地鐵上穿工程中既有隧道結構周圍土體注漿加固范圍研究

許有俊，陶連金，李文博，王 楓

(1.內蒙古科技大學，內蒙古包頭 014010;2.北京工業大學，北京 100124;3.山西省交通規劃勘察設計院，山西太原 030012)

新建地鐵車站上穿既有地鐵線路時，將不可避免地擾動其周圍的土體，打破了原有的應力平衡狀態。新建隧道下方的土體，正處于隧道開挖作用的卸荷區，產生了向上的卸荷附加應力場，引起新建隧道底部一定深度范圍內的土體隆起變形。土體的隆起帶動既有隧道產生局部縱向上浮變形及附加內力，使既有地鐵隧道結構發生剪切、拉伸和扭轉變形，嚴重者使結構破壞。造成道床變形開裂、道床脫離，兩軌高差超限、單軌垂直和水平位移超限、軌道曲率超限等，從而影響既有線列車的正常、安全運營［1］。因此，在地鐵上穿工程中，其核心問題就是采用合理的施工工法及抗浮工程技術措施，并根據既有線的實時動態監控量測結果，把既有線的上浮變形控制在允許的范圍內，保護既有結構不發生破壞以及既有線的運營安全。

為此，通常可采取對既有地鐵隧道結構周圍土體預加固或抗浮錨桿等措施來抑制既有線的上浮變形。抗浮錨桿的施工工藝復雜，對小導洞的施工造成一定的干擾，影響施工的進度，其抗浮作用需要現場試驗進行進一步的驗證［2］。注漿加固土體的主要原理為漿液通過滲透、壓密、劈裂等方式與土體相互作用，改善了巖土顆粒間的膠結作用，在使膠結力明顯增大的同時，由于粒狀漿液填充了土體顆粒間的孔隙，改變了其孔隙度和飽和度，改善了土體的物理力學參數，較大地提高了土體自穩能力及抗變形能力，將既有線結構的變形控制在允許的范圍之內。但是，目前地鐵上穿工程的實例較少，對上穿既有線的相關理論研究成果亦較少，仍處于經驗探索階段。對于既有隧道結構周圍土體的合理加固范圍，即加固的寬度和深度數值，主要依靠工程經驗取值。因此，有必要對該問題進行深入地研究，其研究成果可為今后類似工程提供借鑒經驗，完善上穿近接工程施工理論和方法。

1 工程概況

1.1 站址環境

北京地鐵4號線西單站位于復興門內大街(長安街)與宣武門內大街、西單北大街相交處十字路口的東側，呈南北走向，與1號線西單地鐵車站呈“T”字型換乘。4號線車站結構中間段為上穿1號線區間部位，長度46.8 m，采用暗挖法施工，如圖1。中間暗挖段底板底面與1號線既有區間隧道結構頂凈距0.5 m，地鐵4號線結構頂至地面覆土層厚度約4.0 m，屬于超淺埋結構。且此部分覆土層主要為人工填土，屬Ⅵ級圍巖，圍巖穩定性極差。車站采用兩個單洞馬蹄型斷面形式，中間設聯絡通道，將兩個單洞斷面相連。新建地鐵4號線西單車站與地鐵1號線區間線路平面關系如圖 1［3］。

圖1 4號線西單站與1號線的平面關系(單位:mm)

1.2 主要設計及施工參數

1)設計參數

單洞最大斷面為9 900 mm×9 170 mm，初襯采用350 mm厚C40鋼筋混凝土，二襯采用500 mm厚C50鋼筋混凝土，見文獻［4］的圖3。

2)施工工序

新建4號線西單車站隧道采用6步CRD法施工，嚴格貫徹淺埋暗挖法18字方針“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”。該法是通過臨時仰拱和臨時中隔壁把大斷面分割成小斷面的方法，以時間換取空間，可有效地控制洞室的收斂，減少了開挖對周圍地層的擾動，充分地體現了隧道開挖的時空效應。施工時先施作左洞，待施工順利通過1號線上下行區間后，再施作右洞以減小對1號線區間上部土體的擾動。

3)深孔注漿加固措施

為控制既有1號線的上浮變形，從1號、3號洞室底部對結構底板與1號線區間隧道兩側土體進行注漿加固。加固范圍主體結構底板下10 m，兩側6.0 m，加固土層底部到達卵石層，如圖2和圖3所示。同時，為減少對1號線區間單側土層注漿時產生不平衡側壓力，要求導洞開挖25 m后再進行向下土體注漿，并盡量做到對區間結構的兩側土體同時注漿加固。

圖2 地層注漿加固橫剖面圖(單位:mm)

圖3 地層注漿加固縱剖面圖(單位:mm)

采用FLAC 3D有限差分軟件建立三維數值計算模型，對新建地鐵車站的施工全過程進行了模擬。模型幾何尺寸為100 m×60 m×50 m，夯管帷幕、小導管加固地層、新建隧道與既有隧道結構二次襯砌均采用實體單元，中隔壁采用Shell單元。注漿加固地層效果按提高加固范圍內土體物理力學參數等效［4-5］。

2 合理注漿加固范圍的確定

對既有隧道周圍一定范圍內的土層采取深孔注漿加固等措施，可提高該范圍內土體的彈性基床系數，有效地控制既有結構的上浮變形。

1)注漿加固寬度不變，深度增加

加固深度從上層導洞底部算起，分8種計算工況，其中工況1表示注漿深度達到既有隧道結構頂部時的距離，工況2表示注漿加固深度達到既有隧道結構中部時的距離，工況3表示注漿加固深度達到既有隧道結構底部時的距離，工況4，工況5，工況6，工況7，工況8分別表示注漿加固深度為既有隧道結構底部以下1.5 m，2.5 m，3.5 m，4.5 m，6.5 m。加固寬度bz=6.0 m保持不變，深度hz的變化范圍見表1。

表1 計算工況

由圖4可知，隨著加固深度的增加，既有隧道結構的上浮變形值逐漸減小。從中層導洞底部算起，當深度達到10.0 m時，既有結構的最大上浮變形值為3.94 mm，小于既有隧道結構上浮變形控制值4.0 mm。鑒于既有線的重要性，基于西單地層且認為注漿加固措施到位的前提條件下，建議對既有隧道結構的合理加固深度取13.5 m，既有注漿加固深度達到既有隧道結構的底部。在該工程中，實際的加固深度為16.0 m，既有隧道結構的最大上浮值為2.57 mm。同時，加固深度hz≥18.0 m時，對既有隧道結構的上浮變形值的控制不再起作用。

圖4 不同注漿加固深度下既有隧道結構上浮變形曲線

2)深度不變，寬度增加

分7種計算工況，hz=16.0 m，寬度bz的變化范圍見表2，其中工況4是西單上穿工程實際采用加固范圍。由圖5可知，隨著加固寬度的增加，既有結構的上浮變形值逐漸減小。當1.0 m≤bz＜6.0 m時，既有隧道結構的最大上浮值由3.13 mm下降至2.57 mm;當加固寬度6.0 m≤bz≤12.0 m時，既有結構的上浮變形值由2.57 mm下降至2.36 mm，既有隧道結構最大上浮值下降緩慢。因此，鑒于既有結構的重要性，合理的加固寬度取值為6.0 m。

表2 計算工況表

圖5 不同注漿加固寬度下既有隧道結構上浮變形曲線

3 結論與建議

1)注漿寬度保持不變的情況下，隨加固深度的增加，既有隧道結構的上浮變形值逐漸減小，對既有隧道結構的合理加固深度為13.5 m(加固深度達到既有隧道結構的底部)時即可將既有線結構的上浮變形控制在安全的范圍之內。同時，加固深度hz≥18.0 m時，對既有隧道結構的上浮變形值的控制不再起作用。

2)注漿深度保持不變的情況下，隨著加固寬度的增加，既有結構的上浮變形值逐漸減小，合理的加固寬度取值為6.0 m。

3)建議盡早施作新建隧道的二襯，隨著二襯的施作，對既有線已發生的上浮值有回調作用。

［1］ 張曉麗．淺埋暗挖法下穿既有地鐵構筑物關鍵技術研究與實踐［D］．北京:北京交通大學，2007．

［2］ 許有俊．淺埋暗挖法地鐵隧道上穿既有線結構關鍵問題研究［D］．北京:北京工業大學，2011．

［3］ 朱劍．新建上穿車站施工對既有隧道結構變形的影響及控制研究［D］．北京:北京工業大學，2010．

［4］ 許有俊，李文博，王楓．新建地鐵車站上穿既有地鐵隧道結構上浮變形預測［J］．鐵道建筑，2011(3):70-73．

［5］ 陶連金，張印濤，唐四海．礦山法開挖近距離上穿北京既有線隧道的三維數值模擬［C］//第三屆上海國際隧道工程研討會文集．上海:上海市土木工程學會，2007:560-565．

［6］ 劉忻梅，姜峰，許有俊．新建地鐵隧道上穿既有線結構抗浮加固效應計算分析［J］．鐵道建筑，2011(12):66-68．