1. 引言
1.1. 研究背景与意义
我国城市地铁建设已进入网络化发展阶段，截至2023年，全国开通地铁的城市达54个，运营里程超10000公里。随着地下空间开发强度提升，新建盾构隧道与既有地铁线路的交叉穿越、平行邻近工程日益增多，最小净距已缩减至1~2倍盾构直径(D) [1]。盾构施工过程中，地层开挖、渣土清运、同步注浆等环节会不可避免地引发地层损失、应力重分布及地下水渗流变化，导致邻近地铁隧道结构产生沉降、水平位移或开裂，轨道几何形态异常，严重时引发运营中断[2]。例如，某城市地铁5号线盾构施工时，因邻近既有地铁1号线净距仅2.8 D，导致既有隧道沉降达8.2 mm，触发轨道限速预警。
传统施工多依赖经验参数控制，缺乏对扰动机理的系统认知，防护措施针对性不足。因此，开展盾构施工对邻近地铁线路的扰动影响及防护措施研究，明确扰动传递路径与关键控制因素，研发经济有效的防护技术，对保障城市轨道交通建设与运营安全具有重要理论价值和工程意义。
1.2. 国内外研究现状
国外学者较早开展盾构施工扰动研究：Peck [3]提出了地层损失引起的地表沉降预测公式，为扰动评估提供了基础；Attewell等[4]通过数值模拟分析了盾构推进速度与邻近结构变形的相关性。国内研究方面，刘建航院士[5]系统总结了盾构施工地层扰动控制技术；李兴高[6]基于ABAQUS建立了盾构–地层–地铁结构耦合模型，但未考虑地下水动态影响；张顶立等[7]研究了近距离穿越的防护措施，但缺乏多因素耦合作用下的优化分析。
综上，现有研究存在三大不足：扰动机理研究多聚焦单一因素，缺乏地层、施工、结构耦合作用分析；对复杂地质条件(如富水砂层、软土)下的扰动规律认知不足；防护措施的动态适配性与长期有效性验证欠缺。
1.3. 研究内容与技术路线
本文主要研究内容：(1) 盾构施工对邻近地铁线路的扰动机理；(2) 关键影响因素量化分析；(3) 三级防护技术体系构建；(4) 工程案例验证。技术路线：理论分析→数值模拟→措施研发→工程验证→结论优化。
2. 盾构施工对邻近地铁线路的扰动机理
2.1. 核心扰动源分析
盾构施工对邻近地铁的扰动主要源于三大核心因素，形成“源头–传递–响应”的链式作用过程。
2.1.1. 地层损失扰动
盾构掘进时，刀盘切削地层与管片拼装之间存在间隙，渣土超挖或欠挖、同步注浆不饱满等会导致地层损失率(Vs/Vt，Vs为损失地层体积，Vt为掘进地层体积)达1%~5% [8]。地层损失引发周边土体向隧道空腔移动，形成沉降槽，当邻近地铁线路位于沉降槽影响范围内时，结构会随土体产生沉降变形。
2.1.2. 应力重分布扰动
盾构开挖破坏了原始地层的应力平衡，在隧道周边形成塑性区(软土地区塑性区半径可达1.5 D)，应力向邻近地铁结构传递。当盾构推进推力过大(超过地层承载力)时，会挤压周边土体，导致地铁结构产生水平位移；推力过小则易引发管片上浮，间接影响邻近结构受力状态。
2.1.3. 地下水扰动
富水地层中，盾构施工可能导致地下水流失或水压变化：一方面，地下水渗流会带走细颗粒土体，加剧地层沉降；另一方面，水压变化会改变地铁结构的受力平衡，引发结构开裂或渗漏。
2.2. 扰动传递路径
扰动从盾构施工区域向邻近地铁线路的传递路径可概括为：盾构掘进→地层损失/应力重分布/地下水变化→周边土体变形→地铁结构(隧道管片、轨道)响应→轨道平顺性下降/结构损伤。传递过程中，土体的物理力学性质(如弹性模量、黏聚力)决定了扰动衰减速率，软土地区扰动传递距离可达3~5 D，而硬岩地区仅为1~2 D。
2.3. 地铁线路响应特征
邻近地铁线路的扰动响应主要表现为：结构变形：隧道管片沉降(多为不均匀沉降)、水平位移，最大沉降易出现在盾构掌子面通过后7~10天；力学响应：管片接缝张开量增大、螺栓应力提升，超过设计阈值时易发生渗漏；功能影响：轨道高低偏差、水平偏差超标，影响列车通行平顺性与安全性。
3. 扰动影响因素量化分析
3.1. 关键影响因素分类
结合工程实践与数值模拟结果，将扰动影响因素分为三大类，其影响权重通过正交试验确定(见表1)：
Table 1. Disturbance influencing factors and their weights
表1. 扰动影响因素及权重
影响因素类别 |
具体指标 |
影响权重(%) |
地层条件 |
土体弹性模量、含水率、黏聚力 |
35 |
施工参数 |
推进推力、注浆压力、推进速度 |
40 |
空间条件 |
邻近净距(L/D)、穿越角度 |
25 |
3.2. 核心因素影响规律
3.2.1. 邻近净距(L/D)的影响
邻近净距是影响扰动程度的关键因素：
当L/D ≥ 5时，地铁结构沉降量≤1 mm，扰动影响轻微；
当3≤ L/D < 5时，沉降量1~3 mm，扰动影响中等；
当L/D < 3时，沉降量>3 mm，扰动影响显著，需重点防护。
数值模拟结果显示，L/D = 2时的沉降量是L/D = 5时的4.2倍，表明近距离穿越时扰动呈非线性增长[9]。
3.2.2. 施工参数的影响
推进推力：推力控制在地层承载力的80%~90%时，扰动最小；推力过大(>110%地层承载力)会导致水平位移增加30%；
注浆压力：注浆压力宜为地层压力的1.1~1.3倍，压力不足会导致地层损失率提升，压力过高则易引发管片上浮；
推进速度：软土地区推进速度以20~30 mm/min为宜，速度过快(>40 mm/min)会导致注浆不充分，沉降量增加25%。
3.2.3. 地层条件的影响
软土(弹性模量E = 5~10 MPa)地区：扰动传递距离远，沉降量大，是硬岩地区的2.5~3倍；
富水砂层：地下水渗流加剧细颗粒流失，沉降量较非富水地层增加40%，且易引发不均匀沉降。
4. 扰动防护技术体系构建
基于扰动机理与影响因素分析，构建“源头优化–过程调控–工程防护”三级防护技术体系，实现全流程扰动控制。
4.1. 源头优化措施(一级防护)
4.1.1. 施工参数优化
推力动态调整：基于地层承载力测试结果，通过盾构机实时监测数据反馈，调整推进推力，控制在80%~90%地层承载力范围内；
注浆参数优化：同步注浆采用水泥–水玻璃双液浆，凝结时间控制在30~60 s，注浆压力为地层压力的1.1~1.3倍，注浆量为理论空隙体积的1.2~1.5倍；
推进速度控制：软土地区速度20~30 mm/min，富水地层降至15~25 mm/min，确保注浆充分[10]。
4.1.2. 地层预处理
注浆加固：对盾构隧道与地铁线路之间的地层进行超前注浆加固，采用水泥浆或复合注浆材料，加固后土体弹性模量提升至15 MPa以上，减小扰动传递；
降水处理：富水地层中，采用深井降水将地下水位降至盾构隧道底部以下1~2 m，阻断地下水渗流路径。
4.2. 过程调控措施(二级防护)
4.2.1. 实时监测预警
建立“盾构参数–地层变形–地铁结构”三位一体监测体系：
盾构参数监测：实时监测推力、扭矩、注浆压力等，设定预警阈值(如推力超地层承载力10%报警)；
地层变形监测：采用测斜仪、沉降标监测土体位移，监测频率为每2小时1次；
地铁结构监测：在邻近地铁隧道内布设沉降观测点、应变计，轨道平顺性监测频率为每日1次，当沉降速率>0.5 mm/d时启动应急响应。
4.2.2. 动态参数调整
基于监测数据，通过盾构机PLC控制系统动态调整施工参数：若监测到地铁结构沉降增大，立即降低推进速度，提高注浆压力；若出现水平位移超标，调整盾构姿态，减小侧向推力。
4.3. 工程防护措施(三级防护)
4.3.1. 隔离防护
隔离桩防护：在盾构隧道与地铁线路之间设置钢筋混凝土隔离桩(桩径600 mm~800 mm，桩长超过盾构隧道底部2 m~3 m)，桩间距为桩径的1.5倍，形成隔离屏障，阻断扰动传递；
注浆帷幕：采用高压旋喷注浆形成连续注浆帷幕(厚度≥1.5 m)，适用于富水砂层，兼具隔离与加固作用。
4.3.2. 地铁结构加固
管片加固：在邻近盾构施工一侧的地铁管片表面粘贴碳纤维布(层数2~3层)或钢板，提升结构抗变形能力；
轨道加固：临时增设轨距拉杆、轨枕加固装置，控制轨道变形，施工完成后拆除。
5. 工程应用案例
5.1. 工程概况
某城市新建盾构隧道(直径D = 6.2 m)平行邻近既有地铁3号线(盾构隧道，直径5.5 m)，邻近段长度85 m，最小净距L = 12.4 m(L/D = 2.0)，穿越地层为软土(弹性模量E = 8 MPa，含水率32%)，地下水位埋深1.8 m。新建隧道施工若控制不当，易导致既有地铁结构沉降超标。
5.2. 防护措施实施
采用“源头优化 + 过程调控 + 工程防护”复合方案：源头优化：推进推力控制在1200~1400 kN (地层承载力的85%)，注浆压力0.3~0.5 MPa，推进速度25 mm/min；对两隧道之间地层进行超前注浆加固，加固范围宽3 m、厚2 m；过程调控：布设20个沉降观测点、10个应变计，监测频率2小时/次，建立数据预警平台；工程防护：设置钢筋混凝土隔离桩(桩径700 mm，桩长15 m，桩间距1.0 m)，形成隔离屏障。
5.3. 数值模拟对比设计
为量化防护措施效果，建立FLAC3D数值模型，设置3组对比工况，模型涵盖盾构隧道、既有地铁线路、周边地层及防护结构，地层采用Mohr-Coulomb本构模型，管片与隔离桩采用弹性本构模型，模拟盾构掘进全过程(开挖–管片拼装–注浆)。(见表2)
Table 2. Shield construction working condition parameters under different protective measures
表2. 不同防护措施下的盾构施工工况参数表
工况编号 |
防护措施组合 |
核心模拟参数 |
工况1 |
无任何防护措施 |
推进推力1300 kN，注浆压力0.4 MPa，无隔离桩、无地层预处理 |
工况2 |
近地层预处理 |
推进推力1300 kN，注浆压力0.4 MPa，含地层超前注浆加固，无隔离桩 |
工况3 |
完整复合防护(地层预处理 + 隔离桩 + 动态参数调控) |
推进推力1200~1400 kN (动态调整)，注浆压力0.3~0.5 MPa，含地层加固 + 隔离桩 |
5.4. 模拟与实测结果对比分析
5.4.1. 不同工况沉降量对比
数值模拟与工程实测数据显示，防护措施对沉降控制效果显著，完整复合防护方案的控沉效率最优。(见表3)
Table 3. Comparison of settlement amounts under different working conditions
表3. 不同工况沉降量对比
监测指标 |
工况1 (无防护) |
工况2 (仅地层预处理) |
工况3 (完整复合防护) |
规范限值 |
实测值 (工况3) |
最大沉降量(mm) |
11.6 |
5.3 |
2.7 |
3.0 |
2.8 |
最大水平位移(mm) |
4.8 |
2.5 |
1.1 |
2.0 |
1.2 |
管片最大应力(MPa) |
12.3 |
8.7 |
5.2 |
10.0 |
5.1 |
注：工况3模拟值与实测值误差≤3.6%，验证了数值模型的可靠性。
5.4.2. 既有线变形时程特征
既有三级防护技术体系逻辑关系显示(见图1)：
盾构掌子面前方5D范围内(掘进前期)，沉降量缓慢增长，工况1增长速率达0.32 mm/m，工况3仅0.08 mm/m，隔离桩与地层预处理显著抑制了超前扰动；
掌子面通过当天至后续7~10天(掘进中期)，沉降进入快速增长阶段，工况1日均沉降0.9 mm，工况3仅0.15 mm，动态参数调控有效抵消了注浆不充分引发的沉降增量；
掘进完成后30天(稳定期)，工况1最终沉降11.6 mm，工况3稳定在2.7 mm，无后期沉降回弹，表明防护措施形成了长期稳定的抗扰体系。
Figure 1. Three-level prevention and control technology system
图1. 三级防护技术体系
5.4.3. 应用效果验证
施工期间及完成后6个月监测数据表明：(见表4)
Table 4. Statistics of monitoring results
表4. 监测结果统计
监测指标 |
最大值 |
规范限值 |
达标情况 |
结构沉降量(mm) |
2.8 |
3.0 |
达标 |
水平位移(mm) |
1.2 |
2.0 |
达标 |
接缝张开量(mm) |
0.2 |
0.3 |
达标 |
轨道高低偏差(mm) |
1.0 |
1.5 |
达标 |
1) 既有地铁隧道最大沉降量2.8 mm，满足GB50446-2017规范要求(≤3 mm)；
2) 管片最大水平位移1.2 mm，接缝张开量≤0.2 mm；
3) 轨道高低偏差≤1 mm，水平偏差≤0.8 mm，未影响地铁正常运营。
6. 结论与展望
6.1. 主要结论
(1) 盾构施工对邻近地铁线路的扰动是地层损失、应力重分布、地下水扰动共同作用的结果，扰动传递路径为“盾构掘进→土体变形→结构响应”；
(2) 关键影响因素中，施工参数(权重40%)与邻近净距(权重25%)是核心控制因素，L/D < 3时扰动显著加剧；
(3) 构建的三级防护技术体系效果显著，“地层预处理 + 隔离桩防护 + 动态参数调控”复合措施可将地铁结构沉降控制在3 mm以内；
(4) 软土、富水地层中，需重点控制注浆质量与地下水渗流，避免不均匀沉降。
6.2. 研究展望
未来可进一步开展以下研究：极端工况(如地震、暴雨)下施工扰动与运营荷载的耦合影响；新型智能监测技术(如光纤传感、数字孪生)在扰动预警中的应用；生态环保型防护材料(如生物注浆材料)的研发与应用。