《地铁盾构法隧道下穿工程》针对近年来大量出现地铁盾构法隧道下穿铁路和其他既有建筑物所面临的工程风险，从设计理论和施工控制技术两方面系统阐述下穿工程涉及的理论问题和实践问题。《地铁盾构法隧道下穿工程》共12章，包括下穿施工对环境的影响、下穿施工变形分析、辅助措施、施工监测、设备管理、设计方法和工程实例等。《地铁盾构法隧道下穿工程》具有如下特点：在设计理念上将传统下穿工程以被动防护为主改为主动控制；在技术措施上将单一措施改为系统控制；将控制应力释放作为下穿安全的基本原理。
城市轨道交通工程、隧道及地下工程领域的相关技术人员，相关专业的研究生
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 我国轨道交通的规划建设概况 1
1.2 下穿类型 3
1.3 下穿施工面临的问题 4
1.4 本书的宗旨 5
第2章 下穿施工的影响 6
2.1 下穿施工的特点 6
2.2 下穿建筑物 6
2.2.1 下穿多层建筑 7
2.2.2 下穿高层建筑 7
2.2.3 下穿厂房高塔等其他建筑 9
2.3 下穿交通线 10
2.3.1 下穿普通铁路 10
2.3.2 下穿高速铁路 13
2.3.3 下穿既有地铁盾构法隧道 17
2.4 下穿管线 19
2.5 特殊河流 24
第3章 盾构穿越施工变形 30
3.1 盾构掘进施工变形的影响因素 31
3.1.1 盾构超挖 31
3.1.2 掘进参数 34
3.1.3 地层特性 37
3.2 基于应力释放的盾构掘进施工变形计算 39
3.2.1 盾构掘进施工中的应力释放 39
3.2.2 开挖应力释放计算法 40
3.2.3 开挖应力释放的有限元计算方法 46
3.3 位移法计算开挖施工变形 52
第4章 盾构下穿施工变形控制 55
4.1 开挖面处应力释放与控制 55
4.1.1 土仓压力设定影响因素分析 56
4.1.2 盾构掘进面应力释放控制方法 57
4.2 超挖时应力释放与控制 61
4.2.1 超挖刀的选用 61
4.2.2 超挖量控制方法 63
4.2.3 盾构机灵敏度选择 66
4.2.4 盾构铰接选择 67
4.3 盾尾间隙的应力释放与控制 70
4.3.1 同步注浆 71
4.3.2 二次注浆 80
第5章 下穿施工辅助措施 83
5.1 盾构机姿态控制 83
5.1.1 盾构机纠偏计算 84
5.1.2 盾构机姿态优化控制 91
5.2 土体和渣良 93
5.2.1 常见改良剂及其机理 93
5.2.2 土体和渣良试验 96
5.3 主动预加固 99
5.3.1 地基预加固 99
5.3.2 结构预加固 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 自动化信息采集 108
6.3 下穿铁道 112
6.3.1 铁道轨面监测 113
6.3.2 测点布置方法及原则 116
6.3.3 铁道桥墩变形监测 121
6.4 下穿建筑物 124
6.4.1 沉降监测 125
6.4.2 倾斜监测 125
6.4.3 裂缝观测 126
6.5 施工信息处理128
6.5.1 测量误差的处理 129
6.5.2 变形信息分析预测 133
6.6 施工信息管理 134
第7章 下穿施工管理 136
7.1 施工设备管理 136
7.1.1 盾构机 136
7.1.2 加固设备 141
7.1.3 监测设备 145
7.2 施工技术措施管理 146
7.2.1 流程管理 146
7.2.2 工序管理 147
7.2.3 工艺管理 148
7.3 施工风险管理 149
7.3.1 风险识别 149
7.3.2 风险评估 151
7.3.3 风险管控 158
第8章 下穿建筑物 159
8.1 下穿建筑物的分类 159
8.1.1 按照建筑结构特点分类 159
8.1.2 按建筑物与隧道的空间关系分类 165
8.2 下穿建筑物的工程分级 166
8.2.1 下穿工程分级的影响因素 167
8.2.2 下穿工程分级方法 167
8.3 下穿区段建筑物附加应力计算方法 170
8.3.1 竖向集中力作用下土的附加应力 170
8.3.2 集中力作用下土中其余应力分量计算 170
8.3.3 均布条形分布荷载下土中应力计算 171
8.3.4 成层地基中附加应力的分布规律 172
8.4 下穿深基础建筑物 176
8.4.1 桩基的分类 176
8.4.2 承载力损失估算与附加沉降计算 178
8.4.3 桩基切割 178
8.4.4 桩基托换 183
8.5 下穿建筑物区段的施工参数控制 185
8.5.1 土仓压力计算 186
8.5.2 不同方式穿越单个建筑物时的土仓压力变化 186
8.5.3 不同方式穿越建筑群时的土仓压力变化 190
8.5.4同步注浆量计算 191
8.5.5同步注浆压力计算 195
第9章 下穿铁道 197
9.1铁道的技术条件197
9.1.1 铁道等级 197
9.1.2 线路状况 198
9.1.3 线路类型 198
9.2 行车平稳性与安全性指标 199
9.2.1 行车安全性评价指标 199
9.2.2 行车平稳性评价指标 201
9.3 下穿施工变形与轨面变形的对应关系 201
9.3.1 既有的轨道不平顺 201
9.3.2 下穿施工引起的轨面变形计算 204
9.3.3 叠加施工引起的轨面变形的轨道不平顺 210
9.4 施工期铁道行车速度目标值控制 211
9.4.1 车辆-轨道耦合动力学模型 211
9.4.2 施工变形对车辆运行安全性和舒适性的影响 213
9.5 下穿施工的安全保障 222
第10章 土压平衡盾构下穿大型江河湖泊 224
10.1 盾构法隧道下穿江河湖泊面临的问题 224
10.1.1 盾构法隧道下穿含沼气层 224
10.1.2 盾构法隧道下穿高水压地层 226
10.1.3 盾构法隧道长距离下穿砂层 228
10.1.4 盾构法隧道下穿高强度砂卵石、圆砾地层 228
10.1.5 盾构法隧道浅覆土下穿河床 229
10.2 盾构法隧道穿越含沼气地层的处理措施 229
10.2.1 盾构掘进施工前对线路影响范围沼气进行预释放处理 230
10.2.2 施工期的安全措施 231
10.3 盾构法隧道水下长距离掘进的防突水措施 235
10.3.1 长距离掘进的螺旋输送机保压 236
10.3.2 盾构机尾部密封刷长距离防水控制 246
10.4 土压平衡盾构穿越大型江河湖泊掘进系统减磨 249
10.4.1 盾构掘进系统减磨原理 249
10.4.2 盾构掘进系统减磨处理 251
10.5 土压平衡盾构下穿大型江河湖泊隧道质量控制 256
10.5.1 局部特殊地段盾构法隧道管片上浮控制 256
10.5.2 盾构法隧道管片接缝高防水能力 258
第11章 下穿工程设计方法 260
11.1 下穿结构的线位和线型设计 260
11.1.1 下穿结构的线位设计 260
11.1.2 下穿结构的线型设计 267
11.2 变形控制指标 271
11.2.1 变形控制指标的个性化设计 272
11.2.2 以规范为基础的变形指标设计 273
11.2.3 下穿铁道 273
11.2.4 下穿建筑物 277
11.2.5 下穿其他结构物 278
11.3 变形协调控制 279
11.3.1 下穿建筑物的协调变形控制 281
11.3.2 下穿普通铁道 282
11.3.3 下穿高速铁道 283
11.4 下穿工程的辅助措施设计 283
11.4.1 施工安全控制的主动加固 283
11.4.2 运营阶段减振措施 288
11.4.3 被动性措施 294
11.5 方案设计要点 298
11.5.1 方案设计目标 298
11.5.2 技术措施对比分析 299
11.5.3 施工工艺设计 300
11.5.4 安全监控设计 301
第12章 下穿工程案例 303
12.1 下穿Ⅰ级铁路干线 303
12.1.1 工程概况 304
12.1.2 技术特点及控制标准 306
12.1.3 主动预加固设计理念 306
12.1.4 主动注浆预加固方案设计 308
12.1.5 盾构掘进控制 312
12.1.6 实施效果 314
12.2 下穿高速铁路 316
12.2.1 工程概况 317
12.2.2 技术特点及控制指标 319
12.2.3 下穿方案设计理念 319
12.2.4 变形阻隔方案设计 320
12.2.5 盾构掘进控制 322
12.2.6 实施效果 323
12.3 下穿铁路枢纽 325
12.3.1 工程概况 325
12.3.2 技术特点及控制指标 329
12.3.3 方案设计理念 329
12.3.4 设计方案 330
12.3.5 盾构掘进控制 332
12.3.6 实施效果 332
参考文献 335
第1章 绪论
我国于1953年首次采用φ2.66m手握式盾构机在辽宁阜新煤矿修建疏水巷道，1957年又在北京分别采用φ2.0m和φ2.6m手握式盾构机修建了下水管道，1962年在上海塘桥试验基地试推了φ4.2m手握式普通敞胸盾构机，1965年又在上海02工地试推了φ5.8m网格挤压式盾构机。上述工作对我国盾构法隧道的发展起到了非常重要的推动作用。1966年，我国条越江盾构交通隧道正式于上海打浦桥开建，该工程采用φ10.22m网格挤压式盾构机。我国地铁工程的盾构法隧道于1980年在上海曹溪河地铁试验段开工，采用φ6.4m网格挤压式盾构机。1990年，上海轨道交通1号线正式采用φ6.43m土压平衡盾构机开工建设，此后盾构法在我国得到了飞跃式发展。迄今，我国已建成地铁盾构法隧道近3000km，在今后的若干年里仍将以每年数百公里的建设速度快速发展。目前，我国已经是世界上的盾构法隧道运营和建设国家。
1.1 我国轨道交通的规划建设概况
截至2015年底，我国内地已有北京、上海、广州、天津、重庆、佛山、深圳、武汉、南京、沈阳、长春、哈尔滨、大连、长沙、郑州、宁波、成都、无锡、西安、昆明、苏州、杭州、南昌、青岛、淮安等25个城市共开通93条城市轨道交通运营线，总里程达到3010.6km。其中，隧道里程近2100km，除北京地铁部分隧道采用浅埋暗挖，哈尔滨地铁部分隧道利用既有人防工程改建，广州、深圳、青岛和南京地铁个别区间采用浅埋暗挖法修建之外，其余均采用盾构法修建。除了上述已开通城市轨道交通运营的25个内地城市外，目前在建的城市还有青岛、合肥、常州、太原、乌鲁木齐、兰州、南宁、石家庄、厦门、东莞、福州、绍兴、昆山等，预计我国需要修建城市轨道交通的城市将超过40个。
我国城市轨道交通的修建始于北京、上海、广州等特大城市，这类城市除了人口规模大，也是国家的政治、文化和经济中心。随着综合国力的提升，城市轨道交通的建设也由中心向区域级中心或地区级中心扩展，形成了庞大的建设市场。此外，我国高速铁路的快速发展超越了许多城市发展规划，在短短几年中建成的高速铁路网已经改变了一些城市的格局，不得不使后建的城市轨道交通面临穿越运营高铁的困境。
各地城市轨道交通的规划极少有真正长远的远景规划，以北京市为例，1957年规划的城市轨道交通网为两横两纵两斜一环共7条线；1983年的规划改为四横三纵一环共8条线1993年规划了8条地铁线加4条市郊铁路共12条线；到了1999年又调整为13条线；2003年规划了三环四横五纵七放射共19条线。上海市的情况也大致相同，20世纪50年代开始规划了3条线，1979年调整为四线一环，1984年进一步调整为4条直径线、1条半径线、1条环线、1条半环线的7线规划。从1990年开始，上海市的轨道交通规划基本稳定在17～19条线的规模。
从上述情况可以发现，无论哪个城市对城市轨道交通的规划都是动态的，每过若干年就需要调整一次，调整的实际效果更多体现在线路数量的增加和总里程的增加，而这种扩张式的增加势必会遇到下穿已有的重要建(构)筑物。以杭州地铁1号线为例，图1.1是杭州地铁1号线的"Y"字形线路走向。线路由南至北先在萧山区下穿沪昆铁路，接着穿越钱塘江，然后在铁路杭州城站下穿17股道的站场和站房，到了艮山门下穿26股道的铁路编组站，再下穿沪昆铁路的杭州东站，后在余杭区下穿行车速度为300km/h的沪杭高铁(设计速度350km/h)，从城站到艮山门区段将穿越老杭州城区。老杭州城区的特点是街道狭窄、历史建筑物密集。杭州地铁线路施工的困难在于上述这些穿越工程。
图1.1杭州地铁1号线"Y"字形线路走向
1.2 下穿类型
城市轨道交通的盾构法隧道在地层中穿越施工会遇到各种形式的下穿工程，就一般工程而言，下穿施工只需进行常规的控制，但对于一些重要或特殊的建(构)筑物，由于其重要性或对变形的敏感性，因此需要采取特别严格的施工措施才能保障下穿施工的成功完成。此外，对某些工程来说，下穿施工仅仅是一方面，更重要的是施工完成之后，轨道交通车辆运行与被穿体之间存在某种复杂的相互影响，这种持续且长期的相互影响会对运行造成无法想象的危害，这也是下穿工程所必须面对的。
下穿工程的类型可以根据几种不同的方式进行划分：根据被穿体的不同，可以分为下穿交通线、下穿建筑物(单体)、下穿建筑群、下穿管线、下穿堤坝、下穿特殊的河流等；根据盾构法隧道与下穿体之间的平面几何关系，可以分为正交下穿、斜交下穿、小角度斜交下穿、部分下穿、切角下穿、侧下穿等；根据埋深关系，可以分为浅埋下穿和深埋下穿。
盾构机从桥墩侧面穿越、从堤坝下穿越或从建筑物下穿越，所产生的变形可以形象地表示为图1.2所示的情况，很显然，变形的大小与施工控制、土层等诸多因素有关。
图1.2下穿施工的影响
工程地质条件对下穿方案的影响至关重要，是决定下穿施工措施乃至后续运营条件的重要因素。因此，在下穿工程分类时，需要考虑地质条件的特性。根据已有的实践，下穿工程所处的地层特性可以分为软黏土、黏土、软岩、复合地层和硬岩五类。其中，软黏土又可以进一步细分亚类：高灵敏性淤泥质土层、淤泥质土层、易液化土层等。软黏土由于强度低，地层损失难以控制，从而引起的变形量比较大，是下穿工程需要研究的重点。
1.3 下穿施工面临的问题
下穿施工面临的根本问题是变形控制。变形控制需要根据被下穿结构的特征，分量和相对量两个方面进行控制。当量控制得非常严格时，相对量便自然满足要求。当某些条件下量难以严格控制时，相对量的控制就显得尤为重要。相对量的控制要从随着盾构掘进动态移动的三维沉降盆来考虑差异沉降的控制方面入手。以下穿铁路为例，如图1.3所示，随着盾构临近线路，两根钢轨会发生差异沉降，这是对行车安全为不利的。
图1.3某隧道下穿路基时钢轨差异沉降
无论是对沉降的控制还是差异沉降的控制，都要根据被穿结构的抗变形要求制定合理的控制值，这是下穿施工的关键。合理变形控制值的确定是非常困难的，因为在此次下穿施工之前，难以确定此前有多少次工程行为对结构物产生过影响。也就是说，下穿施工之前结构的已有变形是个未知量，这需要对结构物的状态进行综合判断。
变形控制的难易很大程度上取决于地层的工程特性和力学性质以及特定地层条件下盾构机型和配置的选择。随着施工机械化程度的不断提高，设备的适应性常常影响工程的成败。就盾构施工下穿而言，刀盘与面板的形式、开口率和刀盘的配置、同步注浆管路系统的设置以及注浆泵的数量和容量，都会影响施工中变形控制的效果，这些工作都是在下穿施工之前必须考虑的。
解决了施工机械的配置之后，接着需要研究的是施工参数。相同的装备在不同的土层中，应该对应不同的施工参数；相同的土层采用不同的施工机械时，也应该采用不同的施工参数；此外，隧道的线型也对施工参数的选择有所影响。除上述因素外，被穿结构与土层之间的作用特性对施工参数的确定也会产生影响。所以施工参数的正常确定是下穿施工中的一个重要环节，以前的施工主要靠经验，由经验上升到科学，这是工程师和科学家所要解决的问题。
有了合适的施工机械和合理的施工参数，还必须保障在实施中能够贯彻和执行，这是下穿施工中不可忽视的环节。要解决这一问题，需要从信息化、管理和监管三方面着手。信息化施工是现代施工的一大特征，它不仅能够提供施工所需要的各种信息数据，更重要的是能够为管理和监管提供科学依据。除了组织构架和规章制度，管理还应该有内在的技术理念、应变处置等方面的内容，这与队伍的总体素质密切相关。监管是独立于施工和监理的机构。
信息化技术一方面需要不断地引入新技术，另一方面需要实现信息化的取点更加合理和，尤其是对于下穿铁路等具有动力响应的结构物，信息点的布置是相当重要的。
1.4 本书的宗旨
在过去的20年中，我国是世界上的盾构法隧道施工市场，20年前我国的盾构机多数是进口的。近10年来，我国已经逐渐开始合资生产或自行生产盾构机，在今后的20年中，我国依然是世界上的盾构法隧道施工市场。20年前盾构法隧道遇到地表有重要建筑物时，大多采用避让方式，以牺牲隧道线型为代价，后来逐渐能够穿越一些比较重要的建筑物。工程的建设总是先易后难、循序渐进的。可以预见，随着建设规模的增加，今后盾构法隧道下穿施工的难度将越来越大，数量也会越来越多。及时对过去的理论方法和技术成果进行系统总结，有助于指导今后的实践。
本书试图从系统的理论方法着手，通过下穿施工引起被穿结构的变形和盾构掘进施工原理，来阐述盾构法隧道下穿施工的控制措施和方法，希望从理论上对下穿施工控制给予解释，如果能够解答工程师们的某些疑惑，那么作者认为这本书就成功了。
需要指出的是，盾构法隧道下穿工程是一项系统工程，影响因素众多，而重要的影响因素会随现场情况的变化而发生变化，某些前期是次要影响因素，因外部情况变化会转变成主要影响因素；相反，某些前期是主要影响因素，由于外部条件的变化也会降为次要因素。工程人员只有熟知原理，及时掌握施工现场的动态，才能因时、因势采取针对措施，使施工按照预想的轨迹进行。
第2章 下穿施工的影响
下穿施工与其他隧道工程的区别在于：下穿工程必须保障被穿体的安全和功能。换言之，被穿体的结构特征与功能直接决定了下穿施工的控制要求，而不同的控制标准决定了不同的技术措施。因此，需要先讨论下穿施工对被穿体的影响问题。
2.1 下穿施工的特点
下穿施工具有以下特点：
(1)与其他隧道工程的施工相比，下穿施工对变形的控制更为严格，需要更高精度的变形计算理论。
(2)因为变形控制严格，在下穿施工时需要更为精细的施工控制方法，对施工设备而言，应该采用智能化的装备，以提高实际的控制效果。
(3)需要更高精度的变形监控量测方法，以保障下穿施工的顺利进行。
可见，适应小变形控制贯穿于下穿施工全过程。另外，由于被穿体的不同，在穿越区产生的附加应力也不相同。例如，房屋建筑仅产生静止附加力，穿越铁路就面临列车产生的振动附加力，这两者对施工的影响也不相同。反之，由于被穿体的不同，对穿越施工产生的变形控制要求也各不相同。例如，下穿有砟轨道和下穿无砟轨道相比，由于轨道类型不同，对允许发生的施工变形值也相差甚大，这就导致因被穿体结构类型和功能不同而对下穿施工控制提出了显著差别的要求。因此，必须从下穿施工对不同被穿体的影响着手，讨论下穿施工对环境影响的问题。
2.2 下穿建筑物
下穿建筑物施工产生的影响主要体现在建筑物的变形方面，于是建筑物的类型、结构特征、使用年限等均要逐一考虑。对于建筑物的类型，要区分多层、高层，砖混结构和框架结构，还要进一步区分基础的类型，如筏板基础、复合地基、深基础等，类型不同，对变形的适应要求也不同。下面分别讨论下穿施工对不同类型建筑物产生的影响。
