既有地铁线路变形控制标准研究

李兴高

(北京交通大学 土建学院，北京 100044)

0 引言

随着我国城市轨道交通线网的大规模建设，必然会遇到线路之间的交叉和换乘，产生新建隧道在既有地铁线路附近施工的问题。隧道施工不可避免地对既有线结构产生扰动，影响到对既有线的运营。但只要通过有效的工程措施，将这种影响降低到列车安全运营允许的范围内，施工即可正常进行。问题的关键在于设定合理的、保证既有线安全运营所需要的各项指标及其管理值，统一纳入到既有线变形的控制标准体系之中，以便于在新线隧道信息化设计和施工中，通过监控量测和信息反馈，使既有地铁线的结构状态和安全运营始终处于可控的状态之内。

既有地铁线变形控制标准可分为两类，一是隧道结构变形控制标准，二是轨道结构变形控制标准。因二者的养护维修方法、环境条件以及在线路运营中的功能等方面的不同，相应的变形控制标准确定方法也不相同。轨道结构变形控制标准与扣件类型、线路类型、运营速度和线路养护维修条件等现场工作条件有着密切关系，需要综合考虑确定。而既有线隧道结构变形控制标准的确定也是一个十分复杂的问题，涉及到既有线的现状承载能力和施工对既有线的变形影响。由于计算岩土力学本身所固有的、在计算模型和计算参数两方面的不确定性，隧道结构的现状承载力和施工影响预测是两项很难精确做好的工作。有鉴于此，本文在对已有工程实例变形控制标准总结的基础上，详细研究了轨道结构和隧道结构变形控制标准的确定方法。另外，目前工程中越来越强调施工过程中的动态控制和分级管理，本文在最后研究了既有地铁线路控制标准的细分问题。

1 典型工程变形控制标准汇总

美国波士顿的中央交通主动脉隧道C11A1标—Ⅰ-93州际公路北向隧道段下穿Redline地铁(车站)、MBTA 电车隧道(车站)［1－3］工程规定既有结构弯曲变形警戒值为6 mm，极限值为10 mm。伦敦地铁Jubilee延长线下穿5条地铁线的10条隧道工程中，Bakerloo线隧道沉降控制在10 mm以内，Northern线隧道沉降控制在15 mm以内。意大利Bologna市郊公路隧道下穿既有Ravone高速铁路站场工程，隧道在既有线列车速度80 km/h的条件下进行施工。为保证既有铁路线的正常运营，对施工导致的铁路沉降制订了严格的限制标准，见表1。北京地铁5号线崇文门站下穿既有地铁2号线崇文门站[1]工程的既有线隧道结构和轨道结构变形控制标准(见表2)。北京地铁10号线一期工程北土城东路站—芍药居站盾构区间下穿既有城铁13号线，芍药居站工程中，对盾构下穿城铁13号线提出如下要求:整体道床沉降要求不超过30 mm;确保施工引起地表沉降量不超过5 mm。北京首都机场线东直门站上(下)穿既有城铁13号线东直门站后折返线工程的既有线轨道结构和隧道结构变形控制标准(见表3和表4)。上海地铁4号线上海体育场站下穿越地铁1号线上海体育场站工程规定施工引起的地铁结构变形必须满足如下条件[2]:①轨道高差(纵向)<4 mm/10 m;②地铁结构绝对沉降量≤20 mm。上海东方路—张杨路下立交工程上穿已建R2线、在建M4线及规划R4线三条轨道交通线的区间隧道[3]工程，运营地铁隧道对变形控制要求极高，工程规定各种卸载和加载活动对运营地铁隧道的影响必须满足:①地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20 mm;②隧道变形曲线的曲率半径R≥15 000 m;③相对弯曲≤1/2 500。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[4]，工程采用土压平衡式盾构掘进，施工中制订的运营中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 ±5 mm，纵向水平位移控制值为±5 mm，此外还必须满足《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》的要求。广州地铁2号线火车站—三元里区间隧道下穿越广州火车站站场工程，要求隧道施工所造成的地表沉降不得超过±10 mm，每条线两根轨道高差不得大于4 mm。LO和 RAMSAY(1991)[5]通过多伦多地铁隧道上方基坑开挖的实例，说明了邻近开挖引起既有隧道衬砌纵向、横向上的应力和变形的变化，主要讨论了既有隧道结构和运营的要求、土体表观参数选取、衬砌上附加应力和变形的预测、施工控制标准和现场监测。旧金山MUNI隧道上穿既有BART隧道工程施工中，BART隧道位移允许的极限值为:衬砌收敛1.0英寸、仰供下沉或隆起0.5英寸、轨道最大倾斜为0.75英寸/31英尺。KOBAYASHI等(2003)全面描述了城市隧道下穿既有运营铁路的的规划、设计和施工，按照铁路的维修程度建立了3项控制标准。当轨道的沉降超过控制标准时，就启动三级应急管理程序。深井降水允许的轨道沉降为2～4 mm，隧道开挖允许的轨道沉降为3～6 mm，轨道最终的允许沉降为 10 mm。Moss和 Bowers(2006)介绍了 CTRL高速铁速隧道近距离下穿6条既有地铁隧道的工程情况，对每个隧道穿越进行了系统的评估，计算每条既有隧道允许的弯曲曲率，研究发现铸铁管片隧道最容易受地层运动的影响。对于承载能力不足的隧道，施工前放松了衬砌管片的环向接头螺栓。

2 轨道结构变形标准确定方法

轨道结构变形允许极限值主要取决于轨道结构的养护维修规则和扣件类型，同时需考虑在轨道可调范围内限界(包括行车、设备和建筑限界)的要求。轨道结构的变形控制指标有道床沉降控制值(包括下沉和上浮)、道床沉降速率控制值、道床不均匀沉降控制值、道床与结构的剥离控制值和轨道静态几何尺寸管理值。

表2 既有线结构变形预警值和允许值 mm

表3 轨道结构沉降变形预警值和允许值 mm

表4 既有线变形控制标准 mm

当轨道结构变形不影响限界时，可将根据轨道结构和维修标准确定的既有线轨道结构变形累计控制值作为轨道变形允许极限值;当轨道结构变形影响限界时，需根据限界要求修改轨道结构变形累计控制值，然后将修改后的轨道结构变形累计控制值作为轨道变形允许极限值。由于轨道结构在沉降允许极限值内是需要按照养护维修标准及时维修调整的，因此可将根据轨道维修规则确定的日变形速率控制值作为轨道变形速率允许极限值。通常，将轨道变形允许极限值考虑一定的安全储备来确定轨道结构变形控制标准。

由于施工期间为非常时期，需要每天对线路进行检查和保养，因此可取经常保养的轨道静态几何尺寸允许偏差管理值作为日变形极限值，允许轨道结构每天发生的变形极限值，包含穿越施工引起的轨道变形和运营引起的轨道磨损变形等。施工引起日变形控制值理论上应为日变形极限值减去运营引起的轨道磨损，但是考虑变形量过大每天的轨道维修保养工作量将会大大增加，所以在考虑适宜轨道维修保养工作量的条件下，根据运营线路日常磨耗情况可将日变形极限值进行折减，一般可取日变形极限值的30% ～50%作为日变形控制值。

轨道结构的累计变形极限值可定义为通过增加扣件零部件种类和调高垫板等方法能使钢轨方向和轨面高程基本复原的轨道结构变形累计值。因此，轨道结构的累计变形极限值的大小取决于扣件的类型和扣件可调范围的大小。当轨道沉降超过经常保养管理值时，需通过调整垫片来进行轨道维修。表5列举了目前北京地铁整体道床常用的几种扣件的可调量和调高垫板的规格。

表5 地铁常用整体道床扣件可调量 mm

考虑到施工结束后既有线还将正常运营，因此穿越施工时不宜将扣件可调量用足，应将扣件的可调量作为轨道变形累计极限值，轨道变形允许极限值一般取轨道变形累计极限值的50%左右。

以北京为例，地铁运营公司对既有运营线路轨道变形允许极限值的要求是很明确的，即运营地铁的轨道应满足《北京地铁工务维修规则》中确定的轨道日常维修要求。《北京地铁工务维修规则》中规定了轨道和道岔静态几何尺寸的计划维修和经常保养管理值，归纳见表6，施工期间轨道的变形可按经常保养管理值进行控制。

根据轨道结构现状测量和相应的工务修理规则，并复核线路限界的要求，可确定在穿越施工期间既有线轨道结构的变形控制标准，建议方法如下:

1)轨道和道岔日变形控制标准取静态几何尺寸偏差管理值的30%，每日停运后需对轨道和道岔进行检查，严格控制轨道和道岔的静态几何尺寸，偏差超标必须及时进行维修。

表6 整体道床线路静态几何尺寸允许偏差管理值 mm

2)结合线路扣件类型，当道床沉降时，需在沉降位置处扣件下增加调高垫板以调整轨道顶面高度;当上浮时，应在上浮结构两侧增加调高垫板调整轨道顶面高度，满足静态几何尺寸偏差管理要求。以DTⅥ2型扣件为例，其可调量为30 mm，且可采用铁垫板进行调高，理论上道床沉降极限值可取±30 mm，但考虑到施工误差和运营要求，取DTⅥ2型扣件的可调量的50%左右，即±15 mm作为道床沉降控制标准。

3)若穿越处为道岔区，可取其日常保养条件下轨道高低偏差的30%作为轨道日变形极限值，且保证道床结构的日变形量应小于等于轨道的日变形量。

4)若在穿越影响范围内存在变形缝，变形缝处容易出现沉降差。对轨道而言，该处沉降差也需靠扣件来进行调整，以DTⅥ2型扣件为例，道床沉降差应小于DTⅥ2型扣件的可调量的50%左右，即15 mm。

5)道床的沉降变形可能引起道床开裂，道床开裂超过3 mm时，应进行修补，以保证其整体性。

6)穿越施工过程中道床与结构脱离超过3 mm时，应及时进行修补;脱离在3 mm以内时，待施工稳定后修补。道床裂缝可采用磨细超流态CGM灌浆料填充，浆料粒径不大于0.3 mm，采用无压灌注法，灌浆材料2 h必须达到C15强度等级，并在通车前2 h施工完毕。

3 隧道结构变形标准确定方法

关于既有线结构变形，关注的核心问题有两点:①既有线结构允许的最大变形值(包括沉降、不均匀沉降、扭转、倾斜等)，它集中体现了既有线结构的安全状况;②既有结构允许的最大变形速率，因为变形速率的突然增大通常是某些异常变化的体现，若处理措施不当则可能发生灾难性事故。既有线结构变形控制指标主要有沉降控制值(即最大允许沉降量)、沉降速率控制值(即最大允许沉降速率)、不均匀沉降控制值(即允许的最大差异沉降值)、结构倾斜控制值、结构扭转控制值等。而具体项目的确定需要结合实际工程的特点，从便于实施的角度选择。

穿越施工将引起既有线结构附加内力和变形。因此，评估既有线结构在穿越施工期间的安全性，主要看其内力的变化，即通过结构承载力的检算确定既有线结构的变形允许极限值。考虑到结构本身的复杂性，不同施工方法引起的结构变形大小和分布是不同的，结构内力的变化也是不同的。因此首先要考虑穿越工程施工可能引起的既有线结构的变形大小和分布形式，根据变形大小和分布形式，计算由此可能产生相应的结构内力分布，并与现状结构承载力进行比较，如此反复验算。

对于穿越施工引起既有线结构的变形情况，主要基于地层—结构模型，利用成熟的专用商业岩土计算软件，如美国Itasca公司开发的FLAC3D三维显式有限差分软件，通过对施工过程中典型工况的模拟分析，可得到较为准确的既有线结构变形情况。

对于既有线结构附加内力的计算，主要基于荷载—结构模型，利用成熟的专用商业结构计算软件，如韩国MIDAS公司开发的MIDAS/CIVIL系列程序，采用位移法，以板壳单元建立空间结构模型，通过对既有线结构施工前初始状态、施工中和施工后不同阶段变形状态的内力计算分析，得到既有线结构的内力变化。初始状态的计算内力值与变形引起的内力增量迭加，即可得到结构在沉降变形后的实际内力。同时，根据既有线结构的材料强度、结构尺寸、所配钢筋及结构现状检测评估报告，通过强度控制及裂缝控制两种工况，可计算出既有线结构所能承受的最大内力，即承载能力。

将结构的实际内力与承载能力相比较，即可判断既有线结构的工作状态，进而评估其安全性，确定既有线结构的允许变形极限值。如果结构内力没有超出现状结构内力允许值的范围，则认为在穿越施工时既有线结构是安全的，反之则不安全。当结构内力超出现状结构内力允许值时，应重新选定施工工法或采取加强措施，并重复进行既有线结构变形状态的计算，直至所选取的工法引起既有线结构附加内力小于现状结构内力允许值。将选定施工方法对既有线结构可能产生的最大变形值并考虑一定的安全储备，以确定既有线结构变形控制值。

可将上述确定既有线结构允许变形极限值的步骤简要归纳步骤如下:

1)对影响范围内既有线结构进行现状调查和检测并评价，根据检测结果确定结构承载力检算时计算参数的取值。

2)根据选定的工法，采用地层结构模型，对既有线结构受建设施工的影响进行预测分析，确定既有线结构的变形模式和变形值。

3)依据既有线结构现状检测结果，可计算出既有线结构所能承受的最大内力，即承载能力。

4)根据既有线结构形式和变形预测结果，选择适当的荷载结构模型，计算穿越条件下变形引起既有线结构内力变化。比较施工引起变形后结构内力与现状结构承载能力，如果结构内力没有超出现状结构承载能力值的范围，则认为结构在穿越施工时，既有线结构是安全的，反之则不安全。

5)当结构内力超出现状结构内力允许值时，应重新选定施工工法或采取加强措施，并重复第四步和第五步，直至所选取的工法引起既有线变形的结构内力小于现状结构承载能力值。

6)将选定施工方法对既有线结构可能产生的最大变形值并考虑一定的安全储备确定为既有线结构变形控制值。

7)综合考虑轨道结构变形的要求，确定结构变形允许极限值。若相对于轨道结构变形极限值，结构变形允许极限值偏大，则以轨道结构变形允许极限值作为结构变形允许极限值;反之，结构变形允许极限值保持不变。

8)结合已有类似工程经验的总结，经专家的讨论进一步修正或调整前面得到变形极限值，将讨论后的结果作为实际工程中采用的控制标准。

4 隧道、轨道结构变形控制标准之间的关系

既有线结构允许的变形极限值不仅取决于既有线结构的现状和施工影响，还取决于轨道结构允许的变形极限值。当既有线为运营线路时，隧道结构变形与轨道结构变形发展应趋向一致，结构变形控制指标中沉降控制值、沉降速率控制值、不均匀沉降控制值3个指标与轨道结构变形控制指标中道床沉降控制值、道床沉降速率控制值、道床不均匀沉降控制值3个指标关系极为密切。一般情况下隧道结构变形大于等于轨道结构变形，隧道结构变形允许极限值的确定必须充分考虑轨道结构变形的控制。从安全运营的角度出发，隧道结构变形必须服从于轨道结构变形，以保证隧道结构变形在极限值范围内发生变形时，轨道结构发生的变形不超过轨道结构变形允许极限值，从而防止道床与隧道结构的脱离。

5 控制标准的分解执行

总变形是各工序变形的累计，只有保证各工序施工措施到位，引起的变形得到有效控制，才能确保累计变形得到控制。因此，应充分考虑不同施工工序对既有线的影响，对关键工序设定分步控制值。具体做法是将工程施工过程划分为几个典型施工阶段，按典型施工阶段进行变位分配控制。前文提到的数值模拟预测施工影响分步进行，对主要工序施工引起既有线的变形量进行预测，总变形量是分步变形量的叠加。主要依据计算得到的不同施工工序变形量之间的比例关系，并考虑到计算理论及模型的误差，结合既有线结构内力核算情况并参考已有的穿越工程实例，确定本工程主要工序分步变形控制值，即“分步”控制标准。

为做到防范于未然，工程中往往采用“分级”控制。具体来说，对于每一典型工序，实行“三级”警示制度，分别包括预警值、报警值、控制值。监测控制值是指分步控制值，预警值是指引起警戒措施的起始值，报警值是指需提出报警的起始值，一般来说，预警值取控制值的70%，报警值取控制值的80%，实测值超过预警值应通知相关单位，加强监测频率，启动对应预案。但对于特定工程，典型施工阶段划分和每一警示值的具体数值还需要详细研究和仔细推敲。

6 工程应用实例

北京城市轨道交通首都机场线东直门站C区下穿城铁13号线东直门站后折返线，为国内首次大断面密贴穿越既有线，C区下穿部分初支结构紧贴折返线底板垫层。下穿折返线暗挖结构采用了洞桩托换施工方案。

折返线采用弹性分开式DTⅥ2型扣件，可取其可调量的50%，即±15 mm作为轨道交通变形允许最大值。但根据线路测量结果，现状轨道结构隆起最大可调量为3 mm，取此可调量的50%左右，即1.5 mm作为轨道结构隆起变形控制标准，而轨道结构沉降变形控制标准可以确定为15 mm。

采用地层—结构模型整个施工过程中既有线隧道结构累计最大上浮值为1.69 mm，累计最大沉降量为13.5 mm。通过荷载—结构模型，可以验算在上述变形情况下，结构内力没有超出现状结构承载能力值的范围。

综合考虑隧道结构与轨道结构变形控制标准之间的关系，可以确定既有线隧道结构隆起变形极限值为1.5 mm，沉降变形极限值为13.5 mm。

为便于工程控制，又将隧道结构变形控制标准按预警值、报警值和控制值进一步分解，落实到每一典型施工步骤，见表7。

表7 结构变形控制指标 mm

7 结论

1)既有线的变形控制标准，主要包括两个方面的内容，即结构变形控制标准和轨道结构变形控制标准。轨道结构变形控制标准的制订应以利于养护维护、维修可用为原则，一般可取轨道结构累计变形控制值的30%～50%作为日变形控制值。结构变形控制标准的确定主要涉及到既有线的现状承载力和施工对既有线影响程度两方面的因素。对于二者的确定，必须经过完整的计算分析

2)考虑隧道结构与轨道结构之间的相互作用，隧道结构变形控制标准必须服从于轨道结构变形控制的要求。

3)控制标准的制订应采用“分步、分级”的原则，将总指标分解到每一典型施工步骤，提出分步控制指标，分步落实。对于第一典型施工步骤，应实行“三级”控制，针对不同情况，采用预警值、报警值、控制值作为相应于不同状况下的警示值。

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