《地鐵盾構法隧道下穿工程》針對近年來大量出現(xiàn)地鐵盾構法隧道下穿鐵路和其他既有建筑物所面臨的工程風險，從設計理論和施工控制技術兩方面系統(tǒng)闡述下穿工程涉及的理論問題和實踐問題。《地鐵盾構法隧道下穿工程》共12章，包括下穿施工對環(huán)境的影響、下穿施工變形分析、輔助措施、施工監(jiān)測、設備管理、設計方法和工程實例等。《地鐵盾構法隧道下穿工程》具有如下特點：在設計理念上將傳統(tǒng)下穿工程以被動防護為主改為主動控制；在技術措施上將單一措施改為系統(tǒng)控制；將控制應力釋放作為下穿安全的基本原理。
城市軌道交通工程、隧道及地下工程領域的相關技術人員，相關專業(yè)的研究生
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 我國軌道交通的規(guī)劃建設概況 1
1.2 下穿類型 3
1.3 下穿施工面臨的問題 4
1.4 本書的宗旨 5
第2章 下穿施工的影響 6
2.1 下穿施工的特點 6
2.2 下穿建筑物 6
2.2.1 下穿多層建筑 7
2.2.2 下穿高層建筑 7
2.2.3 下穿廠房高塔等其他建筑 9
2.3 下穿交通線 10
2.3.1 下穿普通鐵路 10
2.3.2 下穿高速鐵路 13
2.3.3 下穿既有地鐵盾構法隧道 17
2.4 下穿管線 19
2.5 特殊河流 24
第3章 盾構穿越施工變形 30
3.1 盾構掘進施工變形的影響因素 31
3.1.1 盾構超挖 31
3.1.2 掘進參數(shù) 34
3.1.3 地層特性 37
3.2 基于應力釋放的盾構掘進施工變形計算 39
3.2.1 盾構掘進施工中的應力釋放 39
3.2.2 開挖應力釋放計算法 40
3.2.3 開挖應力釋放的有限元計算方法 46
3.3 位移法計算開挖施工變形 52
第4章 盾構下穿施工變形控制 55
4.1 開挖面處應力釋放與控制 55
4.1.1 土倉壓力設定影響因素分析 56
4.1.2 盾構掘進面應力釋放控制方法 57
4.2 超挖時應力釋放與控制 61
4.2.1 超挖刀的選用 61
4.2.2 超挖量控制方法 63
4.2.3 盾構機靈敏度選擇 66
4.2.4 盾構鉸接選擇 67
4.3 盾尾間隙的應力釋放與控制 70
4.3.1 同步注漿 71
4.3.2 二次注漿 80
第5章 下穿施工輔助措施 83
5.1 盾構機姿態(tài)控制 83
5.1.1 盾構機糾偏計算 84
5.1.2 盾構機姿態(tài)優(yōu)化控制 91
5.2 土體和渣良 93
5.2.1 常見改良劑及其機理 93
5.2.2 土體和渣良試驗 96
5.3 主動預加固 99
5.3.1 地基預加固 99
5.3.2 結構預加固 102
第6章 下穿施工信息采集 104
6.1 下穿施工信息特征 104
6.2 下穿施工信息采集方法 106
6.2.1 人工信息采集 107
6.2.2 自動化信息采集 108
6.3 下穿鐵道 112
6.3.1 鐵道軌面監(jiān)測 113
6.3.2 測點布置方法及原則 116
6.3.3 鐵道橋墩變形監(jiān)測 121
6.4 下穿建筑物 124
6.4.1 沉降監(jiān)測 125
6.4.2 傾斜監(jiān)測 125
6.4.3 裂縫觀測 126
6.5 施工信息處理128
6.5.1 測量誤差的處理 129
6.5.2 變形信息分析預測 133
6.6 施工信息管理 134
第7章 下穿施工管理 136
7.1 施工設備管理 136
7.1.1 盾構機 136
7.1.2 加固設備 141
7.1.3 監(jiān)測設備 145
7.2 施工技術措施管理 146
7.2.1 流程管理 146
7.2.2 工序管理 147
7.2.3 工藝管理 148
7.3 施工風險管理 149
7.3.1 風險識別 149
7.3.2 風險評估 151
7.3.3 風險管控 158
第8章 下穿建筑物 159
8.1 下穿建筑物的分類 159
8.1.1 按照建筑結構特點分類 159
8.1.2 按建筑物與隧道的空間關系分類 165
8.2 下穿建筑物的工程分級 166
8.2.1 下穿工程分級的影響因素 167
8.2.2 下穿工程分級方法 167
8.3 下穿區(qū)段建筑物附加應力計算方法 170
8.3.1 豎向集中力作用下土的附加應力 170
8.3.2 集中力作用下土中其余應力分量計算 170
8.3.3 均布條形分布荷載下土中應力計算 171
8.3.4 成層地基中附加應力的分布規(guī)律 172
8.4 下穿深基礎建筑物 176
8.4.1 樁基的分類 176
8.4.2 承載力損失估算與附加沉降計算 178
8.4.3 樁基切割 178
8.4.4 樁基托換 183
8.5 下穿建筑物區(qū)段的施工參數(shù)控制 185
8.5.1 土倉壓力計算 186
8.5.2 不同方式穿越單個建筑物時的土倉壓力變化 186
8.5.3 不同方式穿越建筑群時的土倉壓力變化 190
8.5.4同步注漿量計算 191
8.5.5同步注漿壓力計算 195
第9章 下穿鐵道 197
9.1鐵道的技術條件197
9.1.1 鐵道等級 197
9.1.2 線路狀況 198
9.1.3 線路類型 198
9.2 行車平穩(wěn)性與安全性指標 199
9.2.1 行車安全性評價指標 199
9.2.2 行車平穩(wěn)性評價指標 201
9.3 下穿施工變形與軌面變形的對應關系 201
9.3.1 既有的軌道不平順 201
9.3.2 下穿施工引起的軌面變形計算 204
9.3.3 疊加施工引起的軌面變形的軌道不平順 210
9.4 施工期鐵道行車速度目標值控制 211
9.4.1 車輛-軌道耦合動力學模型 211
9.4.2 施工變形對車輛運行安全性和舒適性的影響 213
9.5 下穿施工的安全保障 222
第10章 土壓平衡盾構下穿大型江河湖泊 224
10.1 盾構法隧道下穿江河湖泊面臨的問題 224
10.1.1 盾構法隧道下穿含沼氣層 224
10.1.2 盾構法隧道下穿高水壓地層 226
10.1.3 盾構法隧道長距離下穿砂層 228
10.1.4 盾構法隧道下穿高強度砂卵石、圓礫地層 228
10.1.5 盾構法隧道淺覆土下穿河床 229
10.2 盾構法隧道穿越含沼氣地層的處理措施 229
10.2.1 盾構掘進施工前對線路影響范圍沼氣進行預釋放處理 230
10.2.2 施工期的安全措施 231
10.3 盾構法隧道水下長距離掘進的防突水措施 235
10.3.1 長距離掘進的螺旋輸送機保壓 236
10.3.2 盾構機尾部密封刷長距離防水控制 246
10.4 土壓平衡盾構穿越大型江河湖泊掘進系統(tǒng)減磨 249
10.4.1 盾構掘進系統(tǒng)減磨原理 249
10.4.2 盾構掘進系統(tǒng)減磨處理 251
10.5 土壓平衡盾構下穿大型江河湖泊隧道質量控制 256
10.5.1 局部特殊地段盾構法隧道管片上浮控制 256
10.5.2 盾構法隧道管片接縫高防水能力 258
第11章 下穿工程設計方法 260
11.1 下穿結構的線位和線型設計 260
11.1.1 下穿結構的線位設計 260
11.1.2 下穿結構的線型設計 267
11.2 變形控制指標 271
11.2.1 變形控制指標的個性化設計 272
11.2.2 以規(guī)范為基礎的變形指標設計 273
11.2.3 下穿鐵道 273
11.2.4 下穿建筑物 277
11.2.5 下穿其他結構物 278
11.3 變形協(xié)調控制 279
11.3.1 下穿建筑物的協(xié)調變形控制 281
11.3.2 下穿普通鐵道 282
11.3.3 下穿高速鐵道 283
11.4 下穿工程的輔助措施設計 283
11.4.1 施工安全控制的主動加固 283
11.4.2 運營階段減振措施 288
11.4.3 被動性措施 294
11.5 方案設計要點 298
11.5.1 方案設計目標 298
11.5.2 技術措施對比分析 299
11.5.3 施工工藝設計 300
11.5.4 安全監(jiān)控設計 301
第12章 下穿工程案例 303
12.1 下穿Ⅰ級鐵路干線 303
12.1.1 工程概況 304
12.1.2 技術特點及控制標準 306
12.1.3 主動預加固設計理念 306
12.1.4 主動注漿預加固方案設計 308
12.1.5 盾構掘進控制 312
12.1.6 實施效果 314
12.2 下穿高速鐵路 316
12.2.1 工程概況 317
12.2.2 技術特點及控制指標 319
12.2.3 下穿方案設計理念 319
12.2.4 變形阻隔方案設計 320
12.2.5 盾構掘進控制 322
12.2.6 實施效果 323
12.3 下穿鐵路樞紐 325
12.3.1 工程概況 325
12.3.2 技術特點及控制指標 329
12.3.3 方案設計理念 329
12.3.4 設計方案 330
12.3.5 盾構掘進控制 332
12.3.6 實施效果 332
參考文獻 335
第1章 緒論
我國于1953年首次采用φ2.66m手握式盾構機在遼寧阜新煤礦修建疏水巷道，1957年又在北京分別采用φ2.0m和φ2.6m手握式盾構機修建了下水管道，1962年在上海塘橋試驗基地試推了φ4.2m手握式普通敞胸盾構機，1965年又在上海02工地試推了φ5.8m網(wǎng)格擠壓式盾構機。上述工作對我國盾構法隧道的發(fā)展起到了非常重要的推動作用。1966年，我國條越江盾構交通隧道正式于上海打浦橋開建，該工程采用φ10.22m網(wǎng)格擠壓式盾構機。我國地鐵工程的盾構法隧道于1980年在上海曹溪河地鐵試驗段開工，采用φ6.4m網(wǎng)格擠壓式盾構機。1990年，上海軌道交通1號線正式采用φ6.43m土壓平衡盾構機開工建設，此后盾構法在我國得到了飛躍式發(fā)展。迄今，我國已建成地鐵盾構法隧道近3000km，在今后的若干年里仍將以每年數(shù)百公里的建設速度快速發(fā)展。目前，我國已經(jīng)是世界上的盾構法隧道運營和建設國家。
1.1 我國軌道交通的規(guī)劃建設概況
截至2015年底，我國內(nèi)地已有北京、上海、廣州、天津、重慶、佛山、深圳、武漢、南京、沈陽、長春、哈爾濱、大連、長沙、鄭州、寧波、成都、無錫、西安、昆明、蘇州、杭州、南昌、青島、淮安等25個城市共開通93條城市軌道交通運營線，總里程達到3010.6km。其中，隧道里程近2100km，除北京地鐵部分隧道采用淺埋暗挖，哈爾濱地鐵部分隧道利用既有人防工程改建，廣州、深圳、青島和南京地鐵個別區(qū)間采用淺埋暗挖法修建之外，其余均采用盾構法修建。除了上述已開通城市軌道交通運營的25個內(nèi)地城市外，目前在建的城市還有青島、合肥、常州、太原、烏魯木齊、蘭州、南寧、石家莊、廈門、東莞、福州、紹興、昆山等，預計我國需要修建城市軌道交通的城市將超過40個。
我國城市軌道交通的修建始于北京、上海、廣州等特大城市，這類城市除了人口規(guī)模大，也是國家的政治、文化和經(jīng)濟中心。隨著綜合國力的提升，城市軌道交通的建設也由中心向區(qū)域級中心或地區(qū)級中心擴展，形成了龐大的建設市場。此外，我國高速鐵路的快速發(fā)展超越了許多城市發(fā)展規(guī)劃，在短短幾年中建成的高速鐵路網(wǎng)已經(jīng)改變了一些城市的格局，不得不使后建的城市軌道交通面臨穿越運營高鐵的困境。
各地城市軌道交通的規(guī)劃極少有真正長遠的遠景規(guī)劃，以北京市為例，1957年規(guī)劃的城市軌道交通網(wǎng)為兩橫兩縱兩斜一環(huán)共7條線；1983年的規(guī)劃改為四橫三縱一環(huán)共8條線1993年規(guī)劃了8條地鐵線加4條市郊鐵路共12條線；到了1999年又調整為13條線；2003年規(guī)劃了三環(huán)四橫五縱七放射共19條線。上海市的情況也大致相同，20世紀50年代開始規(guī)劃了3條線，1979年調整為四線一環(huán)，1984年進一步調整為4條直徑線、1條半徑線、1條環(huán)線、1條半環(huán)線的7線規(guī)劃。從1990年開始，上海市的軌道交通規(guī)劃基本穩(wěn)定在17～19條線的規(guī)模。
從上述情況可以發(fā)現(xiàn)，無論哪個城市對城市軌道交通的規(guī)劃都是動態(tài)的，每過若干年就需要調整一次，調整的實際效果更多體現(xiàn)在線路數(shù)量的增加和總里程的增加，而這種擴張式的增加勢必會遇到下穿已有的重要建(構)筑物。以杭州地鐵1號線為例，圖1.1是杭州地鐵1號線的"Y"字形線路走向。線路由南至北先在蕭山區(qū)下穿滬昆鐵路，接著穿越錢塘江，然后在鐵路杭州城站下穿17股道的站場和站房，到了艮山門下穿26股道的鐵路編組站，再下穿滬昆鐵路的杭州東站，后在余杭區(qū)下穿行車速度為300km/h的滬杭高鐵(設計速度350km/h)，從城站到艮山門區(qū)段將穿越老杭州城區(qū)。老杭州城區(qū)的特點是街道狹窄、歷史建筑物密集。杭州地鐵線路施工的困難在于上述這些穿越工程。
圖1.1杭州地鐵1號線"Y"字形線路走向
1.2 下穿類型
城市軌道交通的盾構法隧道在地層中穿越施工會遇到各種形式的下穿工程，就一般工程而言，下穿施工只需進行常規(guī)的控制，但對于一些重要或特殊的建(構)筑物，由于其重要性或對變形的敏感性，因此需要采取特別嚴格的施工措施才能保障下穿施工的成功完成。此外，對某些工程來說，下穿施工僅僅是一方面，更重要的是施工完成之后，軌道交通車輛運行與被穿體之間存在某種復雜的相互影響，這種持續(xù)且長期的相互影響會對運行造成無法想象的危害，這也是下穿工程所必須面對的。
下穿工程的類型可以根據(jù)幾種不同的方式進行劃分：根據(jù)被穿體的不同，可以分為下穿交通線、下穿建筑物(單體)、下穿建筑群、下穿管線、下穿堤壩、下穿特殊的河流等；根據(jù)盾構法隧道與下穿體之間的平面幾何關系，可以分為正交下穿、斜交下穿、小角度斜交下穿、部分下穿、切角下穿、側下穿等；根據(jù)埋深關系，可以分為淺埋下穿和深埋下穿。
盾構機從橋墩側面穿越、從堤壩下穿越或從建筑物下穿越，所產(chǎn)生的變形可以形象地表示為圖1.2所示的情況，很顯然，變形的大小與施工控制、土層等諸多因素有關。
圖1.2下穿施工的影響
工程地質條件對下穿方案的影響至關重要，是決定下穿施工措施乃至后續(xù)運營條件的重要因素。因此，在下穿工程分類時，需要考慮地質條件的特性。根據(jù)已有的實踐，下穿工程所處的地層特性可以分為軟黏土、黏土、軟巖、復合地層和硬巖五類。其中，軟黏土又可以進一步細分亞類：高靈敏性淤泥質土層、淤泥質土層、易液化土層等。軟黏土由于強度低，地層損失難以控制，從而引起的變形量比較大，是下穿工程需要研究的重點。
1.3 下穿施工面臨的問題
下穿施工面臨的根本問題是變形控制。變形控制需要根據(jù)被下穿結構的特征，分量和相對量兩個方面進行控制。當量控制得非常嚴格時，相對量便自然滿足要求。當某些條件下量難以嚴格控制時，相對量的控制就顯得尤為重要。相對量的控制要從隨著盾構掘進動態(tài)移動的三維沉降盆來考慮差異沉降的控制方面入手。以下穿鐵路為例，如圖1.3所示，隨著盾構臨近線路，兩根鋼軌會發(fā)生差異沉降，這是對行車安全為不利的。
圖1.3某隧道下穿路基時鋼軌差異沉降
無論是對沉降的控制還是差異沉降的控制，都要根據(jù)被穿結構的抗變形要求制定合理的控制值，這是下穿施工的關鍵。合理變形控制值的確定是非常困難的，因為在此次下穿施工之前，難以確定此前有多少次工程行為對結構物產(chǎn)生過影響。也就是說，下穿施工之前結構的已有變形是個未知量，這需要對結構物的狀態(tài)進行綜合判斷。
變形控制的難易很大程度上取決于地層的工程特性和力學性質以及特定地層條件下盾構機型和配置的選擇。隨著施工機械化程度的不斷提高，設備的適應性常常影響工程的成敗。就盾構施工下穿而言，刀盤與面板的形式、開口率和刀盤的配置、同步注漿管路系統(tǒng)的設置以及注漿泵的數(shù)量和容量，都會影響施工中變形控制的效果，這些工作都是在下穿施工之前必須考慮的。
解決了施工機械的配置之后，接著需要研究的是施工參數(shù)。相同的裝備在不同的土層中，應該對應不同的施工參數(shù)；相同的土層采用不同的施工機械時，也應該采用不同的施工參數(shù)；此外，隧道的線型也對施工參數(shù)的選擇有所影響。除上述因素外，被穿結構與土層之間的作用特性對施工參數(shù)的確定也會產(chǎn)生影響。所以施工參數(shù)的正常確定是下穿施工中的一個重要環(huán)節(jié)，以前的施工主要靠經(jīng)驗，由經(jīng)驗上升到科學，這是工程師和科學家所要解決的問題。
有了合適的施工機械和合理的施工參數(shù)，還必須保障在實施中能夠貫徹和執(zhí)行，這是下穿施工中不可忽視的環(huán)節(jié)。要解決這一問題，需要從信息化、管理和監(jiān)管三方面著手。信息化施工是現(xiàn)代施工的一大特征，它不僅能夠提供施工所需要的各種信息數(shù)據(jù)，更重要的是能夠為管理和監(jiān)管提供科學依據(jù)。除了組織構架和規(guī)章制度，管理還應該有內(nèi)在的技術理念、應變處置等方面的內(nèi)容，這與隊伍的總體素質密切相關。監(jiān)管是獨立于施工和監(jiān)理的機構。
信息化技術一方面需要不斷地引入新技術，另一方面需要實現(xiàn)信息化的取點更加合理和，尤其是對于下穿鐵路等具有動力響應的結構物，信息點的布置是相當重要的。
1.4 本書的宗旨
在過去的20年中，我國是世界上的盾構法隧道施工市場，20年前我國的盾構機多數(shù)是進口的。近10年來，我國已經(jīng)逐漸開始合資生產(chǎn)或自行生產(chǎn)盾構機，在今后的20年中，我國依然是世界上的盾構法隧道施工市場。20年前盾構法隧道遇到地表有重要建筑物時，大多采用避讓方式，以犧牲隧道線型為代價，后來逐漸能夠穿越一些比較重要的建筑物。工程的建設總是先易后難、循序漸進的。可以預見，隨著建設規(guī)模的增加，今后盾構法隧道下穿施工的難度將越來越大，數(shù)量也會越來越多。及時對過去的理論方法和技術成果進行系統(tǒng)總結，有助于指導今后的實踐。
本書試圖從系統(tǒng)的理論方法著手，通過下穿施工引起被穿結構的變形和盾構掘進施工原理，來闡述盾構法隧道下穿施工的控制措施和方法，希望從理論上對下穿施工控制給予解釋，如果能夠解答工程師們的某些疑惑，那么作者認為這本書就成功了。
需要指出的是，盾構法隧道下穿工程是一項系統(tǒng)工程，影響因素眾多，而重要的影響因素會隨現(xiàn)場情況的變化而發(fā)生變化，某些前期是次要影響因素，因外部情況變化會轉變成主要影響因素；相反，某些前期是主要影響因素，由于外部條件的變化也會降為次要因素。工程人員只有熟知原理，及時掌握施工現(xiàn)場的動態(tài)，才能因時、因勢采取針對措施，使施工按照預想的軌跡進行。
第2章 下穿施工的影響
下穿施工與其他隧道工程的區(qū)別在于：下穿工程必須保障被穿體的安全和功能。換言之，被穿體的結構特征與功能直接決定了下穿施工的控制要求，而不同的控制標準決定了不同的技術措施。因此，需要先討論下穿施工對被穿體的影響問題。
2.1 下穿施工的特點
下穿施工具有以下特點：
(1)與其他隧道工程的施工相比，下穿施工對變形的控制更為嚴格，需要更高精度的變形計算理論。
(2)因為變形控制嚴格，在下穿施工時需要更為精細的施工控制方法，對施工設備而言，應該采用智能化的裝備，以提高實際的控制效果。
(3)需要更高精度的變形監(jiān)控量測方法，以保障下穿施工的順利進行。
可見，適應小變形控制貫穿于下穿施工全過程。另外，由于被穿體的不同，在穿越區(qū)產(chǎn)生的附加應力也不相同。例如，房屋建筑僅產(chǎn)生靜止附加力，穿越鐵路就面臨列車產(chǎn)生的振動附加力，這兩者對施工的影響也不相同。反之，由于被穿體的不同，對穿越施工產(chǎn)生的變形控制要求也各不相同。例如，下穿有砟軌道和下穿無砟軌道相比，由于軌道類型不同，對允許發(fā)生的施工變形值也相差甚大，這就導致因被穿體結構類型和功能不同而對下穿施工控制提出了顯著差別的要求。因此，必須從下穿施工對不同被穿體的影響著手，討論下穿施工對環(huán)境影響的問題。
2.2 下穿建筑物
下穿建筑物施工產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在建筑物的變形方面，于是建筑物的類型、結構特征、使用年限等均要逐一考慮。對于建筑物的類型，要區(qū)分多層、高層，磚混結構和框架結構，還要進一步區(qū)分基礎的類型，如筏板基礎、復合地基、深基礎等，類型不同，對變形的適應要求也不同。下面分別討論下穿施工對不同類型建筑物產(chǎn)生的影響。
