復雜環境下暗挖車站近貼既有區間風險控制研究

徐福田

（中鐵十六局集團地鐵工程有限公司 北京 100124）

1 引言

隨著城市地鐵建設的不斷推進，考慮到城市的既有建筑對空間的限制，新建地鐵不可避免地與既有車站和區間形成上跨、下穿、側穿、近接等位置關系［1-2］。如何做到在保持既有結構物穩定的情況下，完成新建車站的修建，從而實現地下大空間既有結構的網絡化拓建是一個重難點［3-4］。城市軌道工程中，經常采用深孔注漿的方式進行地層加固，但是施工過程中卻會因為不同地層的交替變化，導致注漿壓力大小、注漿順序等注漿參數的變化而降低注漿效果。為此，本文采用一種能夠反復多次定量的低壓注漿方式——袖閥管注漿，從而從定性和定量角度多次對既有結構進行保護。本文以北京地鐵17號線東大橋站為依托，采用深孔注漿超前加固地層、多導洞錯開安全步距開挖，以減少群洞開挖沉降疊加效應；袖閥管跟蹤動態補償注漿，自動化實時監測技術等多種措施相結合綜合進行風險控制，做好對緊鄰既有6號線區間的保護，從而保證既有結構和軌道的穩定及列車運行的安全。

2 工程概況

2．1 工程簡介

北京地鐵17號線東大橋站與既有6號線東大橋站呈“T”形通道換乘，并與28號線、正在規劃的規劃北線在此換乘連通。東大橋站位于東大橋路、工人體育場東路與朝陽門外大街、朝陽北路相交的五叉路口。周邊建筑物有工人體育場東路小區、藍島大廈、百富國際大廈、東大橋東里小區等高層和老舊建筑。車站為島式車站，總長336.8 m，高17.85 m，車站結構中心里程處單層結構覆土約15.18 m，車站有效站臺中心處底板埋深約33.6 m。車站結構含暗挖雙層雙柱三跨結構、雙層三柱四跨結構（長49.7 m）、暗挖單層單洞結構（長36.5 m）三種不同的結構形式。

本文主要是對新建車站施工緊鄰既有6號線區間的10 m范圍內進行地層加固，控制既有結構沉降。穿越既有區間的地面沉降控制值為30 mm，達到18 mm即為預警值；既有軌道的沉降控制值為3 mm。要求在緊鄰既有區間的新建車站開挖時對既有軌道沉降控制標準為1 mm。二者的平面位置關系見圖1所示。

圖1 導洞與既有區間隧道平面位置關系（單位：mm）

既有6號線朝陽門站-東大橋站區間，采用單洞單線馬蹄形斷面，復合式襯砌。區間正線初期支護厚度為0.25 m，采用C20早強混凝土。區間二次襯砌厚度為0.3 m，采用C40、P10防水混凝土。區間隧道標準斷面開挖高度為6.5 m，寬度為6.2 m。區間靠近東大橋站設置迂回風道，迂回風道采用拱頂直墻斷面，斷面凈寬4.5 m，凈高為3.6 m。區間正線及迂回風道均采用暗挖臺階法施工。

緊鄰既有6號線的新建車站采用8導洞洞樁法施工，小導洞斷面尺寸為5 m×4.6 m或5 m×5.6 m。每個小導洞噴射C20早強混凝土，初期支護厚度為0.35 m，拱部設DN25（φ32）×2.75 mm環向間距＠300 mm、長度L＝2 m的鋼焊管，縱向每榀打設，鋼格柵間距0.5 m。車站主體結構剖面如圖2所示。

圖2 緊鄰既有區間的車站主體結構剖面（單位：mm）

2．2 工程地質及水文地質

新建車站范圍內穿越的地層主要有：雜填土①1層、素填土①層、黏質粉土③層、粉質黏土③1層、粉細砂④3層、細中砂④4層、圓礫⑤層、粉質黏土⑥層、黏土⑥1層、黏質粉土⑥3層、中砂⑦1層、圓礫⑦層、粉質黏土⑧層、卵石⑨層。車站地處三層地下水，分別為層間潛水（三）層位于粉細砂④3層、細中砂④4層、圓礫⑤層、粉質黏土⑥層、黏土⑥1層，穩定水位埋深15.42 m；層間潛水～承壓水（四）層主要位于結構開挖范圍內，主要分布于⑥粉質土層、⑦層圓礫和⑧層粉質土層，含水層頂板為⑥粉質黏土，頂部隔水層局部缺失形成“天窗”，底板為⑧層粉質黏土，穩定水位埋深22.12 m；承壓水（五）主要分布于⑧粉質土、⑨1中砂層、⑨卵石層中，含水層相對隔水層頂板為⑧層粉質黏土，穩定水位埋深22.12 m，測壓水位位于結構底板以上約13.6 m。

3 工程難點

（1）距離既有線近

車站上、下導洞臨近既有6號線區間隧道，最近水平距離約為3.0 m。上導洞高度與6號線區間隧道基本相同，而下導洞低于6號線區間隧道。導洞高5 m，導洞開挖對3倍導洞高度范圍內的地層沉降影響顯著。因此，導洞開挖若處理不當，易造成既有線隧道的不均勻沉降，影響其運營安全。

（2）導洞的群洞效應

已有的研究表明，當導洞的中心線間距離小于3D時，在導洞開挖過程中會引起相鄰土體的多次擾動，從而導致相應位置沉降，即存在群洞效應［5-7］。本工程的導洞水平中心線間距為7.2～8.86 m，垂直高差為14.27 m，上導洞開挖寬4.7 m，下導洞開挖寬4.7～5.7 m。因此，導洞之間的距離都小于3D，開挖過程中相互影響較大。施工不采取有效措施，會造成地表沉降過大，引起既有結構的變形超標。

（3）市政管線多且近

車站穿越的地下管線種類繁雜、互相交叉。重要管線包括：橫跨東大橋車站的2 000 mm×2 350 mm電力隧道、4 500×2 800 mm熱力方溝、φ1 750 mm上水管、φ1 550 mm污水管、1 600×950 mm熱力方溝、4根燃氣管（φ300、φ400、φ406、φ508）、φ600 mm上水管及先平行車站后橫跨車站交錯于車站的4 500×3 000 mm雨水方溝等。施工中如何做到在保證管線安全的條件下，完成車站的施工是本工程的重難點。

4 施工方案比選

4．1 既有方案存在的問題

在臨近既有區間的10 m范圍內，需要對開挖區域的地層進行超前預加固。主要采用二重管深孔注漿，加固范圍為開挖輪廓線外2 m及掌子面全斷面，且在導洞開挖到設計位置后，打設DN25（φ32）×2.75 mm鋼焊管，對區間隧道兩側面地層進行注漿加固。采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力不超過0.5 MPa。該加固措施能夠將原有土體強度有效提高20%，有效增強加固土體的均勻性，減少施工過程中對土體的多次擾動，達到理想的開挖條件。

但是僅采用上述的加固措施存在以下主要問題：（1）不能保證深孔注漿后的漿液擴散性，加固范圍不足，不能保證既有區間結構側下方的土體得到有效加固；（2）這種加固方案經過模型計算后，可知既有軌道沉降變形控制值達到1.43 mm，臨近既有區間施工引起既有結構軌道的沉降變形較大，占總變形沉降量（控制值3 mm）的47.7%，對后續下穿段的既有軌道變形沉降值（剩余沉降量1.67 mm）控制難度增大［8-9］。

4．2 施工方案的確定

針對上述問題，結合“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針原則，優化原有的施工方案，加大土體加固后的強度，即增加袖閥管注漿［10-11］，擴大了注漿范圍，承擔了對既有軌道施工保護的主要部分。具體見圖3所示。

圖3 導洞與既有區間加固范圍剖面（單位：mm）

詳細施工方案：

（1）小導洞采用臺階法施工，先上后下，先邊后中。即先施工上導洞和邊導洞，后施工下導洞和中導洞。為了減少群洞效應，上下及相鄰導洞至少拉開15～20 m距離。

（2）上、下層導洞開挖至距離既有區間10 m段時，停止開挖，施作封端止漿墻。封端墻掛設雙層φ6.5＠150×150 mm鋼筋網片，噴射300 mm厚的C20早強混凝土。

（3）采用二重管后退注漿方式進行深孔注漿，注入水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力不超過0.5 MPa；注漿范圍為上下導洞、橫向導洞、扣大拱的全斷面范圍內及開挖輪廓線外2 m范圍內。

（4）深孔注漿完成后，繼續開挖上層導洞，到車站端頭后，掛網噴射C20混凝土，進行封端處理，然后在上層導洞底板及側墻內向斜下方打設φ42 mm的袖閥管，袖閥管長度9～12 m。對鄰近既有區間隧道兩側及側下方進行注漿加固，注入水泥-水玻璃漿液，控制好打設角度和注漿壓力，避免既有區間的上浮。

（5）下層導洞開挖至車站端頭后，對其進行封端處理，然后在導洞內向斜上方打設φ42 mm的袖閥管，對鄰近既有區間隧道兩側及底部進行側向補充注漿，進一步提高既有區間兩側土體的強度。

（6）經過多次注漿加固，將對既有區間軌道的變形影響控制在0.8 mm內，為后續車站下穿既有區間施工沉降控制指標留有充足的余量（后續沉降變形量2.4 mm）。

5 主要施工工藝

5．1 深孔注漿

本工程加固地層主要是在深孔注漿的基礎上，輔以袖閥管注漿［12］。深孔注漿設置在小導洞距離既有區間10 m處，設置1道止漿墻。采用地質鉆機成孔，注入水泥-水玻璃漿液，如圖4所示。深孔注漿采用二重管后退式注漿，其施工工藝比較常見，在此不再贅述。

圖4 深孔注漿范圍（單位：mm）

5．2 袖閥管注漿

袖閥管注漿是一種比較先進的注漿方式，它能夠定深、定量、分段、間歇、重復注漿，且能多角度、多方位注漿。其施工工藝見圖5。

（1）袖閥管布置

車站主體斷面沿橫向每隔5 m做一次袖閥管的注漿。每個橫斷面上設置15根φ42 mm袖閥管，具體分布尺寸如下：上層導洞內打設7根袖閥管，以豎向為基準點，角度從小到大依次為0°、10°、19°、26°、35°、46°、59°；長度依次為11.5 m、11 m、12 m、12 m、12 m、9 m、9 m。下層導洞內打設8根袖閥管，角度依次為 0°、7°、13°、20°、43°、57°、68°、81°；長度依次為 6.5 m、6 m、5 m、4 m、4.5 m、4.5 m、4.5 m、4.5 m。袖閥管布置如圖6所示。

圖5 袖閥管注漿施工工藝

圖6 袖閥管布置（單位：mm）

（2）鉆孔

采用XY-100型探礦鉆機鉆孔，成孔直徑為50 mm。施工前對孔位進行測量放線，用白色標記標出斷面上孔位的具體位置，然后搭設鉆機塔架，移動鉆機至相應具體位置。

施工過程中按照隔兩孔打一孔的方式打設，防止鉆進過程中引發周邊相鄰孔位的坍塌。

（3）袖閥管安裝

將袖閥管放入注漿鉆孔中。施工過程中要不斷量測注漿管，確保注漿管伸至孔底，并且高出孔位20 cm，以保證后續的注漿效果。

（4）下芯管注套殼料

待鉆孔深度達到設計深度后，用清水洗孔，然后將黏土和水泥組成的套殼料通過鉆桿泵送至孔底，待灌注的套殼料從管口溢出，且溢出的漿液經檢測與配制的原料一致時，此工序完成。

（5）漿液制備及注漿

在施工前按照1∶0.8的比例配置好水泥-水玻璃漿液，通過雙液注漿泵混合兩種溶液，達到最佳效果，然后后退式分段注入漿液。注漿采用從上到下、從鄰近段到遠離段的順序。

（6）提升芯管

注入漿液后，緩慢勻速地拔出芯管，每次拔出30～50 cm。

（7）注漿結束

當注漿壓力達到0.5 MPa，繼續注漿10 min，當注漿壓力不再變化時，結束注漿。

6 施工監測

6．1 測點布置

為了監測緊鄰既有區間段施工對周邊地表、洞內軌道的變形情況，地面每隔5 m設置一排地表沉降點，在一個橫斷面上連續布置7～11個監測點。初支開挖期間設置收斂點、拱頂沉降點。

監測頻率：在距開挖斷面9.2 m范圍內，一天監測1～2次；9.2～23 m范圍內，兩天監測1次；距離開挖斷面大于23 m后，一周監測一次。當變形穩定后，監測頻率調整為一個月一次。

6．2 監測曲線

根據施工進展，一個月內對緊鄰既有區間段沉降進行監測，得出沉降數值，繪制沉降趨勢圖，如圖7所示。

圖7 既有隧道沉降趨勢

6．3 沉降分析

搜集、分析整個施工過程中的監測數據，地表沉降值最大達到9.8 mm＜30 mm（標準值），同時也不超過18 mm的預警值（標準值的60%）；既有運營軌道的豎向沉降值最大達到0.8 mm＜1 mm（標準值）；帶壓管線的沉降值最大達到5 mm＜10 mm（標準值）。

7 結束語

施工中采用袖閥管注漿、深孔注漿、多導洞錯開和沉降監測技術進行風險控制，有效地加固了地層。在既有區間和下穿段形成一個剛性結構，減少了下穿段開挖對既有軌道的擾動，促使既有軌道的變形在可控范圍內，此方法可以在同類工程施工中推廣應用。同時施工過程中要做好對袖閥管的定位工作，確保在打設和安裝時不會對既有區間產生直接接觸，重點是做好壓力控制，避免壓力過大引起既有區間軌道上浮。