盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究

岩石力学与工程学报 Vol.28 Supp.1

2009年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2009

盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究

李东海1，刘 军1，萧 岩1，关 龙2，孔 恒2，丁振明1

(1. 北京市市政工程研究院，北京 100037；2. 北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045)

摘要：结合工程实例对盾构隧道斜交下穿既有地铁车站的相互影响进行分析，同时通过穿越过程中的施工参数、结构变形监测数据等方面的分析，研究穿越中关键施工参数的选取和对既有车站的影响。控制盾构掘进参数，合理设定推进力、推进速度和土压力，加强同步注浆和二次补浆是控制既有地铁结构变形的有效措施。另外，通过实测数据分析总结既有车站结构变形规律，此次一端斜交下穿使得既有结构变形由垂直下沉变为扭转下沉，结构侧墙半槽形沉降曲线表明结构变形对列车的行车安全造成很不利的影响。研究结果为今后类似的下穿既有地铁设计和施工提供了参考。

关键词：隧道工程；盾构隧道；斜交穿越；既有地铁；结构变形；监测

中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增1–3186–07

RESEARCH ON INFLUENCE AND MONITORING OF SHIELD TUNNEL OBLIQUELY CROSSING BENEATH EXISTING SUBWAY STATION

LI Donghai1，LIU Jun1，XIAO Yan1，GUAN Long2，KONG Heng2，DING Zhenming1

(1. Beijing Municipal Engineering Research Institute，Beijing 100037，China； 2. Beijing Municipal Engineering Group Co.，Ltd.，Beijing 100045，China)

Abstract：The influence of existing subway station on the construction of beneath oblique shield tunnel is analyzed based on engineering case. At the same time，the key construction parameters are researched by the analysis of construction parameters and monitoring data of structure deformation. By the analysis of monitoring data，the rule of structure deformation is obtained. It is useful reference for similar projects in future.

Key words：tunnelling engineering；shield tunnel；obliquely crossing；existing subway；structure deformation；monitoring

1 引 言

随着城市现代化的进程，地下轨道交通呈现快速发展的趋势，以满足城市发展的需要。很多大中型城市出现越来越多的地下交通工程交叠设计、交叉施工、相互影响的局面。新建线路穿越既有线路成为大家关注的重点，并且根据实际工程进行了大量的研究。同时，对于盾构施工引起的土层位移及对周边环境的影响也进行了大量的研究并获得了丰

收稿日期：2009–02–09；修回日期：2009–03–13

硕的成果[1

～10]

。戴宏伟等[11]通过对地面新施工荷载

对临近地铁隧道纵向变形的影响研究，提出了地铁隧道结构绝对最大位移不能超过20 mm，且当荷载中心与隧道中心的水平距离大于32 m时，就能够满足最大位移不超过20 mm的要求。李东海等[12]也曾以北京地铁五号线雍和宫车站下穿既有的二号线为例，就浅埋暗挖隧道穿越既有地铁线路的实时动态监测进行分析，总结了既有结构沉降数据在不同的施工阶段达到的变形程度，并为类似的近接施工提出了监测建议。目前在新建隧道与既有隧道相互影

作者简介：李东海(1977–)，男，硕士，2000年毕业于中国地质大学(北京)建筑工程专业，现为工程师，主要从事隧道及地下工程方面的研究工作。E-mail：sidenli2000@163.com

第28卷 增1 李东海，等. 盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究 • 3187 •

响方面也已有很多研究成果[13

～16]

。但是，北京地区

表1 新建盾构隧道穿越既有车站段岩性表

Table 1 Lithology table of the new shield tunnel crossing the

existing subway station

地层分类 人工堆积层

地层序号 ① ①11 ③1～⑥2 ⑦1

地层岩性 粉质黏土填土 杂填土 粉质黏土 细中砂

盾构隧道斜交穿越既有地铁车站的情况并不多见，本文结合工程实例对盾构隧道斜交下穿既有结构的变形进行了总结，同时对下穿段的施工参数进行了分析，并提出了有益的建议。

2 工程概况

土城东路站—芍药居站区间位于规划的土城北路下方，东起地铁五号线北土城东路站西端，由西向东下穿惠新东街、城铁十三号线芍药居站、京承高速公路，西至十号线芍药居站。区间隧道高程范围内地层主要为第四纪全新世冲洪积层：粉土层、粉质黏土层、黏土层和粉细砂层(见图1和图表1)，地下水主要为地表浅层滞水和潜水。新建隧道采用盾构法施工，隧道直径为6 000 mm，普通衬砌环结构，环宽1 200 mm，由6块预制钢筋混凝土管片错缝拼装构成。盾构隧道区间线路中间距13 m，在里程K12+500～K12+525范围内下穿城铁十三号线芍药居车站的南端，由东向西进行穿越掘进，见 图2，3。

42

①

40383634高程/m 323028262422

④1

⑤2 ⑥1 ③1

④2④

③ ③ ③2

①1③1

第四纪沉积层

N

十三号线芍药居站

轨道

盾构井

京承高速

十号线盾构区间隧道

图2 新建盾构隧道穿越既有车站相互关系平面图 Fig.2 Plan of relative position between existing subway

station and new shield tunnel

地面(43.10) C10混凝土垫层厚100

城铁十三号线芍药居站筏板基础基础底面(40.905)

4009 0009 000

高程单位：m

尺寸单位：mm

4 510 300 6 000 4009 215 ⑤1

⑥2

图1 新建盾构隧道穿越既有车站段地质剖面图 Fig.1 Geologic section of the new shield tunnel crossing

existing subway station

300 390

新建盾构隧道

0.3% 轨顶(26.880)

2 195

图3 新建盾构隧道穿越既有车站相互关系剖面图 Fig.3 Section of relative position between existing subway

station and new shield tunnel

3 影响范围的理论预测

对于新建地铁线路下穿既有地铁线路这样的交叉近接施工，主要从两个方面考虑施工的影响：既有地铁结构的纵向变形程度和地铁结构的纵向变形

范围。地铁结构的纵向变形程度只能通过工程类比或者数值模拟的方法进行预测，而地铁结构的纵向变形范围却可以通过Terzaghi公式进行估算。通过盾构隧道的外轮廓作45°斜线作为土体的潜在破裂

• 3188 • 岩石力学与工程学报 2009年

滑移面，与既有地铁结构轴线相交便可确定既有地既有地铁结构受影响的范围约为32 m。

推进速度/(mm·min1) －铁结构受纵向影响的范围。通过以上计算，可确定

4 新建盾构隧道施工参数控制分析

新建隧道采用盾构法施工，在施工过程中，掘进参数选取成为控制既有地铁结构变形的关键措施之一。由于地铁的运营对线路的几何形态提出了很高的要求，所以对结构变形需要进行严格的控制。在本次工程中采用了匀速推进，减少偏差，合理设定土压，及时同步注浆的施工原则，最终实践证明参数的选取是正确的。在穿越施工过程中的重要参数变化和控制见图4～7。

环数

图6 新建盾构隧道穿越既有车站推进速度变化曲线 Fig.6 Variable curve of pushing velocity during new shield

tunnel crossing existing subway station

土压力/MPa 设定土压力 实际土压力

环数

图7 新建盾构隧道穿越既有车站土压力变化曲线

图4 新建盾构隧道穿越既有地铁车站总推力变化曲线 Fig.4 Variable curve of total thrust during new shield tunnel

crossing existing subway station

Fig.7 Variable curves of earth pressure during new shield

tunnel crossing existing subway station

5.2 结构沉降测点布设

结构沉降测点参照规范[17]的要求进行安装布设，确保监测数据能够准确反映既有结构的变形。根据要求在车站结构四角和变形缝及部分柱基上布设了测点，具体的测点布置按照相关规范[18]要求进行，见图8。 5.3 现场监测的实施

由于该工程为特级风险源，对于监测实施提出

推进总油压/MPa

图5 新建盾构隧道穿越既有地铁车站推进总油压变化曲线 Fig.5 Variable curve of total oil pressure during new shield

tunnel crossing existing subway station

了较高的要求。鉴于此，在本工程中采用了精度为0.3 mm/km的蔡司精密水准仪。按照高于一般监测要求的监测频率进行了监测：在距离穿越面大于 12 m时为1次/d；进入穿越范围后为1次/环；穿越结束后，参照沉降数据变化情况，降低频率至1次/ (3d)；监测3个月后，降低监测频率至1次/月，直至数据变化稳定。

5 既有地铁结构沉降监测

5.1 盾构隧道施工概况

2005年6月1日停止施工，准备穿越城铁；2005年6月10日推进第58环开始第一次穿越掘进，至6月19日穿越掘进施工结束。但为了控制既有车站结构的变形，采取了注浆补强等措施，进行后期监测，直至2007年12月，结构变形稳定停止监测。

6 监测数据分析

6.1 既有车站结构东侧墙监测数据分析

首先对东侧墙QS501～QS511测点的沉降变化进行分析。东侧墙结构沉降典型变化曲线如图9，10

第28卷 增1 李东海，等. 盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究 • 31 •

QS601 QS602 QS603QS604

QS605

QS606

QS607

QS608

QS609

结构沉降测点

新建隧道

既有地铁车站结构

QS501

QS502 QS503 QS504 QS505 QS506QS507

QS508QS509QS510QS511

图8 新建盾构隧道穿越既有车站结构变形测点布置

Fig.8 Layout of measuring points for structure deformation during new shield tunnel crossing existing subway station

1.00.0―1.0―2.0沉降量/mm ―3.0―4.0―5.0―6.0―7.0―8.0

―20.0 第80环 第88环 第95环 第81环 第环 第96环 第82环第90环第97环―15.0

―10.0 ―5.0

第84环第85环第83环 第93环第91环第92环 第99环 结构南侧下沉量较大，整个结 构向南倾斜。由于结构基础为 筏形基础，盾构轴线距南侧较 近，曲线呈现半槽形 0.05.010.0

距隧道轴线中心距离/m

第86环 第94环 第87环6月15日第80环开始，盾尾已过东墙始，盾尾已过东墙6 m，由于地基被扰动，结构一直下沉 15.0 20.0 25.0

图9 既有地铁车站东侧墙结构沉降典型变化曲线(2005年6月15～18日)

Fig.9 Typical variable curves of structure settlement at east sidewall of existing subway station from June 15 to 18，2005

距隧道轴线中心距离/m

―20.0 0.0

―15.0 ―10.0 ―5.00.0―2.0―4.0沉降量/mm 6月19日09：216月19日11：53 6月19日12：18 6月19日19：336月19日21：34 6月19日23：00 6月20日09：41 ―6.0―8.0―10.0―12.0 5.010.015.0 20.0 25.06月20日10：446月20日16：056月21日09：456月21日16：166月21日21：326月22日09：376月19日停止施工后，东墙下沉减缓，平均每天沉降速率小于1 mm 图10 既有地铁车站东侧墙结构沉降典型变化曲线(2005年6月19～22日)

Fig.10 Typical variable curves of structure settlement at east sidewall of existing subway station from June 19 to 22，2005

• 3190 • 岩石力学与工程学报 2009年

所示。

在6月15日之前，由于盾构掘进面距离结构较远，结构沉降速率低，沉降不太明显，最大沉降值为2.4 mm。6月15日推进到第80环后，结构沉降速率逐渐加快，沉降速率最大达到2.5 mm/d，一直持续到6月16日晚，最大沉降值达到5.8 mm。由于6月16日二次注浆的作用，6月17日测量结果表明，结构有了一定回升，但随后仍继续下沉，在盾构继续从第93环推进到第99环时，结构下沉速率一直较高，平均在2 mm/d左右。在6月18日盾构推进到第99环并停止时，最大沉降达到了8.0 mm。6月19日之后，沉降明显减缓。在此阶段，除个别测点个别时间测量速率偏大外，大部分测点

0.0 的沉降速率在1 mm/d以下。最大沉降发生在既有车站的南侧，为9.8 mm。此后，结构东墙沉降以一个较低速率下沉，趋近稳定，直至2007年12月，测得沉降最大值为10.7 mm，所有测点近100 d沉降速率均小于0.01 mm/d。另外从结构沉降的断面角度来看，既有筏型基础呈现较强的整体性，使得断面曲线成为较陡半槽形并在后期演变成为较平滑的半槽形。

6.2 既有车站结构西侧墙监测数据分析

对于西侧墙的结构沉降与东侧墙有些类似，但由于新建盾构隧道与既有车站斜交，穿越位置与东侧墙有所不同，结构沉降也呈现出不同的特点，如图11，12所示。

―2.0

―4.0

―6.0

―8.0

―10.0

―12.0

―10.0

―5.0

西墙北侧测点沉 降变化不大，在2 mm范围内 第86环 第87环 第88环 第环 环盾尾过西墙，沉91第90环降加剧，99环时候盾 第91环尾离开西墙10 m左右第93环 第95环西墙南侧测点沉降变化 第97环大，6月16～18日停止施工，最大沉降达到10.7第99环 mm 10.00.0 5.015.020.0

距隧道轴线中心距离/m

沉降量/mm 25.0

图11 既有地铁车站西侧墙结构沉降典型变化曲线(2005年6月16～18日)

Fig.11 Typical variable curves of structure settlement at west sidewall of existing subway station from June 16 to June 18，2005

0.0 －2.0 －4.0 沉降量/mm －6.0 －8.0 －10.0 －12.0 －14.0 －10.0

6月19日19：33 6月21日21：32 6月20日16：05 6月20日09：41－5.0 0.0

6月19日21：34 6月22日09：376月21日09：45 6月21日16：16 6月19日停止施工后，西墙下沉减缓，平均每 天的沉降速率小于1 mm 6月19～22日，西墙各 测点下沉趋缓，断面呈 现挠曲沉降 5.015.020.0

10.0

距隧道轴线中心距离/m

25.0 30.0

图12 既有地铁车站西侧墙结构沉降典型变化曲线(2005年6月19～22日)

Fig.12 Typical variable curves of structure settlement at west sidewall of existing subway station from June 19 to 22，2005

第28卷 增1 李东海，等. 盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测研究 • 3191 •

在6月15日推进84环之前，结构沉降速率低，沉降不太明显，最大沉降2.3 mm。6月15日推进到第85环后，结构沉降速率逐渐加快，每天沉降速率最大达到4 mm/d，一直持续到6月16日晚，最大沉降达到7 mm。由于6月16日的二次补浆的作用，6月17日测量结果表明结构沉降有了一定回升，最大值回升到了6.5 mm。但随后仍继续下沉，并且下沉速率大。在盾构从第93环继续推进到第99环时，结构下沉速率一直较高，为1～2 mm/d。6月18日盾构推进99环后停止时，最大沉降达到了10.7 mm。盾构停止推进后，6月19～25日，沉降明显减缓。但是由于6月26日在距离西侧墙1 m外进行了加载，堆载了13 m×12 m×3 m(长×宽×高)的覆土，与结构荷载基本相等，导致结构西墙南侧出现了较大的下沉，沉降量增加了约2 mm。其后沉降比较平缓，截至2007年12月，测得最大沉降值为13.8 mm，所有测点100 d平均沉降速率均小于0.01 mm/d。另外西侧墙的结构沉降曲线呈现悬臂挠曲形状，基本体现了结构在一端受力的变形状况，这可能是由于穿越位置在既有结构的西南角有关。由于东侧墙和西侧墙的沉降速率和最终沉降值存在较大差异，表明了在新建盾构隧道穿越施工过程中既有车站结构发生了沿既有车站纵向较大的扭转。但根据对结构的监测，并未发现新的裂缝产生，这也表明了既有车站的框架结构整体性较好。

[3] [2]

的西侧墙表现为悬臂挠曲曲线，较强的体现了结构在一端受力的特性。在穿越位置靠近一端的东侧墙则表现为半槽形，体现结构的整体性。这一点与盾构施工引起的土体Peck曲线差异很大。

(4) 在本工程中通过监测监控准确掌握了既有地铁车站在新建盾构隧道施工过程中的变形状况，通过同步注浆、二次补浆等辅助变形控制措施将变形控制在安全范围内，确保了在顺利修建新线路的同时，将对既有线路的影响降至最小，为类似的穿越工程提供了有益的经验。 参考文献(References)：

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7 结 论

结合工程实例和实测数据的分析，对斜交下穿既有车站的结构变形规律进行了研究，结合施工情况可以得出以下结论：

(1) 在新建盾构隧道下穿既有车站的设计中，穿越位置是控制既有结构沉降的重要影响因素之一，正如本文中的西侧墙比东侧墙沉降值大于3 mm。选择合理的穿越位置，充分利用结构本身的整体性可以很好地减小既有结构的沉降变形。

(2) 在新建盾构隧道下穿既有车站的施工中，施工参数的选择十分重要。对于短距离的斜交或者正交穿越，可以采用合适土压。较快的掘进速度快速通过既有结构段，在减少土体扰动的同时，可以为后续的二次补浆等变形控制措施提供施作空间。

(3) 通过实测数据分析，在不同的穿越位置下，整体结构变形的形态是不同的。在穿越位置在一端

• 3192 • 岩石力学与工程学报 2009年

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