盾构隧道保护标准及隔离桩作用机理综述分析

盾构隧道保护标准及隔离桩作用机理综述分析
摘要：地铁盾构隧道在快速建设与发展的同时也面临着变形控制与维修保护，
文章对地铁盾构隧道的控制标准及保护措施方面的文献进行了综述分析，并着重
研究了隔离桩控制隧道变形方面的研究成果，以供从事地铁监护工作的学者及工
程实践者参考。

关键词：盾构隧道；保护标准；控制措施；隔离桩
0 引言
目前，我国已开通地铁的城市已超过30个，并且多数城市的地铁建设都是盾构隧道。

以杭州和宁波为例，杭州将在2022年亚运会前建成覆盖全城区的10条
线路，宁波也将在2020年形成5条运营线路。

参与轨道交通的城市之多，建设
速度之快，都是空前的。

随着轨道交通的快速建设与发展，地下空间的不断开发
与利用，加之浙江地处东南沿海，广泛分布软粘土，普遍具有含水量高、压缩性大、强度低、渗透性差、灵敏度高以及流变性显著等特点[1]，处于复杂环境下的
地铁盾构隧道存在相当多数量的结构安全隐患。

1 盾构隧道保护标准
王如路[2]通过对上海地铁盾构隧道35 万环的检查和监测发现，隧道最常见、最严重的病害主要是渗漏水、管片破损和变形。

且作为典型的不连续拼装结构，
盾构隧道存在大量接缝，因此病害在盾构隧道的接缝部位表现尤为明显。

多缝特
点还使隧道沿环向和纵向刚度呈不均匀变化，接缝部位会有刚度折减，从而产生
不均匀变形，主要变现为横向的收敛变形和纵向的错台沉降。

针对盾构隧道表现出来的“环刚纵柔”的特性，控制隧道结构的变形，不同地
区都制定了相应的保护要求和控制标准。

浙江省也于2017年发布了《城市轨道
交通结构安全保护技术规程》[3]，该规程根据已建成轨道交通结构的变形和结构
损伤情况，将结构安全状况分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类四个类别，并给出了不
同拼装类型隧道的安全状况类别的确定原则及控制标准值。

同时，根据轨道交通
结构的安全状况、工程和水文地质条件、外部作业影响程度等因素，将外部作业
的轨道交通结构安全保护等级分为A级、B级和C级三个等级。

保护等级不同，
采取的保护措施也有所区别。

盾构隧道结构产生变形的根本原因是由于其邻近工程活动的影响，导致土体
位移场的变化，打破原有应力的平衡，从而改变了隧道结构的约束刚度及其周边
的土压力分布。

孙廉威[4]基于荷载-结构模型建立了地面堆载对下方隧道管片及环缝接头影响的三维“荷载-结构”应力叠加数值计算方法，提出了荷载调整系数α和β并进行了验证，为后续工程设计提供了参考基础。

王立峰等[5]将基坑和隧道的
监测数据进行了对比分析，通过对基坑的监测，探讨了基坑监测和地铁监测结果
之间的联系，分析了基坑的支护体系特征和开挖的时空效应对地铁隧道的影响，
为类似工程的优化设计、施工管理和监测提供了参考。

李翔宇等[6]在修正纵向等效连续化模型的基础上，进一步考虑管片横向刚度、环缝作用范围和螺栓预应力的影响，建立了新型盾构隧道修正纵向等效连续化模型，提出了螺栓弹、塑性状态下隧道纵向等效抗弯刚度、极限弯矩以及最大环缝
张开量的计算方程，分析了横向刚度和环缝作用范围对弹、塑性状态下隧道的纵
向等效抗弯刚度的影响规律。

并以上海地铁二号线为工程背景，建立了根据鲁志
鹏[7]提出的5类隧道结构不同的临界状态下隧道纵向曲率半径、接缝张开量、管片应力、螺栓应力的求解公式，五类控制标准可以通过曲率半径来表示。

2 隧道变形控制措施
为了改善隧道结构受力状态，提高其抗变形能力，控制结构进一步变形，可采取以下三类技术措施来保护盾构隧道：（1）加强盾构隧道自身的刚度，可采用内张钢圈、通过预留注浆孔外围注浆等措施提高盾构隧道自身的刚度，但这些方法对运营盾构隧道影响比较大，当不影响地铁运营时，加固施工时间又极其有限；（2）基坑围护结构可以根据设计阶段的评估，对基坑的竖向围护结构和内支撑的刚度进行加强、以及对坑内土体进行被动加固；（3）当这些技术措施实施起来受限或者实施后还不能满足盾构隧道的控制标准时，可在基坑与盾构隧道之间打设隔离桩，对基坑与盾构隧道之间的变形土体位移场进行调整，从而起到保护地铁盾构隧道的作用。

2.1 内张钢圈加固
石太伟[8]提出对盾构隧道管片结构修复执行刚度和耐久性修复两种标准。

对于变形较大，结构刚度出现损失的盾构隧道，需采取加固钢圈的措施来增加结构的刚度，并提出区分标准，不在标准之内的管片裂缝及碎裂，可视为与横向变形无关的裂缝及碎裂，只需按耐久性修复标准简单修补即可，不需要进行整环刚度修复。

毕湘利等[9]结合半环加固工况下盾构隧道结构极限的承载试验，描述了其加固施工工艺，以及加固结构破坏的试验现象，得出了此工况下的结构荷载位移曲线，并分析了加固结构的关键性能点。

试验结果表明，半环加固法能有效提高隧道的结构刚度及极限承载能力；钢板与混凝土衬砌的粘结面破坏导致结构整体破坏，是加固结构的关键控制因素。

柳献等[10]采用足尺试验方法对整环加固工法下单环隧道衬砌的极限承载性能进行研究，描述加固结构破坏的试验现象，获得加固结构的荷载位移曲线，并结合试验现象及数据，分析得到加固结构的关键性能点。

试验结果表明，整环加固后盾构隧道的刚度与强度相对于加固之前有明显提高；加固后结构的破坏主要为钢板与混凝土衬砌的黏结面破坏。

研究成果为工程实践提供了理论支撑和技术指导。

除了隧道内衬钢环，还可以在隧道周边采用微扰动注浆，形成外包裹式的加固形式，增加盾构隧道周边约束刚度。

该方法主要用于治理隧道沉降，对隧道底部注浆以形成强度和刚度均大于原状土的加固土。

采用数值计算，可以有效分析不同注浆位置（中间注浆与两边注浆）及顺序（自下而上、自上而下）对注浆加固时结构内力的影响；注浆范围和土层条件等对注浆效果的影响。

2.2 基坑被动区加固
大量的地下空开发主要以深基坑工程为主，工程与地铁隧道呈“深、大、近、难、险”关系。

不同的平面位置相对关系引起的盾构隧道不变的卸载，对盾构隧道产生的影响亦不同。

基坑工程受地质、地下水等影响，且周边环境复杂，工程实施难度大，实施风险高，开挖过程中容易产生地下水位下降、水平位移过大、地基回弹过大等问题。

为避免基坑开挖对运营地铁盾构隧道造成较大影响，在进行深基坑开挖时往往采取诸如大坑化小坑（分期实施）、中隔墙（暗撑）、支撑调整（位置调整及道数调整）、被动区加固（满堂加固或抽条加固）、主动区加固（满堂加固或抽条加固）、水泥土门式加固、槽壁护壁等安全可靠的施工保护措施，以保障地铁运营的安全。

楼永良等[11]以杭州彭埠的某实际工程为背景，结合现场资料，选择杭州典
型土层本构模型及其参数，利用Plaxis2D 有限元程序，对软土地基中近接盾构隧
道的基坑开挖进行了数值模拟。

对比没有加固措施的模拟（工况一）、采取被动
区土体加固（工况二）、被动区加固加深（工况三）以及只有强加固区（工况四）四种基坑加固措施下水泥搅拌桩围护结构的水平变形规律，分析比较了水泥搅拌
桩被动区土体的不同加固措施对保护邻近隧道的作用。

结果表明：（1）不同工
况下水泥搅拌围护桩的水平位移随着桩深度的增加都先增大后减小，桩身中部周
围的土体区域是基坑需要保护的重点区域；（2）强加固区对有效抑制围护桩以
及周围土体水平位移具有显著作用，拓宽加固区能更好地抑制围护桩的水平位移，适当拓宽强加固区能够确保工程的安全性和经济性。

2.3 隔离桩
当上述技术措施实施起来受限或者实施后还不能满足盾构隧道的控制标准时，可在基坑与盾构隧道之间打设隔离桩，对基坑与盾构隧道之间的变形土体位移场
进行调整，从而起到保护地铁盾构隧道的作用。

隔离桩将盾构隧道与基坑通过相
互影响范围内的变形土体连接起来，基坑开挖引起周边土层变形，土体空间位移
场不均匀，地表出现凹形沉降槽、深层土体位移场出现内凸形的深层位移分布，
同时影响已建地铁盾构隧道的变形。

隔离桩通过自身的刚度以及桩顶与桩端的约
束刚度改变了基坑开挖引起的土体位移场，调整近接工程施工影响区域范围内的
土层位移场分布，使盾构隧道的变形在控制范围内。

3 隔离桩作用机理
节2前两种保护措施都是通过加强不同结构刚度，增加其抵抗土体变形的能力；而隔离桩则是一种主动调整土体位移场的保护措施，但隔离桩的设置有众多
参数，不同的设计参数对土体位移场的调整效果不尽相同。

应宏伟等[12]通过深入研究并将工程实例的计算结果和实测值对比验证后发现，隔离桩可以明显降低坑外地表最大沉降，减小地表沉降槽的面积，同时可明
显减小基坑维护结构的水平位移，对围护结构有“遮拦”作用。

周旭光等[13]以宁
波地铁一号线世海区间的某深大基坑工程为依托，基于有限元软件PLAXIS 3D平台，采用小应变土体硬化模型，研究隔离桩保护基坑开挖对隧道变形影响。

对比
分析加隔离桩和不加隔离桩两种工况，同样得出隔离桩在保护隧道变形方面并不
适用，无法达到预期效果的结论。

从盾构隧道与基坑工程的相对位置考虑，企图通过设置隔离桩来同时减小隧
道和基坑的变形，但郑刚等[14]针对天津市采用隔离桩保护邻近既有隧道的某深
大基坑工程，对隔离桩的作用机制进行了参数分析，研究其对土体深层位移及隧
道位移的控制机制。

结果表明，隔离桩在控制坑外土体、隧道水平位移时同时存
在阻隔作用和牵引作用，当牵引作用较大时，隔离桩反而会加大一定深度范围内
土体及该范围内隧道的水平位移，需要合理设计其参数，并由此提出了埋入式隔
离桩。

通过调整桩顶埋深来减小牵引作用，但牵引作用减小的同时也同样会减小
其控制效果。

隔离桩存在水平向“牵引作用”的主要原因是对比分析同一位置处有无隔离桩
的土体侧向位移存在一个不变点，浅层土体位移的减小以增加深层土体位移为代价。

因此，为了更好地保护地铁盾构隧道，在施工条件允许的前提下，应该尽可
能将隔离桩设置在靠近隧道处。

郑海锋等[15]通过改变隔离桩与隧道之间的距离，探究隔离桩设置位置对控制隧道变形的影响。

计算结果表明，隔离桩设置在靠近
隧道位置处为宜。

考虑到实际工程中隔离桩的施工会对其周围一定区域范围内的
土体产生扰动作用（在数值计算中并未考虑隔离桩施工对周围土体的扰动作用），若隔离桩设置在太靠近隧道处时，会引起隧道周边土体产生扰动作用，从而对隧
道变形产生不利影响。

因此，应综合考虑多方因素以确定最佳设置距离。

徐超[16]以宁波地铁一号线世海区间隧道附属基坑工程及隔离桩工程为依托，对隔离桩布设参数进行了优化分析，主要进行了以下5种参数的分析：（1）隔
离桩与隧道距离：保持隧道与基坑距离不变，改变隔离桩与隧道距离；（2）隧
道与基坑距离：保持隔离桩与隧道距离不变，改变隧道与基坑距离；（3）隔离
桩下埋：在保证其他条件不变的情况下，将隔离桩桩顶进行下埋处理；（4）双
排组合隔离桩：在保证其他条件不变的情况下，在隧道与基坑间设置两排隔离桩；（5）门架式隔离桩：在保证其他条件不变的情况下，将隔离桩设置成门架形式。

进一步得出：（1）当隧道与基坑靠得太近或离得太远时，隔离桩均无法发挥其
对隧道变形的控制作用，甚至会对隧道变形产生不利影响。

建议当隧道与基坑距
离在22~28m之间时，合理设置隔离桩控制隧道变形才有意义；（2）隔离桩的设置方式对其控制效率的影响显著，桩顶下埋能够有效地提高隔离桩的控制效率，
最佳埋深位于20~22m之间。

4 结论
软土层中的基坑开挖引起周围土体产生比较大的空间变形，从而对近接采用
拼接的盾构隧道的受力变形产生不利影响，通过文献调研给出了盾构隧道的横向
和纵向控制标准，盾构隧道横向控制标准为椭圆度而纵向控制标准为纵向曲率半径。

根据盾构隧道周边环境的变化特别是基坑的开挖的影响，给出了盾构隧道的
保护措施，包括三个方面，一个是盾构隧道自身的加强如采用内张钢圈进行结构
加固；对基坑的被动区进行水泥搅拌桩加固，基坑竖向围护结构、水平内支撑，
以及基坑的分块开挖等技术措施减小基坑开挖引起的周边土层的变形；最后介绍
了采用隔离桩保护因基坑开挖对盾构隧道的保护措施。

参考文献：
[1]《公路软土地基路堤设计规范》, 浙江省地方标准, DB33/T 904-2103.
[2]王如路,张冬梅.超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究[J].
岩土工程学报,2013,35(06):1092-1101.
[3]《城市轨道交通结构安全保护技术规程》, 浙江省地方标准，DB33/T1139-2017,
[4]孙廉威. 外界荷载作用下已建盾构隧道结构性状[D]. 浙江大学,2016.
[5]王立峰,庞晋,徐云福,杨开放.基坑开挖对近邻运营地铁隧道影响规律研究[J].
岩土力学,2016,37(07):2004-2010.
[6]李翔宇,刘国彬,杨潇,韩春龙. 基于修正纵向等效连续化模型的隧道变形受力
研究[J]. 岩土工程学报, 2014, 4(36): 662-670.
[7]鲁志鹏. 基于静态盾构法地铁隧道建设和运营安全评价研究[D]. 上海: 同济
大学, 2008.
[8]石太伟. 某地铁盾构隧道破损机理分析及加固设计[J]. 铁道标准设计, 2014,
56(6): 116-119,128.
[9]毕湘利, 柳献, 王秀志, 等. 内张钢圈加固盾构隧道结构极限承载力的足尺试
验研究[J]. 土木工程学报, 2014, 47(11): 128-137.
[10]柳献,唐敏,鲁亮,王秀志,朱雁飞. 内张钢圈加固盾构隧道结构承载能力的试
验研究——整环加固法[J].岩石力学与工程学报,2013,32(11):2300-2306.
[11]楼永良, 周奇辉, 刘畅, 吴刚兵, 王金昌. 近接盾构隧道的基坑加固措施研究
[J]. 城市建筑, 2016 (35) :319-319.
[12]应宏伟, 李涛, 杨永文, 谢新宇. 深基坑隔断墙保护邻近建筑物的效果与工程应用分析[J].岩土工程学报,2011,33(07):1123-1128.
[13]周旭光, 郑海锋, 徐成功, 董琦荣. 隔离桩保护基坑开挖对隧道变形影响研究[J].防护工程, 2017,27.
[14]郑刚,杜一鸣,刁钰.隔离桩对基坑外既有隧道变形控制的优化分析[J].岩石力学与工程学报,2015,34(S1):3499-3509.
[15]郑海锋, 周旭光, 徐成功, 董琦荣. 隔离桩对地铁隧道影响控制效率研究[J]. 基层建设, 2017,35.
[16]徐超. 隔离桩控制基坑开挖对运营地铁隧道影响研究[D]. 杭州: 浙江工业大学, 2017.。