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摘要以北京地铁亦庄正线盾构区间与出入段线盾构区间形成的“浅覆土、小净距、立体交叉”空间结构施工为背景，通过对不同工程筹划对应区间隧道施工顺序的分析及模拟计算，提出了最优施工顺序及有针对性的施工方案。
AbstractBase on the construction of” Shallow covering、 small radius、interchange” spatial structure ,which formed in trunk andpolyline shield tunnel in BeiJing Metro YiZhuang Line; through the analytics and simulation of the shield tunnel construction sequence in different project planning, the best construction sequence and scheme are put forward.
关键词盾构隧道 浅覆土 小净距 立交 施工顺序
Key Word ： shield tunnel shallow covering small radius spatialconstruction sequence
中图分类号：U45 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）02-0020-02
随着城市轨道交通不断发展，线网越来越密集，浅覆土、小净距、立体交叉段隧道也将越来越普遍。复杂环境下空间立交隧道难点在于如何减少隧道施工对周边环境及隧道结构之间的相互影响。目前国内关于浅覆土、小净距、立體交叉段隧道的工程实例非常少见。
1 工程概况
宋家庄站～肖村桥站盾构区间线路由宋家庄站后明挖区间南端顺着宋庄路向南敷设，行进至顶秀鑫园线路以半径350m向东偏，沿着凉水河北岸以半径800m向东行进，下穿红寺村、双丰铁路支线、肖村及成寿寺路，到达肖村桥站。其中穿越宋庄路段（YK0+510～YK0+820）区间隧道覆土为4.1m~6m，左、右线线间距为3.7～6m，为浅覆土、小净距隧道。根据全线线路敷设，宋家庄出入段线右线需下穿正线区间，下穿区域为YK0+530～YK0+600，位于浅覆土、近距离正线区间结构段范围内，且宋家庄出入段线右线区间隧道采用盾构法施工，与正线盾构隧道呈20°夹角，与正线隧道结构之间竖向净距为3.72m。区间隧道之间相互关系如图1所示。
图1 隧道相互关系图
2 工程地质与水文地质
2.1 工程地质
工程范围内地层自上而下依次为：人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层。宋家庄站～肖村桥站区间隧道穿越地层主要为新近沉积层的粉质粘土、粉土、细-中砂及卵石-圆砾层，宋家庄出入段线右线区间隧道穿越地层主要为第四纪沉积层的粉质粘土、粉土及细-中砂层，区间隧道主要穿越地层如图2所示。工程范围内各土层主要物理力学指标见表1。
表1土层主要物理力学指标
图2 工程地质剖面图
工程场地范围内无不良地质作用，场地内自然地面以下20m深度范围内天然沉积的饱和粉土及砂土不会发生地震液化。
2.2 水文地质
工程范围内地下水主要为：潜水水位埋深约7m，含水层为第3大层中的砂土、卵石层；承压水水位埋深约21m，含水层为第8大层中的砂土、卵石层。工程场地内地下水水质对混凝土结构均无腐蚀性，但在干湿交替作用条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋均具有弱腐蚀性，对钢结构均具有弱腐蚀性。
3 施工方案分析
结合工程范围内周边环境、工程地质及水文地质情况，确定宋家庄站～肖村桥站区间隧道及宋家庄出入段线右线区间隧道均采用盾构法施工。
3.1 盾构施工对环境作用机理
盾构隧道施工是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法 。
盾构在地层中施工对周边地层产生不同程度的应力重分布，进而形成对环境的影响，一般可将其划分为三个区域：盾构工作面前方、盾构机机身处、盾尾后方。
(1)盾构工作面之前一倍至几倍盾构直径的范围是直接受盾构推进质量影响的区域。土压平衡盾构机为闭胸式盾构，施工时通过协调土仓内的压力与正面地层压力于控制地层变形，当土仓内的压力大于正面地层压力，则有可能在施工区域内出现地面隆起，反之下陷。另盾构施工时控制出土量能有效的控制地层变形，当施工时出土量小于理论出土量时地面会隆起，反之则下沉：施工时出土量通常大于理论值，势必造成了地层损失，一般认为控制地层损失率在千分之五之内，盾构施工时对周边环境影响不大。
(2)盾构机机身在推进过程中由于盾构姿态不易控制，盾构机轴线与隧道轴线存在偏差，施工时对周边地层产生扰动，从而产生较长时期的固结沉降。
(3)盾尾脱出则又可分为近、远二段，及时、足量、适当的后补注浆对控制地层后期变形效果显著。盾构设计与施工时应合理分布注浆点位、控制注浆压力及选择合理的注浆浆液，以便有效的控制盾构隧道周边土体后期变形。
3.2 结构施工方案
从工程筹划角度出发本工程实际施工中可能存在以下2种施工方案：
方案一：先施工上方宋家庄站～肖村桥站盾构区间左、右线，后施工下方宋家庄出入段线右线盾构区间；
方案二：先施工下方宋家庄出入段线右线盾构区间，后施工上方宋家庄站～肖村桥站盾构区间左、右线；
由于工程范围内宋家庄站～肖村桥站盾构区间左、右线为浅覆土、小净距隧道，且与宋家庄出入段线右线盾构区间形成近距离空间立交关系，因此无论采用何种施工方案．后施工的盾构隧道必然会对先施工的隧道结构产生不利影响。为了合理确定空间立交隧道的施工方案．对该空间立交隧道在不同施工方案的修建过程中结构自身及周边环境的影响进行分析计算。
3.3 三维有限元计算
根据施工步序进行三维有限元模拟计算，计算模型边界条件：土层按实体单元模拟、结构按壳单元模拟、土层边界采用节点面弹簧模拟。
图3 计算模型（一）
图4 计算模型（二）
根据计算结果绘制地面沉降曲线如下：
图5 方案二：先施出入段线，后施工正线左、右线立交处地表沉降曲线
图6 方案一：先施工正线左、右线，后施工出入段线右线立交处地表沉降曲线
由上可知，上述两方案均需对地层进行加固，方案二优于方案一。
经项目组成员认真研讨，最终确定施工方案如下：立交段隧道施工时，先施作下层隧道结构，后施作上层隧道结构，并在立交范围内下方隧道内加上临时钢支撑；浅覆土、近距离隧道施工时，因宋家庄路下管线较多，盾构施工前预先对本段区域影响范围内土体进行袖阀管注浆加固（详见图7），根据现场监测情况盾构通过浅覆土段，必要时采用袋装钢渣进行压重；保证盾构施工质量，在盾构施工中，关键是要对开挖面的平衡压力加以控制，减少超挖量和土体损失，及时进行壁后注浆，防止盾尾空隙沉降等，根据前期盾构掘进参数控制与监控量测结果，确定合理的土压力设定值、排土率及掘进速度；通过本风险工程前15m，应对盾构机械进行检修，避免中间停机、漏浆或注浆系统堵管等情况发生，保证盾构能够连续匀速推进；盾构推进后，根据地面的监测结果，及时进行二次或多次补注浆，控制后期变形。本施工方案顺利通过了亦庄线风险工程专项设计专家论证会。
图7 浅覆土、小净距、立交段区间隧道地层加固图
受亦庄线工期影响，宋家庄站~肖村站区间隧道先于出入段线隧道施工，即宋家庄停车场出入段线右线盾构区间需下穿既有宋家庄站~肖村站盾构区间。对此我项目组高度重视，经研究确定如下方案：a、宋家庄停车场右线盾构区间衬砌管片增设注浆孔（每块标准环及邻接环各增加2个）；b、既有宋家庄站~肖村站区间隧道内横向增设钢套环，并保证钢套环与管片结构密贴，且套环之间设有纵向联系体系，如图8所示。
图8 刚套环详图
在对地层进行加固处理后，对施工方案进行了模拟分析，根据计算结果绘制地面沉降曲线如下：
图9 在地层加固前提下先施工正线左、右线，后施工出入段线右线立交处地表沉降曲线
因此在对地层进行加固处理的前提下先施工正线区间，后施工出入段线右线区间是可行的。（本施工方案顺利通过了施工组织专家论证会）
3.4 现场监测分析
施工监测项目按“分区、分级、分阶段”的原则制定监控量测控制标准，各监测项目按预警值、报警值及控制值三级进行管理和控制。
通过现场监测数值，绘制地面沉降曲线及既有结构变形曲线如下：
图10 出入段线与正线左线交叉处监测横断面地表沉降曲线
图11 正线区间（左线）与出入段线相交处隧道底沉降曲线
根据上述变形曲线可知，地表最大沉降為22.6mm（控制值为30mm），既有隧道结构沉降为3.1mm（控制值为5mm），各项指标均满足变形控制要求。
4 结论
本工程于2010年底顺利通车运营，针对浅覆土、小净距、立交段地铁区间隧道结构设计研究、结构施工方案分析、结构有限元分析、工程监测分析等，可得出如下结论：
（1）浅覆土、小净距、立交段地铁区间隧道采用盾构法施工是可行的；
（2）浅覆土、小净距盾构区间隧道通过地层加固措施改良土体物理力学性能，能有效抑制地层变形，既满足浅覆土（覆土厚约4m）盾构隧道施工要求，又减少了小净距盾构隧道之间相互影响；
（3）通过盾尾后补注浆能改善结构上方地层沉降；
（4）立交盾构隧道宜优先施工下层区间隧道，后施工上层区间隧道。当先施工上层隧道后下层隧道时，宜对上层隧道结构进行加固，防止因下层隧道推进时及盾尾注浆地层应力过大而导致既有隧道结构变形。
本工程的成功实施，可为后续类似工程提供参考及借鉴。
参考文献
[1] 施仲衡，张弥，王新杰，等．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社.
[2]周爱国．隧道工程现场施工技术[M]．北京：人民交通出版社.
[3]王振信.盾构施工对环境的影响．地下工程与隧道[J]．2008年第4期.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
AbstractBase on the construction of” Shallow covering、 small radius、interchange” spatial structure ,which formed in trunk andpolyline shield tunnel in BeiJing Metro YiZhuang Line; through the analytics and simulation of the shield tunnel construction sequence in different project planning, the best construction sequence and scheme are put forward.
关键词盾构隧道 浅覆土 小净距 立交 施工顺序
Key Word ： shield tunnel shallow covering small radius spatialconstruction sequence
中图分类号：U45 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）02-0020-02
随着城市轨道交通不断发展，线网越来越密集，浅覆土、小净距、立体交叉段隧道也将越来越普遍。复杂环境下空间立交隧道难点在于如何减少隧道施工对周边环境及隧道结构之间的相互影响。目前国内关于浅覆土、小净距、立體交叉段隧道的工程实例非常少见。
1 工程概况
宋家庄站～肖村桥站盾构区间线路由宋家庄站后明挖区间南端顺着宋庄路向南敷设，行进至顶秀鑫园线路以半径350m向东偏，沿着凉水河北岸以半径800m向东行进，下穿红寺村、双丰铁路支线、肖村及成寿寺路，到达肖村桥站。其中穿越宋庄路段（YK0+510～YK0+820）区间隧道覆土为4.1m~6m，左、右线线间距为3.7～6m，为浅覆土、小净距隧道。根据全线线路敷设，宋家庄出入段线右线需下穿正线区间，下穿区域为YK0+530～YK0+600，位于浅覆土、近距离正线区间结构段范围内，且宋家庄出入段线右线区间隧道采用盾构法施工，与正线盾构隧道呈20°夹角，与正线隧道结构之间竖向净距为3.72m。区间隧道之间相互关系如图1所示。
图1 隧道相互关系图
2 工程地质与水文地质
2.1 工程地质
工程范围内地层自上而下依次为：人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层。宋家庄站～肖村桥站区间隧道穿越地层主要为新近沉积层的粉质粘土、粉土、细-中砂及卵石-圆砾层，宋家庄出入段线右线区间隧道穿越地层主要为第四纪沉积层的粉质粘土、粉土及细-中砂层，区间隧道主要穿越地层如图2所示。工程范围内各土层主要物理力学指标见表1。
表1土层主要物理力学指标
图2 工程地质剖面图
工程场地范围内无不良地质作用，场地内自然地面以下20m深度范围内天然沉积的饱和粉土及砂土不会发生地震液化。
2.2 水文地质
工程范围内地下水主要为：潜水水位埋深约7m，含水层为第3大层中的砂土、卵石层；承压水水位埋深约21m，含水层为第8大层中的砂土、卵石层。工程场地内地下水水质对混凝土结构均无腐蚀性，但在干湿交替作用条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋均具有弱腐蚀性，对钢结构均具有弱腐蚀性。
3 施工方案分析
结合工程范围内周边环境、工程地质及水文地质情况，确定宋家庄站～肖村桥站区间隧道及宋家庄出入段线右线区间隧道均采用盾构法施工。
3.1 盾构施工对环境作用机理
盾构隧道施工是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法 。
盾构在地层中施工对周边地层产生不同程度的应力重分布，进而形成对环境的影响，一般可将其划分为三个区域：盾构工作面前方、盾构机机身处、盾尾后方。
(1)盾构工作面之前一倍至几倍盾构直径的范围是直接受盾构推进质量影响的区域。土压平衡盾构机为闭胸式盾构，施工时通过协调土仓内的压力与正面地层压力于控制地层变形，当土仓内的压力大于正面地层压力，则有可能在施工区域内出现地面隆起，反之下陷。另盾构施工时控制出土量能有效的控制地层变形，当施工时出土量小于理论出土量时地面会隆起，反之则下沉：施工时出土量通常大于理论值，势必造成了地层损失，一般认为控制地层损失率在千分之五之内，盾构施工时对周边环境影响不大。
(2)盾构机机身在推进过程中由于盾构姿态不易控制，盾构机轴线与隧道轴线存在偏差，施工时对周边地层产生扰动，从而产生较长时期的固结沉降。
(3)盾尾脱出则又可分为近、远二段，及时、足量、适当的后补注浆对控制地层后期变形效果显著。盾构设计与施工时应合理分布注浆点位、控制注浆压力及选择合理的注浆浆液，以便有效的控制盾构隧道周边土体后期变形。
3.2 结构施工方案
从工程筹划角度出发本工程实际施工中可能存在以下2种施工方案：
方案一：先施工上方宋家庄站～肖村桥站盾构区间左、右线，后施工下方宋家庄出入段线右线盾构区间；
方案二：先施工下方宋家庄出入段线右线盾构区间，后施工上方宋家庄站～肖村桥站盾构区间左、右线；
由于工程范围内宋家庄站～肖村桥站盾构区间左、右线为浅覆土、小净距隧道，且与宋家庄出入段线右线盾构区间形成近距离空间立交关系，因此无论采用何种施工方案．后施工的盾构隧道必然会对先施工的隧道结构产生不利影响。为了合理确定空间立交隧道的施工方案．对该空间立交隧道在不同施工方案的修建过程中结构自身及周边环境的影响进行分析计算。
3.3 三维有限元计算
根据施工步序进行三维有限元模拟计算，计算模型边界条件：土层按实体单元模拟、结构按壳单元模拟、土层边界采用节点面弹簧模拟。
图3 计算模型（一）
图4 计算模型（二）
根据计算结果绘制地面沉降曲线如下：
图5 方案二：先施出入段线，后施工正线左、右线立交处地表沉降曲线
图6 方案一：先施工正线左、右线，后施工出入段线右线立交处地表沉降曲线
由上可知，上述两方案均需对地层进行加固，方案二优于方案一。
经项目组成员认真研讨，最终确定施工方案如下：立交段隧道施工时，先施作下层隧道结构，后施作上层隧道结构，并在立交范围内下方隧道内加上临时钢支撑；浅覆土、近距离隧道施工时，因宋家庄路下管线较多，盾构施工前预先对本段区域影响范围内土体进行袖阀管注浆加固（详见图7），根据现场监测情况盾构通过浅覆土段，必要时采用袋装钢渣进行压重；保证盾构施工质量，在盾构施工中，关键是要对开挖面的平衡压力加以控制，减少超挖量和土体损失，及时进行壁后注浆，防止盾尾空隙沉降等，根据前期盾构掘进参数控制与监控量测结果，确定合理的土压力设定值、排土率及掘进速度；通过本风险工程前15m，应对盾构机械进行检修，避免中间停机、漏浆或注浆系统堵管等情况发生，保证盾构能够连续匀速推进；盾构推进后，根据地面的监测结果，及时进行二次或多次补注浆，控制后期变形。本施工方案顺利通过了亦庄线风险工程专项设计专家论证会。
图7 浅覆土、小净距、立交段区间隧道地层加固图
受亦庄线工期影响，宋家庄站~肖村站区间隧道先于出入段线隧道施工，即宋家庄停车场出入段线右线盾构区间需下穿既有宋家庄站~肖村站盾构区间。对此我项目组高度重视，经研究确定如下方案：a、宋家庄停车场右线盾构区间衬砌管片增设注浆孔（每块标准环及邻接环各增加2个）；b、既有宋家庄站~肖村站区间隧道内横向增设钢套环，并保证钢套环与管片结构密贴，且套环之间设有纵向联系体系，如图8所示。
图8 刚套环详图
在对地层进行加固处理后，对施工方案进行了模拟分析，根据计算结果绘制地面沉降曲线如下：
图9 在地层加固前提下先施工正线左、右线，后施工出入段线右线立交处地表沉降曲线
因此在对地层进行加固处理的前提下先施工正线区间，后施工出入段线右线区间是可行的。（本施工方案顺利通过了施工组织专家论证会）
3.4 现场监测分析
施工监测项目按“分区、分级、分阶段”的原则制定监控量测控制标准，各监测项目按预警值、报警值及控制值三级进行管理和控制。
通过现场监测数值，绘制地面沉降曲线及既有结构变形曲线如下：
图10 出入段线与正线左线交叉处监测横断面地表沉降曲线
图11 正线区间（左线）与出入段线相交处隧道底沉降曲线
根据上述变形曲线可知，地表最大沉降為22.6mm（控制值为30mm），既有隧道结构沉降为3.1mm（控制值为5mm），各项指标均满足变形控制要求。
4 结论
本工程于2010年底顺利通车运营，针对浅覆土、小净距、立交段地铁区间隧道结构设计研究、结构施工方案分析、结构有限元分析、工程监测分析等，可得出如下结论：
（1）浅覆土、小净距、立交段地铁区间隧道采用盾构法施工是可行的；
（2）浅覆土、小净距盾构区间隧道通过地层加固措施改良土体物理力学性能，能有效抑制地层变形，既满足浅覆土（覆土厚约4m）盾构隧道施工要求，又减少了小净距盾构隧道之间相互影响；
（3）通过盾尾后补注浆能改善结构上方地层沉降；
（4）立交盾构隧道宜优先施工下层区间隧道，后施工上层区间隧道。当先施工上层隧道后下层隧道时，宜对上层隧道结构进行加固，防止因下层隧道推进时及盾尾注浆地层应力过大而导致既有隧道结构变形。
本工程的成功实施，可为后续类似工程提供参考及借鉴。
参考文献
[1] 施仲衡，张弥，王新杰，等．地下铁道设计与施工[M]．西安：陕西科学技术出版社.
[2]周爱国．隧道工程现场施工技术[M]．北京：人民交通出版社.
[3]王振信.盾构施工对环境的影响．地下工程与隧道[J]．2008年第4期.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。