四線隧道密貼下穿既有地鐵車站注漿加固圓礫石地層效果研究

寇鼎濤，高太平，閆建龍，申健昊，李 剛，李昊炎，沈宇鵬

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100068； 3.中鐵四局集團有限公司第三建設有限公司，天津 300011； 4.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

引言

近年來，隨著我國城市軌道交通的飛速發展，各大城市掀起了大規模開發利用地下空間的熱潮，不可避免地出現穿越城市軌道交通既有線的工程[1]。北京市2050年的地鐵線網規劃中，地鐵車站、區間隧道等結構的交錯節點更是高達118個[2]。穿越工程施工過程中，極易對周圍土體造成擾動而導致既有軌道結構不平順、既有車站產生沉降變形而降低乘客舒適性，嚴重時還會影響既有線的正常運營[3]。本工程新建隧道周圍土體為北京地區典型的卵石圓礫地層，其埋深較淺、卵石分布隨機、粒徑較大、黏聚力幾乎為零[4]，采取有效措施加固地層是十分必要的。

采用一系列措施如選用合理的隧道開挖工法、在既有車站下方布置預埋樁基、千斤頂頂撐、注漿加固等，可以有效控制既有結構的沉降變形[5-8]。其中，注漿加固由于其材料具有速凝早強、流動性好、強度較高等優點而在下穿工程中使用較多[9]。

近年來，相關學者對于注漿加固在下穿工程中的應用開展了大量的研究。鐘可等[10]依托實際工程，對不加固、超前管棚加固、地表注漿加固、MJS工法加固等多種方案進行數值模擬，結果表明，采用MJS工法是十分必要和可行的。陳城等[11]以北京某下穿工程為背景，采用現場實測和數值模擬的方法對不同水位下的注漿方案進行分析，對注漿加固方案進行了優化。鑒于砂卵石地層為典型的不穩定地層，易受到擾動，曹瑞瑯等[12]以北京某砂卵石地層下穿工程為背景，對超前管棚和深孔注漿復合支護進行了數值模擬，得到了該方案下的地層、隧道支護的變形特征。沈宇鵬等[13]以某鐵路線下框架橋頂進工程為研究對象，通過現場監測和數值模擬得到不同注漿強度下既有路基的沉降變形特征。

目前，對于注漿加固在地鐵下穿工程中的研究已取得很大進展，但研究對象大多是卵石地層中的盾構隧道下穿既有結構，且新建隧道大多是單線及雙線。對于注漿加固在淺埋暗挖隧道長距離、大面積下穿既有結構中的應用研究相對較少，有必要對此類工程實例進行深入研究。

以北京地鐵19號線四線隧道密貼下穿既有4號線新宮站為工程背景，采用現場監測和仿真計算方法，提出不同注漿加固范圍及強度下既有結構的沉降變形特征。同時，在控制既有結構沉降變形的前提下，結合工程經濟合理的要求，探討下穿施工過程中的合理注漿加固范圍。

1 工程概況

北京地鐵19號線新發地站至新宮站四線隧道下穿既有4號線新宮站項目，區間正線為大斷面平頂直墻隧道，下穿距離長達47 m。正線區間在中間，開挖寬度13.5 m，高度8.46 m。出入段線分布兩側，均為馬蹄形斷面，開挖寬度7.07 m，高度7.08 m。下穿段B型隧道拱頂與既有車站底板最小凈距約0.22 m。下穿工程平面示意如圖1所示。

圖1 下穿工程平面示意

本工程區間正線隧道共有A、B、C三種斷面形式，下穿段B型隧道斷面圖如圖2所示。

圖2 B型隧道斷面(單位：mm)

既有4號線新宮站為地下雙層明挖五柱六跨框架結構，2010年底投入運營。車站總寬度為40.9 m，總長度360.15 m(僅對下穿影響范圍之間部分進行分析)，底板埋深16.58 m，頂板平均覆土厚度3.2 m。下穿影響范圍內新宮站標準段寬40.9 m，高13.11 m，頂板厚700 mm，中樓板厚400 mm，側墻厚700 mm，底板厚800 mm，既有站柱截面尺寸為1 000 mm×700 mm，下穿段橫斷面如圖3所示。

圖3 下穿段橫斷面

本工程所處區域為北京市典型的上軟下硬地層，下穿范圍內自上而下分布著雜填土、粉質黏土、粉細砂、卵石圓礫等地層。新建隧道洞身周圍主要是卵石圓礫地層，而卵石圓礫極易受到擾動而使既有結構產生較大沉降。為在下穿過程中確保既有結構的沉降變形不超過一定的限值，在隧道開挖前對隧道輪廓線外一定范圍內地層進行全斷面后退式深孔注漿預加固。根據相關的地質勘察報告，本工程不考慮地下水位的影響。

2 下穿圓礫地層注漿工藝及參數設計

下穿段卵石圓礫地層具有孔隙率大、孔隙具有貫穿性的特點，采用全斷面后退式深孔注漿技術對其進行加固。為確保漿液的擴散區域以及注漿材料在地層中具有良好的膠凝性[14]，注漿參數設計如下。

(1)注漿材料：32.5級普通硅酸鹽水泥、模數2.2～2.8水玻璃以及濃度98%以上磷酸。水灰比為(1∶0.6)～(1∶1)，水泥與水玻璃體積比(1∶0.6)～(1∶0.8)。

(2)注漿長度：每循環注漿長度為12 m，后序注漿段均預留2 m已注漿段作為止漿盤。掌子面封閉采用C20噴射混凝土，混凝土噴射厚度為30 cm，中間鋪設1層鋼筋網片(HPB300φ6.5@150 mm×150 mm)。

(3)注漿孔間距：在鉆孔過程中先上后下，先外后內，布孔環向間距0.5 m，排距1 m，單孔漿液擴散半徑為0.5 m，注漿孔采用傘輻射狀梅花形布置，注漿試驗段孔位布置如圖4所示。

(4)注漿壓力：注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。

圖4 試驗段注漿孔位布置(單位：mm)

3 評價指標

目前地鐵運營公司對受施工影響的既有結構變形和軌道沉降限值要求極為苛刻，常規為3 mm，根據《北京地鐵工務維修規則》，對地鐵施工過程中各項沉降值的規定，將各項沉降限值整理如表1所示。

表1 變形控制指標

根據表1的規定，在不超出限值的前提下，選取既有站底板的沉降變形作為注漿加固效果的評價指標。

4 注漿效果分析

4.1 模型建立

僅對B型隧道密貼下穿車站部分進行建模仿真計算。模型上表面取至地表，模型寬度取下穿段隧道長度47 m，考慮邊界效應的影響，隧道外邊緣至模型邊界距離為開挖洞徑的3～5倍，最終確定模型尺寸為120 m×47 m×40 m。既有車站頂板覆土厚3.2 m，底板埋深16.58 m，假定開挖隧道與周圍土體、既有車站與圍巖符合變形協調原則，不考慮地下水的影響。整體模型如圖5所示，新建隧道與既有車站相對位置關系如圖6所示。

圖5 整體模型(單位：m)

根據現場地勘資料可將土層分為8層，所有土層均選用摩爾-庫倫本構。在模型中，可通過“改變屬性”命令實現對全斷面注漿加固地層的模擬。通過對相關文獻[15-17]的研究，得到注漿加固后地層相關參數的確定方法,彈性模量、黏聚力、內摩擦角和容重在注漿加固后提高，泊松比則有一定程度的降低。其中，彈性模量提高到原來的1.25～1.56倍，而黏聚力則有10倍以上的提高，內摩擦角和容重一般變化不大。

圖6 新建隧道與既有車站相對位置關系

模型中，隧道初支、二次襯砌、仰拱以及既有車站底板、頂板、側墻、中樓板均采用二維板單元模擬，既有站柱采用一維線單元模擬，支護結構均采用線彈性本構關系。地層參數及模型材料力學參數如表2所示。模型頂部為自由邊界面，對底面及側面均施加法向約束，限制其產生位移。

表2 地層參數及模型材料力學參數

4.2 施工步序

根據本項目設計資料，可將隧道截面進行如圖7所示的劃分。

圖7 隧道截面劃分示意

模型共設置58個施工步驟。大體可劃分為如下7個階段。

階段1(步序1)：設置初始應力場并位移清零；

階段2(步序2～步序10)：進行下穿段區間正線B型隧道1、2號導洞的開挖并及時施作初支；

階段3(步序11～步序19)：進行下穿段區間正線B型隧道左線二襯施作；

階段4(步序20～步序29)：進行下穿段區間正線B型隧道3、4號導洞的開挖并及時施作初支；

階段5(步序30～步序38)：進行下穿段區間正線B型隧道右線二襯施作；

階段6(步序39～步序48)：進行下穿段區間正線B型隧道5、6號導洞及出入段左右線7、8、9、10號導洞的開挖并及時施作初支；

階段7(步序49～步序58)：進行下穿段區間正線B型隧道中線及出入段左右線二襯施作。下穿施工完成如圖8所示。

圖8 階段7完成圖

4.3 模型驗證

新建區間隧道中線開挖及初期支護施作完成后其拱頂沉降的模擬值與監測值對比如圖9所示。下穿施工完成后既有站底板沉降模擬值與監測值對比如圖10所示。

圖9 隧道拱頂變形模擬值與監測值對比

圖10 既有站底板變形模擬值與監測值對比曲線

從圖9、圖10可以看出，數值模擬結果稍大于現場實測值。圖9中誤差最大的實測值為相應模擬值的64%[18]，圖10中模擬值與實測值誤差最大為8%[19]。兩者數值雖不完全一致，但誤差在可接受范圍內，且具有一致的變化趨勢。考慮到實際施工的復雜性，影響變形的因素眾多，可認為利用Midas/GTS能較好反映實際情況。

4.4 結果分析

為了得到下穿施工過程中既有站底板的沉降變形特征，在既有站底板選取截面A和B作為典型截面進行重點研究，其位置如圖11所示。其中，截面A為區間正線隧道中線在既有站底板對應位置，截面B為既有站縱向中位線。點A為圖示兩截面在既有站底板上的交點。

圖11 典型截面位置示意

4.4.1 注漿加固范圍

為研究不同注漿加固范圍下既有結構的沉降變形規律，設置如表3所示的工況進行數值模擬，并將模擬結果進行對比。

圖12為下穿施工過程中，上述6個工況下A點的沉降變化曲線。

表3 注漿加固范圍工況

圖12 不同注漿范圍既有站底板沉降變化曲線

由圖12可看出，下穿施工所有步驟完成，即B隧道中線、左右出入線二襯施作完成后，A點沉降值最大。且在施工過程中，既有結構沉降隨著土體開挖逐漸減小，隨著二襯施作逐漸增大。分析其原因是土體開挖過程中及時施作的初期支護與圍巖形成了剛度較大、力學上穩定的地下體系，使得土體沉降趨于穩定且略有回升。然而，二襯施作過程中臨時仰拱及臨時中隔壁的拆除，導致支護結構剛度迅速下降而引起周圍土體產生較大沉降變形[20]。

對比不同工況下沉降變化曲線，6種工況下既有結構具有大致相同的變化趨勢。工況1(不進行注漿加固)引起A點的沉降最大，且沉降值隨著注漿加固范圍的增大而減小。然而，工況4、5、6引起的既有結構沉降值相差不大。分析其原因應是注漿加固范圍在隧道輪廓線外2 m以上時，隧道周圍開挖影響范圍內卵石圓礫孔隙基本被漿液填滿，兩者形成了相對穩固的、致密的共同體。

取A點為零點，在A點左右兩側各取一系列測點，對其沉降變形進行分析研究。圖13為下穿施工完成后截面A沉降曲線。

圖13 施工完成不同注漿范圍A沉降槽

分析圖13可知，截面A沉降槽近似呈“W”形，當區間中線，出入段左、右線二襯施工完成后，沿隧道開挖方向既有結構的最大沉降出現在A點左右兩側16 m位置附近，最小沉降值出現在A點附近。對比不同工況下的沉降曲線，6種工況的沉降槽具有一致的變化趨勢。如果按照工況1(不進行注漿加固)施工，則既有結構的最大沉降超過3 mm的限值，因此，為控制既有結構的沉降變形，必須對隧道圍巖進行注漿加固。隨著注漿加固范圍的增大，既有結構的沉降值越來越小，最小為1.83 mm(工況6)但工況4、5、6引起的既有結構沉降值相差不大。

同理，取A點為零點，垂直于隧道開挖方向在A點兩側選取一系列測點，對其在區間中線及出入段左、右線二襯施作完成后既有結構的沉降變形進行分析研究。圖14為下穿施工完成后截面B沉降曲線。

圖14 施工完成不同注漿范圍B沉降槽

分析圖14可得，與常見的單峰拋物線形沉降槽不同，B截面沉降槽更像是正弦曲線的一部分。從左到右，曲線的3處“波谷”在既有站底板上對應位置分別為出入段右隧道中線、區間隧道中線、出入段左隧道中線。3處“波谷”代表的最大沉降值大致相等，出現沉降是既有站下方土體卸荷導致底板相應位置失去支撐所致。同時，曲線上還出現了兩處“波峰”，“波峰”的出現是由于其對應既有站底板位置下方土體并未被挖除，但受到兩側開挖的擾動而產生了一定的沉降。值得注意的是，工況5、6曲線的“波峰”處既有站底板甚至出現了隆起變形。分析其原因是注漿范圍較大而導致既有站底板被輕微頂起。工況6產生的沉降變形最大，既有結構的沉降變形隨著注漿范圍的增大而減小，但工況4、5、6引起的既有結構的沉降變形相差不大。分析其原因是注漿加固范圍為2 m以上時，隧道開挖影響范圍內卵石圓礫孔隙基本上被漿液填滿，兩者形成了相對穩定的、致密的共同體。

4.4.2 注漿加固強度

為研究注漿強度對于既有結構的影響，將注漿加固后地層視為等代層，在控制注漿加固范圍不變的前提下，通過改變其彈性模量、黏聚力、內摩擦角來模擬不同的注漿強度[21]。設置如表4所示的不同工況進行數值模擬，并將模擬結果進行對比。

表4 注漿加固強度工況

圖15為下穿施工過程表4中4種工況下A點的沉降變化曲線。

圖15 不同注漿強度既有站底板沉降變化曲線

由圖15可知，下穿施工所有步驟完成，即B隧道中線、左右出入線二襯施作完成后，A點沉降值最大。對比不同工況下沉降變化曲線，4種工況下既有結構具有大致相同的變形趨勢。隨著注漿強度的增大，既有結構的沉降變形逐漸減小。

圖16為下穿施工完成后截面A沉降曲線。

圖16 施工完成不同注漿強度A沉降槽

分析圖16可知，當區間中線、出入段左、右線二襯施工完成后，沿隧道開挖方向既有結構的最大沉降出現在A點左右兩側18 m位置附近，最小沉降值出現在A點左側4 m位置附近。對比不同工況下的沉降曲線，4種工況的沉降槽具有一致的變化趨勢。上述所有工況下既有結構的最大沉降都未超過相關限值，說明注漿加固在下穿工程中可以有效控制既有結構的沉降變形。且隨著注漿強度的逐漸增大，既有結構的沉降變形逐漸減小。

圖17為下穿施工完成后截面B沉降曲線。

圖17 施工完成不同注漿強度B沉降槽

分析圖17可知，上述4種工況的B截面沉降槽具有相同的變化趨勢，大致以B隧道中線所在直線為對稱軸左右對稱，B隧道中線在既有站底板對應位置處沉降值最大。既有結構沉降變形隨注漿強度的增大逐漸減小，且注漿強度越大，既有站相應位置的隆起值越大。

5 結論

(1)土體開挖過程中既有結構沉降逐漸回升，這是及時施作的初期支護結構與圍巖形成的支護體系有效抑制了土體沉降變形所致。二襯施作過程中既有結構沉降迅速增大，這是臨時支護結構的拆除導致支護體系剛度迅速下降所致。

(2)隧道開挖前對地層進行注漿預加固，可以確保既有結構沉降變形小于3 mm的限值。

(3)注漿加固范圍越大，既有結構沉降變形越小。

當注漿范圍大于2 m后，其加固效果相差不大，綜合考慮施工安全與成本控制，注漿加固范圍選取隧道輪廓線外2 m為宜。

(4)注漿加固強度越大，既有結構沉降變形越小。同時，注漿強度越大，既有站相應位置處隆起變形越大。在控制既有結構沉降方面，增大注漿加固范圍比增大注漿加固強度更有效。