前加固，并及时完成盾尾二次注浆。 ６．加强穿越风险点前后的监测强度，并在穿越 作者简介：荔强（１９８６一），男，甘肃庆阳人，铁道第三勘察 之后，监测需继续一段时间，直至各项指标趋于稳 设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：地下工程 定。 及磐石力峰ｏ ７．建立信息化集成系统，对数据进行及时有效 的分析，预判施工过程中的风险情况。同时做好施工 （责任编辑：文森） 组织设计，消除非必要风险。 １１８ ｏ中固高新技术企业２０１ ｌ １２
