大直徑泥水平衡盾構下穿既有地鐵結構預加固方案研究

劉 方 杜建明 張文龍 張宇寧

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學隧道與地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

隨著我國城市軌道(地鐵)交通的日益發展以及地下空間的深入開發，新建隧道下穿既有隧道的工程越來越多[1-5]。既有隧道施工已對周圍土體產生過擾動，新建隧道下穿施工將對既有隧道周圍土體產生二次擾動，加劇周圍土體的位移和變形。如果防護措施不當，將對既有隧道結構產生危害，進而影響既有隧道的正常使用，嚴重時將引起地表不均勻沉降，可能導致地表建筑傾斜坍塌。

對新建隧道下穿施工影響的研究，主要集中在地表沉降和既有結構變形預測及安全控制[6-10]、既有結構受力變形與地層應力變化規律[11-13]、地表房屋安全性與人員舒適性[14-16]等方面，而較少關注下穿施工中預加固方案的研究。目前，下穿施工中的預加固方案主要有地層加固法、隔離樁法和主動頂升法等。

依托京張高鐵清華園隧道下穿知春路車站工程，對3種不同的地層加固法(水平旋噴樁、管幕和小導管注漿)進行研究分析。

1 工程概況

清華園隧道為京張高速鐵路重點控制性工程之一，位于北京市海淀區，隧道開挖直徑12.64 m，全長6.02 km。全隧近距離并行地鐵13號線，共穿越4處地鐵、7處重要城市道路以及88條重要市政管線，周邊建(構)筑物密集，是目前國內城市核心區段穿越地層最復雜、重要建(構)筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑隧道之一。該隧道采用泥水平衡盾構法施工，最大覆土厚度29 m，盾構管片內徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚度為55 cm[17-18]。

京張高鐵清華園隧道盾構段(DK15+826～DK15+847)下穿地鐵10號線和13號線換乘車站(知春路站)及10號線區間隧道段，交叉夾角為79°，垂直凈距6.5 m，距離知春路站西側最小水平距離1.5 m。新建隧道與知春路站平面布置形式見圖1，橫斷面位置見圖2。

圖1 新建隧道與知春路車站的平面位置

圖2 新建隧道與知春路車站的橫斷面(單位：cm；高程單位：m)

清華園隧道位于北京市平原區的西北部，地面高程為48.92～451.35 m，地勢平坦。地層上部主要為第四系全新統人工堆積雜填土，中部為第四系全新統沖洪積粉質黏土、粉土和粉砂，下部主要為圓形礫石土和卵石土。根據埋藏條件，第四系地層中的松散巖類孔隙水可以分為上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水補給主要以大氣降水為主，管溝滲流為輔，集中分布在粉土與粉砂層，水位埋深3.4～5.7 m，高程44.91～49.62 m。層間潛水主要受區域性地下水影響，且局部承壓，水位埋深為21.0～25.0 m，高程為27.97～29.00 m。

為了保證京張高鐵清華園盾構隧道下穿知春路地鐵車站及區間隧道工程施工的安全，從地層適用性、加固效果、環境影響、施工工藝、設備損傷、工程造價、位移和應力控制等多方面對既有地鐵結構的加固設計方案(水平旋噴樁、管幕和多層小導管注漿)進行研究分析。

2 加固方案

2.1 MJS水平旋噴樁預加固方案

在地鐵10號線區間隧道南側5 m處開挖6 m×6 m豎井及5.5 m×4 m橫向施工通道。豎井采用倒掛井壁法施工，橫通道采用臺階法暗挖施工。在橫向通道內實施MJS水平旋噴樁加固，樁間距1.3 m。在水平旋噴樁與地鐵10號線區間隧道及車站底板間施作注漿孔，作為10號線變形超標時的跟蹤注漿措施，如圖3所示。

圖5 多層小導管注漿加固方案(單位：cm；高程單位：m)

圖3 水平旋噴樁預加固方案(單位：cm；高程單位：m)

2.2 管幕預加固方案

豎井及橫通道施工與水平旋噴樁類似。在橫通道內施作互鎖管幕作為超前支護。在清華園隧道與地鐵10號線區間段及車站底板之間施作注漿孔，作為10號線變形超標時的補救措施，見圖4。

圖4 管幕預加固方案(單位：cm；高程單位：m)

管幕采用φ402 mm熱軋無縫鋼管側面焊接鎖扣，鎖扣材料為角鋼，通過鎖扣將鋼管連接在一起，形成整體支護。管幕單根長度40 m，每節長5 m，共48根。

2.3 多層小導管注漿預加固方案

多層小導管注漿預加固方案縱斷面如圖5所示。由于實際工程加固范圍較大，單側豎井注漿范圍有限，故在知春路南北側各開挖1條豎井，通過在兩側豎井同時雙向注漿來保證隧道下穿施工過程中既有地鐵結構的安全。

1號豎井設置在地鐵10號線南側鐵路界內，豎井尺寸為7.5 m×7.5 m，注漿孔設置在井壁上，間距為0.36 m/0.6 m(水平/豎向)。加固風井及橫通道方向的注漿間距為0.51 m/0.6 m(水平/豎向)；2號豎井設置在10號線北側鐵路界內，并設置注漿工作室，工作室尺寸為7 m×5.6 m，注漿孔設置在工作面上，2號豎井橫通道工作面袖閥管間距為0.42 m/0.4 m(水平/豎向)。注漿管采用φ50×50(t=3.5 mm)鋼花管，注漿壓力為0.3～0.4 MPa，單孔擴散半徑不小于0.8 m；黏土范圍內采用超細水泥漿，卵石地層采用水泥-水玻璃雙液漿。

利用倒數第二排注漿管實施跟蹤注漿，壓力為0.2～0.3 MPa，注漿材料為水泥漿，控制盾尾與地層間隙引起的地層損失。

3 數值模擬分析

3.1 模擬方法

(1)模型簡介

采用Flac3D有限差分軟件建立三維模型，分析不同加固方案對新建盾構隧道下穿既有車站結構的變形影響，模型尺寸為165 m×90 m×80 m，網格劃分見圖6。

(2)模擬假設

地層材料采用摩爾-庫倫準則計算。模擬假設如下：①地層為均質層狀分布，且不考慮地下水和孔隙水壓力的影響；②新建隧道與車站結構主體正交，將車站主體結構等效為一種鋼筋混凝土彈性材料，且剛度相同；③新建隧道、車站結構主體與地層之間符合變形協調原則[19]；④軌道與隧道結構變形一致，施工前隧道結構與軌道結構狀態良好[20]。

(3)材料參數

地層參數根據巖土勘察報告確定，見表1。盾殼參數按鋼材取值，注漿層用等代層模擬，均假定為各向同性彈性體。參考類似工程經驗，等代層厚度取20 cm，注漿材料凝固硬化前取相對弱參數，凝固硬化后按水泥土材料取值，結構參數見表2。

表1 地層參數

表2 結構參數

3.2 施工過程模擬

建模過程中定義盾殼為彈性材料，彈性模量取E=210 GPa。為等效考慮盾構機重量，將其整體施加在盾殼上，盾殼密度增加到7 850×11.67 kg/m3。在盾構工作面施加梯形荷載來模擬刀盤對土體的壓力，隧道頂部支護力取0.365 MPa，底部支護力取0.473 MPa，千斤頂總推力取8.5×104kN，泥漿壓力取4.90×104kN。在盾殼外表面施加摩擦力來模擬盾構機推進過程對周圍土體的擾動，盾殼摩擦應力取0.47 MPa，內摩擦角取12°。盾殼空隙和回填注漿采用注漿軟材料來模擬，當漿液凝固后，采用注漿硬材料來模擬，注漿壓力取0.5 MPa。施工過程模擬包括模型建立、豎井橫通道施工及盾構開挖三部分。

(1)模型建立

設定材料力學參數及模型邊界條件，考慮自重作用，計算初始應力場，將位移場和速度場清零。地鐵車站結構一次性施工，獲得新建隧道施工前的應力場，同時將位移場和速度場再次清零。

(2)豎井施工

用null單元鈍化第一層豎井內的土體單元，然后對第一層井壁單元賦值相應的支護參數，按此順序依次往下施工至橫通道底，并進行臨時封閉。橫通道施工：用null單元鈍化豎井底側面與橫通道相交的單元，然后對第一節橫通道壁賦值相應的支護參數，依次向前開挖，直至橫通道施工完畢。地層加固：通過對土體單元賦值不同的力學參數來達到不同加固工法的效果。豎井及橫通道回填：重新激活豎井及橫通道內部的土體單元，并賦值相應的力學參數。

(3)盾構開挖

盾構機開挖過程主要包括盾構機進洞、正常開挖、盾構機頭出洞以及盾尾脫出四部分。盾構機進洞：鈍化第一環土體及管片結構，在開挖面施加支護力。建立盾殼與土體接觸面，并賦值相應的力學參數，激活盾殼單元，并在盾尾施加千斤頂推力。如此循環，直至盾構機全部進入土體。正常開挖：待盾構機全部進洞后，將盾尾注漿層參數設置為硬化前的參數，并施加注漿壓力。待下一步施工完成后，再將盾尾注漿層參數設置為硬化后的參數。如此循環，直至盾構機頭出洞。盾構機頭出洞：不再向工作面施加支護力，繼續開挖，直至盾尾脫出。盾尾脫出：不再激活新的盾殼和管片單元，也不再建立新的接觸面，直至隧道開挖完畢，盾尾脫出。

3.3 加固方案模擬

模型中水平旋噴樁等效為剛度相同、厚度為1.90 m的矩形實體，以此實體單元來等效模擬水平旋噴樁預加固效果；超前管幕布置兩層，每層厚0.4 m，多層小導管注漿加固范圍為47.8 m×23.7 m，厚3.8 m，均采用實體單元模擬。

通過在單元上施加法向壓力模擬注漿膨脹過程，當達到設定的壓力后，再按線性逐漸減小，模擬膨脹壓力的消散過程，壓力取0.4 MPa。具體加固參數見表3。

表3 豎井結構及加固材料參數

3.4 結果分析

(1)車站主體結構變形分析

圖7為不同預加固措施下車站主體結構豎向變形云圖。

圖7 不同預加固措施下車站主體結構豎向變形

采取預加固措施之前，車站主體結構最大豎向變形為27.71 mm，遠超相關規范限值。采取水平旋噴樁預加固措施后，車站主體結構最大豎向變形為2.27 mm，同比減小91.81%；采取管幕預加固措施后的最大豎向變形為1.12 mm，同比減小95.96%；采取多層小導管注漿預加固措施的最大豎向變形為3.37 mm，同比減小87.84%。采取預加固措施后，極大地降低了主體結構的豎向變形，將最大變形值控制在規范限值之內，從而保證了車站主體在下穿隧道施工時的安全。

車站主體結構最大變形均發生在隧道中線正上方位置，未采取預加固措施時，隧道中線±40 m范圍內的結構變形較大。采取相關預加固措施后，車站主體結構變形沉降槽寬度明顯減小，尤其是采用管幕預加固措施后，車站主體結構變形響應為最小。

多層小導管注漿加固方案會導致車站主體結構產生部分隆起，最大隆起量為0.38 mm，故應合理控制注漿壓力，防止車站主體結構的過大變形或隆起。

圖8為不同預加固措施下車站主體結構最大豎向變形時程曲線。由圖8可知：3種預加固措施都能有效控制車站主體結構因下穿隧道施工而引起的變形。

其中，管幕預加固措施控制變形效果最好，水平旋噴樁預加固措施次之，多層小導管注漿預加固措施再次之。

圖8 不同預加固措施下車站主體結構最大豎向變形時程曲線

(2)車站主體結構應力分析

圖9為不同預加固措施下車站主體結構拉應力云圖。在未采取預加固措施時，車站主體結構最大拉應力為1.61 MPa，采取水平旋噴樁預加固措施后，車站主體結構最大拉應力為1.29 MPa，同比減小19.9%；

圖9 不同預加固措施下車站主體結構拉應力云圖

采取管幕預加固措施后的最大拉應力為0.18 MPa，同比減小88.8%；采取多層小導管注漿預加固措施后的最大拉應力為1.40 MPa，同比減小13.0%。由此可知：3種預加固措施都能有效控制車站主體結構最大拉應力，保證車站主體結構最大拉應力不超過相關規范限值，而管幕預加固法在控制車站主體結構最大拉應力方面效果最佳。

4 加固方案對比分析

從地層適用性、加固效果、環境影響、施工工藝、設備損傷、工程造價、位移與應力控制等多方面，對水平旋噴樁、管幕和多層小導管注漿加固方案進行對比分析(見表4)。

表4 不同加固措施綜合對比

根據DB11/1067-2014《城市軌道交通土建工程設計安全風險評估規范》的相關規定[20]，從環境風險分級[21]和環境設施重要性分級兩個方面將知春路車站風險源定義為特級，應重點對知春路車站周圍環境影響、所處地層變形和主體結構受力進行控制。綜合理論分析和數值模擬結果以及工程所處環境和重要性等級，建議使用多層小導管注漿加固法，這樣既能保證下穿施工安全，又能降低工程造價。

5 結 論

依托京張高鐵清華園盾構隧道既有知春路地鐵車站及區間隧道工程，對3種加固方案進行了對比分析，得出如下結論。

(1)數值模擬結果分析表明：未采取加固措施時，既有車站主體結構豎向變形和最大拉應力均較大，遠超相關規范限值，故對既有地鐵結構進行加固是非常必要的；管幕加固在控制既有車站主體結構豎向位移和最大拉應力方面效果最佳，水平旋噴樁次之，多層小導管注漿加固再次之。

(2)綜合數值模擬結果和工程所處環境及重要性等級，建議使用多層小導管注漿加固法，這樣既能保證下穿施工安全，又能降低工程造價，對周圍環境的影響最小。