密貼下穿地下工程研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陶連金，劉春曉，許有俊，郝志宏

（1.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；2.內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內(nèi)蒙古包頭 014010；3.北京市城建設(shè)計研究總院有限責任公司，北京 100037）

密貼下穿地下工程研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陶連金1，劉春曉1，許有俊2，郝志宏3

（1.北京工業(yè)大學城市與工程安全減災省部共建教育部重點實驗室，北京 100124；2.內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內(nèi)蒙古包頭 014010；3.北京市城建設(shè)計研究總院有限責任公司，北京 100037）

為深入了解國內(nèi)密貼下穿地鐵建設(shè)的研究進展，對目前國內(nèi)主要密貼下穿工程進行匯總和文獻調(diào)研，圍繞工程特點、施工工法及沉降控制關(guān)鍵技術(shù)、變形內(nèi)力影響規(guī)律和抗震分析幾方面進行總結(jié)，找出了目前國內(nèi)密貼下穿工程中存在的空白點和薄弱點.筆者認為現(xiàn)有研究在不同施工方法的適用性、工法的主要影響因素研究、施工步序的變形分配與受力轉(zhuǎn)換、施工的沉降機理及抗震分析等幾方面仍存在不足，并提出今后的研究方向，以期更好地指導工程實踐.

密貼下穿；施工工法；沉降控制；抗震

近年來大規(guī)模的軌道交通建設(shè)導致新舊結(jié)構(gòu)的交叉穿越難度以及風險越來越大，2050年北京市區(qū)軌道交通線路規(guī)劃圖中，地鐵車站、區(qū)間隧道等空間交錯結(jié)構(gòu)的節(jié)點高達118處［1］.

地鐵交叉穿越傳統(tǒng)的設(shè)計方法是兩結(jié)構(gòu)之間保留2～10 m的夾層土，以減小上層隧道的變形，但這種工法產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形依然很大，已經(jīng)無法滿足地鐵發(fā)展高標準、嚴要求的安全控制需要.根據(jù)目前已建和在建北京地鐵工程，新建線路下穿既有地鐵工程，要求引起的沉降指標均小于3 mm，局部困難地區(qū)甚至提出0 mm沉降的要求［2］.這些指標的提出，均源于軌道交通運營管理公司提出的“新建工程施工不能影響既有運營正常秩序，尤其不得限速”的原則.結(jié)合以上原則，目前較主流的穿越施工方法為新建地下結(jié)構(gòu)頂板與既有地下結(jié)構(gòu)底板密貼方法施工，也稱為“零距離”穿越［3］.

北京已經(jīng)出臺了《新建地下工程穿越地鐵既有設(shè)施安全后評估方法》［4］《穿越既有交通基礎(chǔ)設(shè)施工程技術(shù)要求》（DB11/T 716—2010）［5］以及其他相關(guān)的技術(shù)政策，但這些既有的評估方法及技術(shù)要求缺乏系統(tǒng)化，可操作性較差，尤其對于密貼下穿既有線的技術(shù)要求遠未涵蓋，離真正能夠為政府管理部門服務、指導穿越工程的前評估、過程控制及后評估仍有較大的差距，需近一步深入研究.

根據(jù)國內(nèi)外文獻資料的分析，國內(nèi)外對隧道下穿既有線工程實例及相關(guān)研究較多［6-10］，但對于密貼下穿既有線工程實例及變形控制研究非常少，有關(guān)文獻資料也比較缺乏，筆者將對目前國內(nèi)密貼下穿研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，并提出下一步需要重點研究的方向.

1　國內(nèi)密貼工程介紹

1.1修建時間分類

地鐵穿越工程從修建時間上分為同期建設(shè)、預留線路和后期穿越.

對于同期修建而言，不存在新建線對既有線運營的影響，但是，由于地鐵規(guī)劃的不確定性，同期修建的案例較少.

對于預留線路穿越工程而言，如果對既有線結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮了后期穿越問題，采取一定的措施，可以主動控制結(jié)構(gòu)的變形.

后期穿越是目前穿越工程中最普遍的一種，且由于未對既有結(jié)構(gòu)采取主動的加固措施，因此新建隧道施工對既有線影響較大，屬于被動控制.

1.2密貼穿越形式分類

密貼穿越分為上穿和下穿，就目前來看，新建地鐵工程穿越既有地鐵線路時，采用下穿的方式居多，而上穿的方式較少，究其原因，主要因為地鐵規(guī)劃的不確定性，既有線上方往往沒有預留上穿充分的空間.

近年來密貼下穿既有線工程總結(jié)如下:典型密貼下穿車站如圖1、2所示，全國范圍內(nèi)已建成的地下工程密貼下穿組合形式匯總?cè)绫?所示，主要密貼下穿工程匯總?cè)绫?所示.

表1　國內(nèi)已建成主要密貼下穿工程匯總表Table 1 Summary of main closely-attached intersecting underground structures that have been built in domestic

由表1可知，目前主要的密貼穿越形式是車站主體、車站通道和區(qū)間隧道的密貼穿越，其中大型車站的密貼下穿工程最多.

1.3密貼穿越結(jié)構(gòu)形式分析

由表2可知，在淺埋暗挖工程中，垂直荷載比較顯著，垂直壓力較大，側(cè)壓力較小，斷面一般設(shè)計成直邊墻以提高斷面利用率［11］，因經(jīng)，平頂直墻結(jié)構(gòu)形式在密貼下穿工程中應用最廣.

表2　主要密貼下穿工程匯總Table 2 Main closely-attached intersecting underground structures that have been built in domestic

2　施工工法及沉降控制關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1主要施工工法及施工控制技術(shù)

目前為止，由于暗挖法對土層的擾動較小，因此，暗挖法是密貼穿越工程中普遍采用的開挖方式，其中交叉中隔墻（lenter cross diagram，CRD）法和洞樁（pile-beam-arc，PBA）法又是密貼下穿工程中較常用的工法，黃美群［12］提出了一種用于修建大型地下建筑工程的暗挖工法——一次扣拱暗挖逆作法，并應用于北京地鐵黃莊站，取得了良好的效果，此法克服了CRD法和PBA法存在的若干問題，應用于密貼穿越工程具有良好的前景，因此，筆者也將其作為密貼下穿采用的工法之一.

2.2既有結(jié)構(gòu)變形控制措施

一般采用變形控制指標作為地鐵安全的主要控制指標［13］.隧道零距離下穿既有車站研究剛剛起步，均采用淺埋暗挖法，超前錨桿支護、注漿加固、管棚支護、鎖腳錨管、掌子面臨時封閉等是成熟的常規(guī)既有線變形控制措施，對控制結(jié)構(gòu)的變形起到一定的效果.趙克生［14］研究了全斷面袖闊管注漿加固既有線的風險控制措施在北京地鐵10號線國貿(mào)站—雙井站區(qū)間隧道下穿地鐵1號線的應用，既有結(jié)構(gòu)的沉降控制在5 mm.鑒于前述變形控制的嚴格要求，上述措施不能滿足密貼下穿工程中對變形控制的要求，因此，需要采取和施工工法相結(jié)合的輔助措施.

對于CRD工法，目前一般采取千斤頂及型鋼支撐變形控制措施，在下穿段施工的各個階段中按照不同的沉降變形量進行頂升調(diào)整，將上部結(jié)構(gòu)恢復原狀，以有效控制施工期間對既有地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形，保證既有結(jié)構(gòu)在施工期間的正常運營.沈小輝等［15］驗證了千斤頂工法相對于預注漿加固的優(yōu)越性.對于PBA工法，北京機場線東直門車站上跨下穿正在運營的13號線站后折返線［16］在不具備使用一次性管棚注漿加固的情況下采用了“洞樁法+千斤頂托換”使平頂直墻密貼成功穿越.

地鐵6號線東四站—朝陽門站區(qū)間隧道密貼下穿既有5號線東四站［17］和地鐵6號線朝陽門站—東大橋站區(qū)間垂直密貼下穿既有2號線朝陽門站［18］均采用了CRD法+千斤頂支護方案，分別將既有結(jié)構(gòu)的最大變形控制在2.6 mm和3.3 mm，但是，后者仍超過了變形控制值，因此，需要采取其他和施工工法相結(jié)合的更為有效的輔助措施.

北京地鐵10號線二期公主墳站為換乘車站，密貼下穿既有地鐵1號線公主墳站，采用平頂直墻CRD工法結(jié)合多重預頂撐方法，達到了控制施工全過程的上覆既有站結(jié)構(gòu)的3 mm沉降指標［19-20］.北京地鐵7號線區(qū)間隧道密貼下穿10號線雙井站［21］，采用了CRD法平頂直墻+多重頂撐技術(shù)，成功地將既有站的變形控制在3.0 mm之內(nèi).以上工程印證了CRD工法結(jié)合多重預頂撐方法的有效性.

2.3工法適應性研究

陶連金等［22］以北京地鐵10號線密貼下穿公主墳站1號線工程為背景，使用有限元方法模擬CRD+頂撐密貼穿越工法在典型地層中的適用性，說明了該工法在較密實的砂卵石、粉土、砂性土以及硬塑的黏土地層的適用性，但在松散的砂性土及承載力小的黏性土中的應用還有待商榷.

2.4新工法技術(shù)要點分析

2.4.1導洞形式及大小的確定

各種工法中上下導洞的形式及大小不僅關(guān)系到是否實現(xiàn)新功法的精髓，更影響了施工過程對地面及上下結(jié)構(gòu)的沉降問題［10］.雖然有相應的原則:根據(jù)框架結(jié)構(gòu)的側(cè)跨尺寸和形式，要求上導洞的拱部與邊跨的頂拱、下導洞的底部與邊跨的底板相擬合.但是，導洞大小及形式在每種工法中的影響較少.

2.4.2加固范圍和強度影響

萬良勇等［3］以北京地鐵7號線下穿既有10號線雙井站為工程背景對5種加固范圍進行系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，比較得出了對兩區(qū)間隧道間的夾土層、隧道掌子面以及隧道左右線開挖輪廓線外3 m范圍內(nèi)地層進行深孔注漿加固為最優(yōu)工況.

徐希磊等［23］以新建電力隧道密貼下穿北京地鐵1號線區(qū)間隧道工程為例，采用有限元數(shù)值模擬，研究了注漿區(qū)域材料強度和千斤頂頂升力對地鐵隧道變形的影響，研究表明注漿強度的增加和千斤頂預加力的增大都可以控制既有結(jié)構(gòu)的沉降.

3　變形和內(nèi)力影響規(guī)律

3.1結(jié)構(gòu)縱向變形和內(nèi)力

畢俊麗等［24］以某暗挖車站密貼下穿既有地鐵區(qū)間為例，采用FLAC3D和SAP 2000模擬，分析既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)沉降及變形縫處差異沉降和內(nèi)力發(fā)展規(guī)律，評價結(jié)構(gòu)和運營安全受影響的程度，為安全保護提供決策依據(jù).

3.2結(jié)構(gòu)隨開挖工序的變形分配（橫向變形）

針對淺埋暗挖車站分布施工的特點，將主要控制標準按照施工步序進行分解，分析各工序?qū)扔姓窘Y(jié)構(gòu)沉降的權(quán)重貢獻值，實行分階段控制［11］，將有利于對既有線沉降變形的主動控制.

陶連金等［20］對地鐵10號線公主墳站密貼下穿既有地鐵1號線工程既有站結(jié)構(gòu)變形的主要原因進行了分析，同時，根據(jù)變位分配原理，制定了該密貼下穿工程中各個施工階段的控制標準，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比分析.汪國鋒等［19］進行車站下穿施工工序的三維動態(tài)計算，通過分析各工序?qū)扔姓窘Y(jié)構(gòu)沉降的權(quán)重貢獻值，逆向提出在各工序施工時需控制的工況沉降指標.

黃美群［12］以黃莊站為例，研究了一次扣拱法施工階段地面沉降分配比例，找到控制地面沉降的關(guān)鍵點，證明了該功法的優(yōu)越性，也為今后采取控制變形措施提供了依據(jù).

PBA工法應用于密貼下穿工程實例相對較少，因此，密貼工程中，PBA工法的施工步序隨結(jié)構(gòu)沉降變形的分配比例研究尚屬空白.

3.3密貼下穿工程工法沉降機理分析

關(guān)于公主墳采取CRD法平頂直墻+多重頂撐技術(shù)應用與密貼下穿工程沉降機理的分析，筆者將其總結(jié)為以下3個階段.

沉降Ⅰ——土體的壓縮沉降:新建結(jié)構(gòu)導洞內(nèi)土體開挖時，因既有結(jié)構(gòu)下承載面積缺失，其板下地基反力重新分布，缺失的地基反力部分需要相臨土體來補充，這樣在開挖洞室兩側(cè)及掌子面前方的土體就承受了更多的基底荷載，若開挖較大或土體性質(zhì)較差，其基底荷載超過了土體承載力極限，則會發(fā)生導洞兩側(cè)及前方土體的坍塌或收斂，工程呈現(xiàn)事故狀態(tài).若開挖后兩側(cè)及前方土體承載力可以承受增加的荷載，則工程仍屬于相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時的土體雖然應力增加但并不破壞，但其付出的代價即為土體的壓縮，這種壓縮表現(xiàn)在既有站結(jié)構(gòu)上，就是其局部的沉降變形.如圖3所示.

沉降Ⅱ——既有結(jié)構(gòu)的撓度變形:對密貼式下穿工程，在工程初始狀態(tài)→導洞開挖→完成初襯→完成二襯的施工過程中，對既有站結(jié)構(gòu)來說，就是一個底板邊界條件的變化過程，其由均布彈簧地基梁→缺失部分彈簧的連續(xù)梁→不同剛度的地基彈簧梁（初襯頂板彈簧剛度較弱）→另一種不同剛度地基彈簧梁（二襯頂板彈簧剛度增強）.在這個過程中，由于導洞開挖階段為最不利且時序最前端階段，故此時發(fā)生的既有結(jié)構(gòu)（作為梁結(jié)構(gòu)）的撓度最大且不可恢復，這種撓度的外在監(jiān)測表現(xiàn)就是既有站的沉降，如圖4所示.

沉降Ⅲ——新建結(jié)構(gòu)的二襯彈性撓曲:對于地下結(jié)構(gòu)，由于上部強大的土壓力荷載，其頂板使用階段會有一定程度的彈性變形撓度，則其上部的既有結(jié)構(gòu)隨之變形表現(xiàn)為既有結(jié)構(gòu)沉降.此部分沉降對于較大埋深、較大跨度的新建地下結(jié)構(gòu)絕對不應被忽視，如圖5所示.

則密貼式下穿施工開挖過程發(fā)生的沉降，主要為上述的3個階段沉降疊加之和.對于普通的下穿工程，沉降Ⅰ的絕對數(shù)值一般相對較大，根據(jù)開挖跨度、土體性質(zhì)等不同情況，一般在0～50 mm；而被下穿的結(jié)構(gòu)由于其一般剛度較大，故沉降Ⅱ的絕對值一般較小，局限在幾mm之內(nèi)；新建結(jié)構(gòu)的頂板彈性撓曲則與結(jié)構(gòu)埋深、跨度、受力型式關(guān)系較大，一般在0～10 mm.對于目前穿越運營軌道交通的控制標準3 mm來講，上述3部分沉降均可輕易超越，因此，在具體的預頂撐方案設(shè)計中需細化考慮，否則難以實現(xiàn).

對于預頂撐工藝來說，沉降Ⅰ（即土層的壓縮量）可通過架設(shè)在“深層地基”與既有結(jié)構(gòu)間的頂撐力提前預支，而不會反映到既有結(jié)構(gòu)上，這樣起到頂撐既有結(jié)構(gòu)、預壓縮土體、減少既有結(jié)構(gòu)沉降的作用.在位移表現(xiàn)上即為用頂撐的行程替代了土體的壓縮量的力學行為.沉降Ⅱ的產(chǎn)生是因為既有結(jié)構(gòu)地基彈簧缺失引起的連續(xù)梁撓度，頂撐對其的作用相當于增強了部分地基彈簧的剛度，若頂撐位于開挖空間的兩側(cè)墻位置，則相當于增強了連續(xù)梁的支點剛度，若頂撐位于開挖空間的中跨位置，則相當于在連續(xù)梁跨中增加1個支點.這2種行為均可引起既有站連續(xù)梁受力狀態(tài)的改善，從而減少其撓度值.對于沉降Ⅲ，由于其是因為新建工程永久結(jié)構(gòu)二襯受力后彈性撓度引起，此時頂撐已作為臨時措施撤銷，故此階段的既有結(jié)構(gòu)沉降是無法用頂撐方式減少的，改善方式只能是對新建結(jié)構(gòu)二襯結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)化，或者是新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)間隙中的壓力注漿填充.

對于沉降機理的分析，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬，將更有利于實現(xiàn)沉降的控制.對于PBA工法及一次扣拱法的沉降機理未見相應分析.

3.4地層變形特性

國內(nèi)外對隧道開挖引起地層變形的研究，代表性的有以Peck公式為代表的經(jīng)驗公式、工程類比法和數(shù)值計算方法［25］.

新建隧道以及車站的施工會對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，而既有結(jié)構(gòu)的存在對新建隧道開挖后地層變形規(guī)律也有影響，因此，地層變形規(guī)律是分析兩者相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)［26］.但是，目前對密貼工程中地層變形特性的研究較少.

4　抗震分析

密貼交叉大型地鐵車站結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了運營階段的零換乘，縮短距離，使交通更為便捷.但2個密貼剛性結(jié)構(gòu)受力有其特殊性，其抗震性能也應當受到重視.

李積棟等［27-28］以北京地鐵新建10號線公主墳站密貼穿越既有1號線公主墳站為對象，利用FLAC3D有限差分軟件建立了計算模型，研究了地震動作用下密貼交叉組合地鐵車站結(jié)構(gòu)地震動力響應特征，提出需要增強上下層車站結(jié)構(gòu)整體性以提高抗震性能；并與單一淺埋/深埋地鐵地下車站結(jié)構(gòu)的地震反應特性進行比較，表明上下層車站的相互作用影響對上下層車站的相對水平位移具有放大作用，下層車站的存在對上層車站結(jié)構(gòu)的應力有一定的削弱作用；對密貼交叉隧道［2］在強震作用下的三維動力響應分析均表明，交叉位置處的相對水平位移最大.

陶連金等［29］利用FLAC3D有限差分程序以新建7號線雙矩形隧道密貼下穿10號線雙井站主體交叉結(jié)構(gòu)為對象，研究了豎向強震作用下地鐵區(qū)間隧道密貼下穿地鐵車站結(jié)構(gòu)體系的地震反應特性，并與單一地鐵車站的地震反應特性進行了比較，研究表明密貼地鐵車站交叉主體結(jié)構(gòu)由于車站—隧道結(jié)構(gòu)間的相互作用，較單一地鐵車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移及受力具有明顯的增減.

針對密貼下穿工程日益增多的現(xiàn)狀，相關(guān)分析還較少，結(jié)合不同的結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)其地震響應規(guī)律，消除不利抗震因素，為日后密貼下穿工程的抗震構(gòu)造措施提供依據(jù)和指導，仍需大量的研究工作.

5　結(jié)論

由以上研究總結(jié)可見，密貼下穿工程的研究相對缺乏，筆者主要回顧國內(nèi)密貼工程、施工工法及沉降控制關(guān)鍵技術(shù)分析、變形內(nèi)力影響規(guī)律和抗震幾方面研究進展，針對目前研究的空白點和薄弱點，提出今后有待加強和深入的研究方向:

1）對現(xiàn)有密貼下穿工程的施工方法進行分類整理并研究其適用性，用以指導各地工程的實施.

2）找到各施工工法中包含的影響因素，如覆土厚度、結(jié)構(gòu)剛度、被穿越設(shè)施長度、被穿越設(shè)施寬度或變形縫間距、被穿越設(shè)施、地基反力P、地層條件等，分別根據(jù)沉降控制和內(nèi)力控制確定主要影響因素.

3）針對研究較少的PBA工法和一次扣拱法研究其豎向轉(zhuǎn)換體系在沉降變形中的控制比例以及密貼施工過程中，各個施工步序中的變形分配.

4）研究施工要點如開挖面積、開挖進尺、支護結(jié)構(gòu)和地層加固同上述影響因素之間的關(guān)系，用以指導實踐.

5）對密貼下穿工程的施工與運營階段進行力學分析，得到沉降原因可分為2個階段:密貼穿越過程中持力層承載力損失和地基托換.

6）找出不同工法施工的沉降機理異同點，形成系統(tǒng)的工法沉降理論，以更好地掌控施工過程中的變形.

7）結(jié)合不同工程和密貼交叉組合形式，總結(jié)密貼交叉地下結(jié)構(gòu)的地震反應特性的普遍性規(guī)律，以指導工程實際抗震設(shè)計與施工.

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（責任編輯 鄭筱梅）

Research Status and Tendency of Closely-attached Intersecting Underground Structures

TAO Lianjin1，LIU Chunxiao1，XU Youjun2，HAO Zhihong3
（1.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering，Ministry of Education，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.School of Architecture&Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China；3.Beijing Urban Construction Design&Research Institute Co.Ltd，Beijing 100037，China）

In order to deeply understand the recent advances in closely-attached intersecting underground structures，the characteristic engineering，the most widely used construction method，the law of deformation and internal force and earthquake resistance were summarized respectively based on the summary of recent engineering and literature research.The advantages and disadvantages of each method were discussed and compared.The fact that further research topics mainly on the applicability of the different construction methods，the main factors that influence the method in construction，the steps of deformation distribution and force transformation in construction，the settlement mechanism and seismic analysis are still needed，was recognized，and suggestions for guidance for effective engineering were provided.

closely-attachedintersecting；constructionmethod；settlementcontrol；earthquake resistance

U 461；TP 308

A

0254-0037（2016）10-1482-08

10.11936/bjutxb2015110027

2015-11-10

國家自然科學基金面上資助項目（41272337，41572276）；北京市教育委員會科技計劃重點項目（kz200910005009）

陶連金（1964—），男，教授，博士生導師，主要從事地下工程方面的研究，E-mail:ljtao@bjut.edu.cn