既有地鐵線路變形控制標準研究

李興高

(北京交通大學 土建學院，北京 100044)

0 引言

隨著我國城市軌道交通線網的大規模建設，必然會遇到線路之間的交叉和換乘，產生新建隧道在既有地鐵線路附近施工的問題。隧道施工不可避免地對既有線結構產生擾動，影響到對既有線的運營。但只要通過有效的工程措施，將這種影響降低到列車安全運營允許的范圍內，施工即可正常進行。問題的關鍵在于設定合理的、保證既有線安全運營所需要的各項指標及其管理值，統一納入到既有線變形的控制標準體系之中，以便于在新線隧道信息化設計和施工中，通過監控量測和信息反饋，使既有地鐵線的結構狀態和安全運營始終處于可控的狀態之內。

既有地鐵線變形控制標準可分為兩類，一是隧道結構變形控制標準，二是軌道結構變形控制標準。因二者的養護維修方法、環境條件以及在線路運營中的功能等方面的不同，相應的變形控制標準確定方法也不相同。軌道結構變形控制標準與扣件類型、線路類型、運營速度和線路養護維修條件等現場工作條件有著密切關系，需要綜合考慮確定。而既有線隧道結構變形控制標準的確定也是一個十分復雜的問題，涉及到既有線的現狀承載能力和施工對既有線的變形影響。由于計算巖土力學本身所固有的、在計算模型和計算參數兩方面的不確定性，隧道結構的現狀承載力和施工影響預測是兩項很難精確做好的工作。有鑒于此，本文在對已有工程實例變形控制標準總結的基礎上，詳細研究了軌道結構和隧道結構變形控制標準的確定方法。另外，目前工程中越來越強調施工過程中的動態控制和分級管理，本文在最后研究了既有地鐵線路控制標準的細分問題。

1 典型工程變形控制標準匯總

美國波士頓的中央交通主動脈隧道C11A1標—Ⅰ-93州際公路北向隧道段下穿Redline地鐵(車站)、MBTA 電車隧道(車站)［1－3］工程規定既有結構彎曲變形警戒值為6 mm，極限值為10 mm。倫敦地鐵Jubilee延長線下穿5條地鐵線的10條隧道工程中，Bakerloo線隧道沉降控制在10 mm以內，Northern線隧道沉降控制在15 mm以內。意大利Bologna市郊公路隧道下穿既有Ravone高速鐵路站場工程，隧道在既有線列車速度80 km/h的條件下進行施工。為保證既有鐵路線的正常運營，對施工導致的鐵路沉降制訂了嚴格的限制標準，見表1。北京地鐵5號線崇文門站下穿既有地鐵2號線崇文門站[1]工程的既有線隧道結構和軌道結構變形控制標準(見表2)。北京地鐵10號線一期工程北土城東路站—芍藥居站盾構區間下穿既有城鐵13號線，芍藥居站工程中，對盾構下穿城鐵13號線提出如下要求:整體道床沉降要求不超過30 mm;確保施工引起地表沉降量不超過5 mm。北京首都機場線東直門站上(下)穿既有城鐵13號線東直門站后折返線工程的既有線軌道結構和隧道結構變形控制標準(見表3和表4)。上海地鐵4號線上海體育場站下穿越地鐵1號線上海體育場站工程規定施工引起的地鐵結構變形必須滿足如下條件[2]:①軌道高差(縱向)<4 mm/10 m;②地鐵結構絕對沉降量≤20 mm。上海東方路—張楊路下立交工程上穿已建R2線、在建M4線及規劃R4線三條軌道交通線的區間隧道[3]工程，運營地鐵隧道對變形控制要求極高，工程規定各種卸載和加載活動對運營地鐵隧道的影響必須滿足:①地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20 mm;②隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m;③相對彎曲≤1/2 500。上海軌道交通8號線(M8線)曲阜路—人民廣場區間在人民廣場上穿2號線[4]，工程采用土壓平衡式盾構掘進，施工中制訂的運營中2號線結構變形控制標準為:隧道結構縱向沉降與隆起值為 ±5 mm，縱向水平位移控制值為±5 mm，此外還必須滿足《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》的要求。廣州地鐵2號線火車站—三元里區間隧道下穿越廣州火車站站場工程，要求隧道施工所造成的地表沉降不得超過±10 mm，每條線兩根軌道高差不得大于4 mm。LO和 RAMSAY(1991)[5]通過多倫多地鐵隧道上方基坑開挖的實例，說明了鄰近開挖引起既有隧道襯砌縱向、橫向上的應力和變形的變化，主要討論了既有隧道結構和運營的要求、土體表觀參數選取、襯砌上附加應力和變形的預測、施工控制標準和現場監測。舊金山MUNI隧道上穿既有BART隧道工程施工中，BART隧道位移允許的極限值為:襯砌收斂1.0英寸、仰供下沉或隆起0.5英寸、軌道最大傾斜為0.75英寸/31英尺。KOBAYASHI等(2003)全面描述了城市隧道下穿既有運營鐵路的的規劃、設計和施工，按照鐵路的維修程度建立了3項控制標準。當軌道的沉降超過控制標準時，就啟動三級應急管理程序。深井降水允許的軌道沉降為2～4 mm，隧道開挖允許的軌道沉降為3～6 mm，軌道最終的允許沉降為 10 mm。Moss和 Bowers(2006)介紹了 CTRL高速鐵速隧道近距離下穿6條既有地鐵隧道的工程情況，對每個隧道穿越進行了系統的評估，計算每條既有隧道允許的彎曲曲率，研究發現鑄鐵管片隧道最容易受地層運動的影響。對于承載能力不足的隧道，施工前放松了襯砌管片的環向接頭螺栓。

2 軌道結構變形標準確定方法

軌道結構變形允許極限值主要取決于軌道結構的養護維修規則和扣件類型，同時需考慮在軌道可調范圍內限界(包括行車、設備和建筑限界)的要求。軌道結構的變形控制指標有道床沉降控制值(包括下沉和上浮)、道床沉降速率控制值、道床不均勻沉降控制值、道床與結構的剝離控制值和軌道靜態幾何尺寸管理值。

表2 既有線結構變形預警值和允許值 mm

表3 軌道結構沉降變形預警值和允許值 mm

表4 既有線變形控制標準 mm

當軌道結構變形不影響限界時，可將根據軌道結構和維修標準確定的既有線軌道結構變形累計控制值作為軌道變形允許極限值;當軌道結構變形影響限界時，需根據限界要求修改軌道結構變形累計控制值，然后將修改后的軌道結構變形累計控制值作為軌道變形允許極限值。由于軌道結構在沉降允許極限值內是需要按照養護維修標準及時維修調整的，因此可將根據軌道維修規則確定的日變形速率控制值作為軌道變形速率允許極限值。通常，將軌道變形允許極限值考慮一定的安全儲備來確定軌道結構變形控制標準。

由于施工期間為非常時期，需要每天對線路進行檢查和保養，因此可取經常保養的軌道靜態幾何尺寸允許偏差管理值作為日變形極限值，允許軌道結構每天發生的變形極限值，包含穿越施工引起的軌道變形和運營引起的軌道磨損變形等。施工引起日變形控制值理論上應為日變形極限值減去運營引起的軌道磨損，但是考慮變形量過大每天的軌道維修保養工作量將會大大增加，所以在考慮適宜軌道維修保養工作量的條件下，根據運營線路日常磨耗情況可將日變形極限值進行折減，一般可取日變形極限值的30% ～50%作為日變形控制值。

軌道結構的累計變形極限值可定義為通過增加扣件零部件種類和調高墊板等方法能使鋼軌方向和軌面高程基本復原的軌道結構變形累計值。因此，軌道結構的累計變形極限值的大小取決于扣件的類型和扣件可調范圍的大小。當軌道沉降超過經常保養管理值時，需通過調整墊片來進行軌道維修。表5列舉了目前北京地鐵整體道床常用的幾種扣件的可調量和調高墊板的規格。

表5 地鐵常用整體道床扣件可調量 mm

考慮到施工結束后既有線還將正常運營，因此穿越施工時不宜將扣件可調量用足，應將扣件的可調量作為軌道變形累計極限值，軌道變形允許極限值一般取軌道變形累計極限值的50%左右。

以北京為例，地鐵運營公司對既有運營線路軌道變形允許極限值的要求是很明確的，即運營地鐵的軌道應滿足《北京地鐵工務維修規則》中確定的軌道日常維修要求。《北京地鐵工務維修規則》中規定了軌道和道岔靜態幾何尺寸的計劃維修和經常保養管理值，歸納見表6，施工期間軌道的變形可按經常保養管理值進行控制。

根據軌道結構現狀測量和相應的工務修理規則，并復核線路限界的要求，可確定在穿越施工期間既有線軌道結構的變形控制標準，建議方法如下:

1)軌道和道岔日變形控制標準取靜態幾何尺寸偏差管理值的30%，每日停運后需對軌道和道岔進行檢查，嚴格控制軌道和道岔的靜態幾何尺寸，偏差超標必須及時進行維修。

表6 整體道床線路靜態幾何尺寸允許偏差管理值 mm

2)結合線路扣件類型，當道床沉降時，需在沉降位置處扣件下增加調高墊板以調整軌道頂面高度;當上浮時，應在上浮結構兩側增加調高墊板調整軌道頂面高度，滿足靜態幾何尺寸偏差管理要求。以DTⅥ2型扣件為例，其可調量為30 mm，且可采用鐵墊板進行調高，理論上道床沉降極限值可取±30 mm，但考慮到施工誤差和運營要求，取DTⅥ2型扣件的可調量的50%左右，即±15 mm作為道床沉降控制標準。

3)若穿越處為道岔區，可取其日常保養條件下軌道高低偏差的30%作為軌道日變形極限值，且保證道床結構的日變形量應小于等于軌道的日變形量。

4)若在穿越影響范圍內存在變形縫，變形縫處容易出現沉降差。對軌道而言，該處沉降差也需靠扣件來進行調整，以DTⅥ2型扣件為例，道床沉降差應小于DTⅥ2型扣件的可調量的50%左右，即15 mm。

5)道床的沉降變形可能引起道床開裂，道床開裂超過3 mm時，應進行修補，以保證其整體性。

6)穿越施工過程中道床與結構脫離超過3 mm時，應及時進行修補;脫離在3 mm以內時，待施工穩定后修補。道床裂縫可采用磨細超流態CGM灌漿料填充，漿料粒徑不大于0.3 mm，采用無壓灌注法，灌漿材料2 h必須達到C15強度等級，并在通車前2 h施工完畢。

3 隧道結構變形標準確定方法

關于既有線結構變形，關注的核心問題有兩點:①既有線結構允許的最大變形值(包括沉降、不均勻沉降、扭轉、傾斜等)，它集中體現了既有線結構的安全狀況;②既有結構允許的最大變形速率，因為變形速率的突然增大通常是某些異常變化的體現，若處理措施不當則可能發生災難性事故。既有線結構變形控制指標主要有沉降控制值(即最大允許沉降量)、沉降速率控制值(即最大允許沉降速率)、不均勻沉降控制值(即允許的最大差異沉降值)、結構傾斜控制值、結構扭轉控制值等。而具體項目的確定需要結合實際工程的特點，從便于實施的角度選擇。

穿越施工將引起既有線結構附加內力和變形。因此，評估既有線結構在穿越施工期間的安全性，主要看其內力的變化，即通過結構承載力的檢算確定既有線結構的變形允許極限值。考慮到結構本身的復雜性，不同施工方法引起的結構變形大小和分布是不同的，結構內力的變化也是不同的。因此首先要考慮穿越工程施工可能引起的既有線結構的變形大小和分布形式，根據變形大小和分布形式，計算由此可能產生相應的結構內力分布，并與現狀結構承載力進行比較，如此反復驗算。

對于穿越施工引起既有線結構的變形情況，主要基于地層—結構模型，利用成熟的專用商業巖土計算軟件，如美國Itasca公司開發的FLAC3D三維顯式有限差分軟件，通過對施工過程中典型工況的模擬分析，可得到較為準確的既有線結構變形情況。

對于既有線結構附加內力的計算，主要基于荷載—結構模型，利用成熟的專用商業結構計算軟件，如韓國MIDAS公司開發的MIDAS/CIVIL系列程序，采用位移法，以板殼單元建立空間結構模型，通過對既有線結構施工前初始狀態、施工中和施工后不同階段變形狀態的內力計算分析，得到既有線結構的內力變化。初始狀態的計算內力值與變形引起的內力增量迭加，即可得到結構在沉降變形后的實際內力。同時，根據既有線結構的材料強度、結構尺寸、所配鋼筋及結構現狀檢測評估報告，通過強度控制及裂縫控制兩種工況，可計算出既有線結構所能承受的最大內力，即承載能力。

將結構的實際內力與承載能力相比較，即可判斷既有線結構的工作狀態，進而評估其安全性，確定既有線結構的允許變形極限值。如果結構內力沒有超出現狀結構內力允許值的范圍，則認為在穿越施工時既有線結構是安全的，反之則不安全。當結構內力超出現狀結構內力允許值時，應重新選定施工工法或采取加強措施，并重復進行既有線結構變形狀態的計算，直至所選取的工法引起既有線結構附加內力小于現狀結構內力允許值。將選定施工方法對既有線結構可能產生的最大變形值并考慮一定的安全儲備，以確定既有線結構變形控制值。

可將上述確定既有線結構允許變形極限值的步驟簡要歸納步驟如下:

1)對影響范圍內既有線結構進行現狀調查和檢測并評價，根據檢測結果確定結構承載力檢算時計算參數的取值。

2)根據選定的工法，采用地層結構模型，對既有線結構受建設施工的影響進行預測分析，確定既有線結構的變形模式和變形值。

3)依據既有線結構現狀檢測結果，可計算出既有線結構所能承受的最大內力，即承載能力。

4)根據既有線結構形式和變形預測結果，選擇適當的荷載結構模型，計算穿越條件下變形引起既有線結構內力變化。比較施工引起變形后結構內力與現狀結構承載能力，如果結構內力沒有超出現狀結構承載能力值的范圍，則認為結構在穿越施工時，既有線結構是安全的，反之則不安全。

5)當結構內力超出現狀結構內力允許值時，應重新選定施工工法或采取加強措施，并重復第四步和第五步，直至所選取的工法引起既有線變形的結構內力小于現狀結構承載能力值。

6)將選定施工方法對既有線結構可能產生的最大變形值并考慮一定的安全儲備確定為既有線結構變形控制值。

7)綜合考慮軌道結構變形的要求，確定結構變形允許極限值。若相對于軌道結構變形極限值，結構變形允許極限值偏大，則以軌道結構變形允許極限值作為結構變形允許極限值;反之，結構變形允許極限值保持不變。

8)結合已有類似工程經驗的總結，經專家的討論進一步修正或調整前面得到變形極限值，將討論后的結果作為實際工程中采用的控制標準。

4 隧道、軌道結構變形控制標準之間的關系

既有線結構允許的變形極限值不僅取決于既有線結構的現狀和施工影響，還取決于軌道結構允許的變形極限值。當既有線為運營線路時，隧道結構變形與軌道結構變形發展應趨向一致，結構變形控制指標中沉降控制值、沉降速率控制值、不均勻沉降控制值3個指標與軌道結構變形控制指標中道床沉降控制值、道床沉降速率控制值、道床不均勻沉降控制值3個指標關系極為密切。一般情況下隧道結構變形大于等于軌道結構變形，隧道結構變形允許極限值的確定必須充分考慮軌道結構變形的控制。從安全運營的角度出發，隧道結構變形必須服從于軌道結構變形，以保證隧道結構變形在極限值范圍內發生變形時，軌道結構發生的變形不超過軌道結構變形允許極限值，從而防止道床與隧道結構的脫離。

5 控制標準的分解執行

總變形是各工序變形的累計，只有保證各工序施工措施到位，引起的變形得到有效控制，才能確保累計變形得到控制。因此，應充分考慮不同施工工序對既有線的影響，對關鍵工序設定分步控制值。具體做法是將工程施工過程劃分為幾個典型施工階段，按典型施工階段進行變位分配控制。前文提到的數值模擬預測施工影響分步進行，對主要工序施工引起既有線的變形量進行預測，總變形量是分步變形量的疊加。主要依據計算得到的不同施工工序變形量之間的比例關系，并考慮到計算理論及模型的誤差，結合既有線結構內力核算情況并參考已有的穿越工程實例，確定本工程主要工序分步變形控制值，即“分步”控制標準。

為做到防范于未然，工程中往往采用“分級”控制。具體來說，對于每一典型工序，實行“三級”警示制度，分別包括預警值、報警值、控制值。監測控制值是指分步控制值，預警值是指引起警戒措施的起始值，報警值是指需提出報警的起始值，一般來說，預警值取控制值的70%，報警值取控制值的80%，實測值超過預警值應通知相關單位，加強監測頻率，啟動對應預案。但對于特定工程，典型施工階段劃分和每一警示值的具體數值還需要詳細研究和仔細推敲。

6 工程應用實例

北京城市軌道交通首都機場線東直門站C區下穿城鐵13號線東直門站后折返線，為國內首次大斷面密貼穿越既有線，C區下穿部分初支結構緊貼折返線底板墊層。下穿折返線暗挖結構采用了洞樁托換施工方案。

折返線采用彈性分開式DTⅥ2型扣件，可取其可調量的50%，即±15 mm作為軌道交通變形允許最大值。但根據線路測量結果，現狀軌道結構隆起最大可調量為3 mm，取此可調量的50%左右，即1.5 mm作為軌道結構隆起變形控制標準，而軌道結構沉降變形控制標準可以確定為15 mm。

采用地層—結構模型整個施工過程中既有線隧道結構累計最大上浮值為1.69 mm，累計最大沉降量為13.5 mm。通過荷載—結構模型，可以驗算在上述變形情況下，結構內力沒有超出現狀結構承載能力值的范圍。

綜合考慮隧道結構與軌道結構變形控制標準之間的關系，可以確定既有線隧道結構隆起變形極限值為1.5 mm，沉降變形極限值為13.5 mm。

為便于工程控制，又將隧道結構變形控制標準按預警值、報警值和控制值進一步分解，落實到每一典型施工步驟，見表7。

表7 結構變形控制指標 mm

7 結論

1)既有線的變形控制標準，主要包括兩個方面的內容，即結構變形控制標準和軌道結構變形控制標準。軌道結構變形控制標準的制訂應以利于養護維護、維修可用為原則，一般可取軌道結構累計變形控制值的30%～50%作為日變形控制值。結構變形控制標準的確定主要涉及到既有線的現狀承載力和施工對既有線影響程度兩方面的因素。對于二者的確定，必須經過完整的計算分析

2)考慮隧道結構與軌道結構之間的相互作用，隧道結構變形控制標準必須服從于軌道結構變形控制的要求。

3)控制標準的制訂應采用“分步、分級”的原則，將總指標分解到每一典型施工步驟，提出分步控制指標，分步落實。對于第一典型施工步驟，應實行“三級”控制，針對不同情況，采用預警值、報警值、控制值作為相應于不同狀況下的警示值。

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