1.1  研究现状

    近年来，随着城市轨道交通网建设的迅速发展，地下工程穿越既有地铁线路的关键技术是城市轨道线网建设中必须解决的技术难题，它直接关系到城市轨道交通和建设的稳步发展。面对越来越多的工程问题，国内外的许多专家、学者对这一问题进行了大量分析研究。

Saitoh等(1994)[1]介绍了在相对软弱冲积成层地层中，采用管棚支护后，高9m宽14m的箱形隧道上穿既有外径7.lm的铁路双线盾构隧道。工程开工前做了影响预测分析，并与现场实测结果进行了对比，得出：对于圆形隧道，既有隧道的力学行为取决于上部隧道的开挖范围、施工工序等，并且二维弹性有限元的预测也证实该结论的可靠性；施工过程中管棚的力学行为可以按照连续梁弹簧模型分析。

Doran等(2000)[2]详细研究了既有轨道结构和隧道结构能够允许的变形能力。研究确定了既有隧道安全性、耐久性及正常使用的极限状态，有5种极限状态与隧道结构和道床有关，分别为衬砌垂向挤压变形、衬砌水平挤压变形、衬砌环间差异沉降、环向节头的张开、节头漏水。有5种极限状态与线路的正常运营有关，分别为轨道的几何形状(水平校直、垂向校直和扭曲)、轨距限界和轨道螺栓失效。

随着计算机技术的成熟，推动了有限元等数值计算方法的快速发展。越来越多的专家、学者采用有限元等方法对上穿、下穿既有运营隧道的变形影响进行数值模拟和模型试验分析。汪洋等(2010)[3]针对盾构法新建正交下穿隧道，以广州地铁3号线大塘-沥滘区间盾构隧道为背景，采用三维有限元数值计算和室内相似模型试验相结合的手段，引入横向和纵向等效刚度折减系数，对盾构隧道正交下穿施工引起的既有隧道纵向变位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行了深入的研究，得到围岩条件、隧道净距、顶推力等因素作用下盾构隧道正交下穿施工所引起既有隧道的变形和附加内力分布变化规律。

胡群芳等(2006)[4]通过对上海M4线张扬路至浦电路区间隧道近距离下穿越已运营M2线工程施工过程实时监测，分析对比了盾构两次近距离下穿越施工的过程和特点，讨论了M2线隧道及周围地层土体的沉降变形和规律。同时，针对盾构近距离穿越既有地铁隧道的施工技术难题，较系统探讨了近距离下穿越施工技术方案，分析了施工技术控制要领。

石明江(2006)[5]也对注浆法在盾构穿越已运营地铁隧道中的应用作了深入探讨，并结合上海市轨道交通4号线盾构穿越已运营2号线的工程实例，在工程地质情况调查的基础上，进行了严密的理论计算，确定了施工方案，施工中采用了“分段、跳环、跳孔、单孔分层多次高压劈裂注浆技术”对两隧道间软弱夹层进行加固，同时在2号线隧道内安装电子水平尺进行实时监测，工程取得成功。

孔庆凯等(2010)[6]对某越江隧道拟近距垂直穿越既有双线地铁隧道，采用有限元分析软件进行了三维弹塑性数值模拟。研究内容主要为不同净距穿越时，新建隧道施工对既有地铁隧道的影响规律。计算结果给出了新建隧道近距垂直穿越既有双线地铁隧道式的力学规律。

丁传松(2009)[7]根据上海市轨道交通8号线穿越2号线区间对既有地铁隧道的现场监控，并基于现有的理论性成果，对盾构穿越(上穿越)时，已运营隧道变形情况进行分析。证明盾构上穿越对下部隧道产生以隆起变形为主的影响，隆起变形呈抛物线，二次穿越中隧道变形具有叠合效应的规律，运营隧道变形在盾构脱离影响线前无明显变化，之后明显增大，且盾构脱离后变形仍继续发展，通过钢砂加荷使得已运营隧道变形趋于稳定。

朱蕾等[8]归纳了国内目前软土地区盾构近距离穿越已建隧道工程施工的控制指标，对该类工程的研究现状、变形机理及影响因素进行了探讨。盾构近距离穿越已建隧道的机理更加复杂，与空间参数(新旧隧道相对位置、间距、埋深、轴线等)、施工参数(土舱压力、推进速度、注浆因素、盾构姿态等)、材料参数(盾构机型、新旧隧道结构状况、地质条件等)方面都有或深或浅的关联度，操作人员的技术水平都对掘进过程的扰动程度也有影响。

陈越峰等[9]通过三维有限元方法对盾构近距离下穿越既有隧道进行数值模拟，得出盾构穿越施工时已建隧道随各进尺开挖的沉降规律及施工影响特点，并根据实测反馈数据进行了对比分析，为合理确定施工方案和既有隧道施工技术保护措施的选择提供可靠的依据。

依据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》关于既有地铁隧道邻近工程施工时，对运营地铁隧道的保护技术标准：在地铁工程 (外边线)两侧的邻近3米范围内不能进行任何工程；地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量<20mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)；隧道变形相对曲率<1/2500；地铁隧道变形曲率半径≥15000m；因建筑物垂直荷载及施工引起的隧道外壁附加荷载≤20kPa；由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。上海轨道交通8号线(M8线)曲阜路~人民广场区间在人民广场上穿2号线施工中制定的运营中2号线结构变形控制标准为：隧道结构纵向沉降与隆起值为±5mm，纵向水平位移控制值为±5mm。

近年来轨道交通建设的蓬勃发展，地下工程穿越既有地铁隧道的工程项目越来越多，从该类工程技术的发展来看，还有着众多的问题亟待解决。现在对地下工程穿越既有地铁隧道工程的研究在处在探讨并不断发展的阶段，对于穿越问题的基础理论研究存在严重不足。研究问题只对具体的工程问题进行具体分析，最后得出以该工程为基础的经验性成果。或者对具体工程进行数值模拟来预测工程结构的变形情况，并没有对该类问题做出系统的、理论性的解答。地下工程穿越既有地铁线路变形控制的技术措施有待进一步研究。对某一具体工程应该采取更加有效的支护措施、施工工序、注浆加固方案，并对既有结构应该采取怎样的保护措施，做到工程顺利竣工和降低工程造价的目的，这还需要进行系统、深入的研究。

1.2  盾构上穿施工对隧道的影响规律[7][8][9]

目前城市轨道交通的建设纵横交错，然而在建隧道的盾构穿越施工作业势必会对已运营地铁结构产生一定影响，研究其影响规律，对保护已运营隧道以及控制盾构穿越施工对周围环境的影响都具有重要意义。在建隧道对上跨、下穿已建隧道的影响因素主要有：在建隧道的穿越方式(上穿、下穿)、盾构隧道的施工工艺、穿越时与已建隧道垂直投影的角度、多次扰动穿越等。

（1）在盾构建隧道穿越方式（上穿）对运营地铁线的影响规律。分析研究上海轨道交通8号线盾构隧道施工近距离上穿越轨道交通2号线工程，盾构上穿越已运营隧道施工过程中，对下部隧道结构的影响以隆起变形为主，隆起变形沿运营隧道轴线呈抛物线，该变形主要由隧道开挖卸荷引起。在隧道上穿并达到两隧道中心投影线交点，运营隧道产生微量沉降，运营隧道隆起变形在盾构脱离影响线前无显著变化，而在盾尾离开运营隧道投影线时逐渐发生隆起并持续一段时间。

（2）上穿盾构隧道施工工艺对运营隧道的影响。上穿隧道对运营隧道的影响主要为穿越后地层卸荷引起的隆起变形。在采用土压平衡盾构施工时，盾构正面土压力、出土量、盾构推进速度及盾尾注浆量和注浆压力等的变化都会引起既有隧道及其周围土体的位移。盾构推进速度过快一般会引起前方土压过大，导致前方隆起，甚至运营隧道纵向和横向的不均匀变形。

（3）盾构上穿越时与已建隧道垂直投影的角度对运营隧道的影响。因为盾构施工穿越已运营隧道的施工难度大，考虑到对运营隧道的影响，沉降难以控制，故在穿越时一般应以大角度或正交越过，以减小盾构施工对运营隧道的影响范围。若以小角度穿越时，则盾构施工对运营隧道的影响范围会增大。

（4）多次扰动上穿越对运营隧道的影响。上海市轨道交通8号线上穿越2号线中，盾构推进过程中，发生两次近距离对运营隧道的扰动影响，对下部隧道产生以隆起变形为主的影响。运营隧道隆起变形大致呈抛物线形，第2次穿越中，隧道变形具有叠合效应的规律。最大值出现在与盾构穿越中心线投影线相交点位置。运营隧道隆起变形在盾构脱离影响线前无明显变化，但在盾构脱离影响线后明显增大，且整个盾构完全脱离后变形仍继续发展。盾构隧道上穿越对已运营隧道的影响很明显，穿越施工中隧道变形与地层条件、盾构施工技术、盾构姿态调整及注浆控制等密切相关。

（5）盾构上穿施工与已建隧道间的垂直净距对己建隧道位移影响。盾构下方0.5D为界，在盾构下方0.5D以下，随着间距的增大位移峰值减小，横向沿运营隧道方向沉降曲线趋于平缓；在盾构下方0.5D以内，随着间距的减小，对隧道的影响显著增大。

1.3  盾构下穿施工对隧道的影响规律 [9][10][11][12]

（1）在盾构建隧道穿越方式（下穿）对运营地铁线的影响规律。在盾构穿越已建隧道的方式中，已盾构穿越已建隧道下方对隧道影响最大。最大影响位移位于隧道轴线交点附近，该处附近土体是最薄弱部分，对土体扰动最敏感。通过对上海市轨道交通4号线张扬路至浦电路区间隧道近距离下穿越已运营 2 号线的研究，盾构对已运营隧道近距离下穿越施工的土体扰动影响主要以隧道竖向变形为主，盾构穿越施工中破坏了原有土体的结构性和极限平衡状态，使得土体应力状态发生重新分布和调整，土体的隆起变形规律与盾构掘进的相对位置密切相关，掘进过程中隆起快、下沉慢，掘进后影响区域土体的隆起变形在 1~2d内缓慢下沉，3~5d 后土体的扰动应力状态逐渐释放，影响区域内的土体出现明显下沉趋势。同时在盾构推进过程中，盾构隧道轴线上每点的竖直位移很难控制并保持一致，故可能会引起盾构影响区段的已运营隧道轨道两侧的高差增大，严重影响隧道运营的安全性。

（2）下穿盾构隧道施工工艺对运营隧道的影响。目前地铁盾构隧道多采用土压平衡盾构和泥水盾构两种技术措施。采用泥水盾构施工下穿已运营隧道时，由于泥浆压力不宜设置过大(否则会对盾尾密封形成较大威胁，容易导致盾尾漏浆甚至盾尾密封失效)等原因使压力舱压力偏小以及水作用导致盾构上方的土体位移值较大。同时盾尾漏浆也会导致土体位移值增大。研究上海南路越江隧道穿越运营轨道交通8号线的实测数据，表明隧道在推进初期发生一定量沉降并随着盾构推进使隧道产生上抬，后期维持稳定或略微下沉。拼装期间由于千斤顶部分压力释放，且泥水向外渗流停止，导致隧道持续下沉。采用土压平衡盾构施工下穿已运营隧道时，实际盾构推进过程中为了补偿后期的沉降，并考虑到施工中的各种影响因素，土舱压力偏大，使运营隧道略微隆起。同时由于盾构侧壁摩擦和纠偏等影响，已运营线隧道内的变形对盾构掘进姿态和动作非常敏感，穿越过程中土体会先隆起后逐渐下沉，盾构纠偏挤土效应会导致 运营线隧道出现横向变形。

（3）盾构下穿越时与已建隧道垂直投影的角度对运营隧道的影响。盾构以小角度穿越时，同样会使盾构对已建隧道影响区域增大并且对隧道变形影响不好控制。盾构下穿越已建隧道时一般也应以大角度或正交越过，以减小盾构施工对运营隧道的影响范围。例如明珠线二期浦电路~张扬路区间隧道小角度穿越二号线。在盾构未进入运营隧道影响线时，盾构推进对距盾构施工较近的运营隧道区域影响较大，运营隧道发生较大隆起变形，而盾构影响线与运营隧道影响线相交区域发生微量沉降。随着盾构推进，运营隧道影响区域整体发生隆起，而距离盾构较近的一侧隆起量最大。在盾构通过运营隧道后，在盾构中心影响线与运营隧道中心影响线处隆起达到最大值。小角度穿越使得盾构穿越时的影响区域增大，已建隧道更易发生不均匀变形。

（4）多次扰动下穿越对运营隧道的影响。上海4号线张扬路至浦电路区间隧道近距离下穿越已运营2号线工程中，盾构近距离下穿越施工引起的土体变形主要是竖向隆起位移，被穿越隧道的竖向位移曲线呈波浪形，土体的隆起峰值随盾构的推进不断向前推移，最大隆起值及累计隆起峰值一般都出现在盾尾后 1~2D范围之内。盾构穿越施工中破坏了原有土体的结构性和极限平衡状态，使得土体应力状态发生重新分布和调整，土体的隆起变形规律与盾构掘进的相对位置密切相关，掘进过程中隆起快、下沉慢，盾尾离开后影响区域土体的隆起变形在 1~2d内缓慢下沉，3~5d 后土体的扰动应力状态逐渐释放，影响区域内的土体出现明显下沉趋势。

（5）盾构下穿施工与已建隧道间的垂直净距距对己建隧道的影响。以盾构上0.5D为界，在盾构上方0.5D以上，随着间距的增大位移峰值减小，横向沉降曲线趋于平缓；在盾构上方0.5D以内，随着间距的减小，变形影响明显增大。

1.4  盾构上穿施工的处置措施[11] [12]

（1）严格控制盾构正面土压力、盾构推进速度和出土量。在盾构推进初期，还不能依据盾构前方土体性质、土体的静止土压力等准确地判断盾构推进参数但施工过程中盾构前方土体可能不均匀，故应根据地面监测及运营地铁线内变形监测信息的反馈，进行土压力的设定与调整。盾构推进速度过快一般会引起前方土压过大，导致前方隆起；推进速度过小，则可能给地层充分的时间应力释放，从而引起较大的地层位移。盾构施工中降低盾构推进速度，严格控制盾构姿态和方向，减少纠偏，确保盾构均衡、匀速地穿越运营隧道，减少盾构推进对前方土体造成的扰动。

（2）同步注浆与二次注浆。严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。二次注浆与同步注浆间隔一定距离，并保持同步性，以便进一步填补土体内间隙，控制地面后期沉降。二次注浆应根据地面监测及运营地铁线内变形监测信息的反馈进行调整。

（3）信息化施工。穿越过程中根据实际需要可进行24h不间断地跟踪监测，指导盾构施工参数的设定，并通过地面变形量的监测进行效果的检验，反复循环、验证、完善，保证施工过程中运营隧道的安全。穿越工程应采用自动化监测与人工监测相结合的综合监测形式，对既有地铁进行实时监测，有效地保障施工及运营安全。建立高效、便捷的信息反馈流程和体系对于穿越工程施工至关重要。

（4）运营隧道的抗浮措施。盾构上穿运营隧道时，为了确保盾构隧道施工时运营线正常、安全运行，盾构穿越施工前，可以在盾构穿越点的地面位置采取必要的措施：抗浮板、抗浮桩等抗浮措施。先将一定数量的摩擦桩打入土体一定深度，然后在桩群上现浇一块混凝土板，通过桩群与隧道周围土体的摩擦力，来抵抗盾构穿越运营线隧道时的上浮力。运营隧道的钢砂加荷。当跨越盾构盾尾脱出时，由于在建隧道轻于所置换的土体，运营隧道发生隆起并持续增长，为减小下部土体的回弹，在跨越施工前可对运营隧道中隆起较大的部位进行钢砂加荷，最终运营隧道隆起变形逐渐稳定。采用钢砂加荷等压重措施也是有效降低基底回弹的方法。

1.5  盾构下穿施工的处置措施[12][13]

（1）以监测与反馈为基础的信息化施工技术。监测是施工效果的直接反应，是地铁盾构施工中对重要建筑物进行保护的重要手段。通过监测数据的反馈分析，判断当前的施工状况是否科学合理，及时发现工程中存在的问题，为采取有效的防范措施提供信息，指导施工的安全顺利进行。

（2）优化盾构施工参数。采用土压平衡盾构施工时，应及时优化并匹配土舱压力、出土量、推进速度、注浆量和注浆压力等盾构掘进的施工参数。优化并匹配盾构施工参数能相应地减小盾构施工时对周围土体的扰动程度。盾构各施工参数并不是相互、互不影响的，许多参数是相互联系、连锁改变的。因此，应根据隧道及周围土体的变形对盾构的施工参数进行调整，更重要的是要对盾构施工参数进行优化和匹配。

    （3）运营隧道限速行驶。在地铁行驶过程时会对隧道及周围土体产生冲击和振动，使隧道和土体发生扰动变形。因此，盾构穿越施工时，在运营隧道的影响区段内，运营地铁应限速通过。

参考文献

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[8] 齐明山. 上海市轨道交通9号线盾构上穿1号线影响分析.城市轨道交通研究,2009:52~55

[9] 朱蕾，黄宏伟.软土地区盾构掘进对已建隧道影响的研究现状.地下空间与工程学报,2010,Vol.6:1692~1695

[10] 陈越峰,张庆贺,季凯等.盾构下穿越施工对已建隧道沉降的影响.地下空间与工程学报,2011,Vol.7:1490~1494

[11] 杨广武.地下工程穿越既有地铁线路变形控制标准和技术研究:[博士学位论文].北京,北京交通大学,2010

[12] 严长征.盾构隧道近距离共同作用机理及施工技术研究:[博士学位论文].上海,同济大学,2007

[13] 白延辉,尤旭东,李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术.地下工程与隧道,2003,Vol.3:2~6下载本文