密貼下穿既有車站超前注漿范圍優化分析★

劉國龍

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250002)

0 引言

在城市土地資源日益緊缺的情況下,城市軌道施工越來越向著立體交叉式發展。新建結構密貼下穿既有結構工程越來越多,較近距離的施工會導致兩結構間的土層完全破壞,需要采用注漿加固措施保證安全施工。

鄭愛元[1]、嚴德添[2]依托區間隧道下穿既有車站的近接工程,提出短進尺CRD法開挖結合全斷面注漿控制既有車站結構變形。曹德更等[3]根據地鐵17號線東大橋站下穿既有6號線區間隧道工程,提出了全斷面注漿結合洞樁法施工的方案。王力功[4]研究了徐州市2號線密貼下穿6號線市政府站工程,提出分區域注漿加固和分區域鑿除地連墻技術,可用于解決支護結構加固盲區和既有車站變形大的問題。王建功等[5]針對京張高鐵新八達嶺隧道下穿既有青龍橋車站工程,提出三種變形控制技術:超大管棚注漿加固、扣軌加固和地表垂直袖閥管注漿加固。白鵬程[6]在成都西博城站超淺埋暗挖大跨隧道下穿既有隧道工程中提出采用旋噴樁、超前大管棚和超前小導管注漿技術。通過對新建隧道下穿既有隧道工程進行研究,陶連金等[7]提出鎖扣管幕技術以及深孔注漿技術,通過實際工程應用情況得出這兩種技術的控制沉降效果良好。譚忠宏[8]對盾構施工工序、注漿壓力、頂推力以及注漿加固范圍對變形的控制效果進行了研究。潘政[9]對下穿施工引起的地面建筑和地下構筑物的破壞機制進行了研究,簡要總結了目前建構筑物的沉降控制技術,通過數值模擬深入研究了注漿加固影響地層變位的機制。王云博等[10]針對某地鐵車站密貼下穿車站工程提出了注漿加固方案,對比了水泥-水玻璃雙液漿和硫鋁酸鹽化學漿的優缺點,通過監測數據驗證了注漿效果。

既有研究對于大斷面新建車站密貼下穿既有車站的研究較少,該類工程兩主體結構之間幾乎為“0距離”,需要適用于密貼工程的超前注漿方案。

1 工程概況

北京地鐵6號線蘋果園站是換乘車站,分別與M1線和S1線換乘。車站為地下兩層(局部三層)三跨島式車站,主要分為標準段、下穿段及三層段。本文重點研究下穿段,下穿段為兩層三跨框架結構下穿地鐵1號線蘋果園站。下穿段主體結構全長52.4 m,車站頂板覆土約11.759 m,底板埋深約27.029 m,車站斷面寬23.5 m,車站高度14.9 m。工程采用暗挖PBA工法施工,斜向70°角密貼下穿既有M1線蘋果園站主體結構,新建結構與既有結構之間的豎向凈距為0.275 m～0.499 m,下穿段兩端與帶有換乘廳的三層三跨主體結構相連接,下穿段縱剖面及橫斷面如圖1所示。

既有1號線建成于1966年,北京地鐵運營公司要求,在導洞開挖階段,軌道結構累計沉降量應當控制在3 mm以下;而在導洞開挖完成后,軌道結構累計沉降量應當控制在2 mm以下。為滿足微小變形的要求,工程采用對周邊環境影響較小的PBA工法施工。

2 超前注漿方案

本工程下穿段主體結構按照與既有車站位置關系可分為與一號線重疊區域和非重疊區域(見圖2),由于新建車站與既有車站距離太近,所以不同的位置關系需采用不同的深孔注漿方案。

1)下穿段重疊區域深孔注漿方案:重疊區域深孔注漿方案如圖3所示,加固區域為上導洞側墻及底板外地層和下導洞全斷面地層。

2)下穿段非重疊區域深孔注漿方案:非重疊區域深孔注漿方案如圖4所示,加固區域為上導洞頂板外地層和下導洞全斷面地層。

超前注漿需要注意以下三點:

1)先設置止漿墻。2)注漿加固后的土體需要確保其具有連續均勻的強度。3)需要控制注漿的壓力。

3 超前注漿范圍優化

3.1 數值模型

3.1.1 基本假定

1)假定土體中同一地層均勻、等厚且水平,對地層適當調整厚度簡化模擬。2)土體單元遵循修正摩爾-庫侖本構模型,結構單元遵循彈性本構模型。3)假定地層以及襯砌結構和梁、板、柱等結構在變形過程中均在其彈塑性形變范圍內。4)由于地下水不影響車站主體施工,因此本次不考慮地下水的影響。5)在進行實際開挖過程中,小導洞一般采用臺階法開挖,在本文數值模擬中,對于導洞和扣拱開挖均采用全斷面法施工,且不考慮循環進尺。

3.1.2 模型建立與邊界條件

模型大小為160 m×60 m×20 m,新建車站與既有車站垂直,既有車站寬度取10 m。模型上表面為自由邊界,施加20 kN/m2的均布荷載,其余表面施加法向約束,如圖5所示。

3.1.3 材料參數

根據《北京地鐵6號線西延工程勘察01合同段蘋果園站主體巖土工程勘察報告》將地層簡化為8層,并考慮模型建立的簡化將部分土層厚度進行修正,修正后的地層參數見表1。

表1 數值模型地層參數

新建車站的邊樁、鋼管混凝土柱和既有車站柱均采用一維梁單元模擬。采用二維板單元模擬導洞初支和既有車站結構。其他結構單元采用實體單元,通過改變屬性的方式進行模擬。既有車站的變形縫采用彈性連接。鋼管混凝土柱的彈性模量和重度通過等效的方法進行計算,彈性模量利用抗壓剛度相等進行計算。模型具體的結構參數見表2。

表2 結構參數

超前注漿遵循修正摩爾-庫侖本構模型,采用更改屬性方法實現,超前注漿能夠改良土層原有的物理力學參數,通過查找相關文獻資料,以注漿層土體的力學參數為基準,彈性模量設置為原來的1.5倍,黏聚力設置為原來的1.4倍,摩擦角增加3°,土體容重增加5%,泊松比設置為原來的0.8倍。

3.2 數值模擬結果分析

分別建立上方有、無既有車站的注漿加固模型,注漿加固范圍分別為0 m,0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m。新建車站上方無既有車站時,不同注漿加固范圍條件下因導洞開挖引起的地表沉降曲線圖如圖6(a)所示,施工完畢引起的地表沉降曲線圖如圖6(b)所示。

根據圖6可知,0.5 m的注漿加固范圍對地表沉降的影響并不明顯,但是,當注漿范圍增大到1 m,沉降量出現了明顯的下降,隨著注漿加固范圍的不斷增大,地表沉降逐漸減小。在導洞開挖完畢階段,注漿加固1 m相比較無注漿加固地表沉降減小13%,注漿加固1.5 m得到的結果與注漿加固1 m相差不大,注漿加固2 m時,地表沉降減小17%,注漿加固2.5 m時,地表沉降減小18%。在施工完畢階段,注漿加固1 m相比較無注漿加固地表沉降減小8%,注漿加固1.5 m,2 m,2.5 m時,地表沉降雖減小,但變化較小。

新建車站上方存在既有車站時,不同注漿加固范圍條件下因導洞開挖引起的既有車站沉降曲線如圖7(a)所示(結果提取位置位于既有車站側墻底部),地表沉降曲線如圖7(b)所示(結果提取位置為模型y=10 m處,即既有車站中心上方地表)。

由圖7可知,注漿加固范圍為0.5 m時,對沉降的控制效果不明顯,當注漿加固范圍增大到1 m時,既有車站沉降和地表沉降明顯減小,隨著注漿加固范圍的不斷增大,既有車站沉降和地表沉降基本呈減小趨勢,但在加固范圍為2.5 m時,既有車站沉降和地表沉降均較加固范圍為2 m時大。觀察圖7(a)可知注漿加固1 m相比較無注漿加固既有車站沉降減小28%,由此可知,在導洞開挖前在導洞周圍進行注漿加固可以有效減小導洞開挖帶來的影響,注漿加固1.5 m,2 m對沉降減小效果不明顯。觀察圖7(b),注漿加固1 m相比較無注漿加固地表沉降減小22.9%,注漿加固1.5 m地表沉降減小26.7%,注漿加固2 m和2.5 m地表沉降變化不大。

不同注漿加固范圍條件下施工完畢引起的既有車站沉降曲線如圖8(a)所示,地表沉降曲線如圖8(b)所示。

由圖8可知,注漿加固范圍為0.5 m時,對沉降的控制效果不明顯,當注漿加固范圍增大到1 m時,兩圖顯示的沉降均明顯減小。加固范圍繼續增大,沉降繼續減小,但加固范圍為2.5 m時,既有車站和地表沉降均較加固范圍為2 m時大。觀察圖8(a)可知注漿加固1 m相比較無注漿加固既有車站沉降減小11.7%,其他工況沉降減小效果不明顯。觀察圖8(b)可知注漿加固1 m相比較無注漿加固地表沉降減小12%,注漿加固1.5 m地表沉降減小13.8%,其他工況沉降減小效果不明顯。

綜合上述沉降曲線進行分析,超前注漿可以對既有車站起到預抬升的作用,從而減小導洞開挖階段引起的既有車站沉降,在整個施工過程中,起到了一定的控制沉降的效果。根據上文的分析可知注漿加固選取1 m～2 m之間適用于本工程,當新建車站上方存在既有車站時,加固范圍為1.5 m較1 m對沉降的效果較為明顯,所以綜合考慮工程的安全性及經濟性,選取導洞周圍范圍為1.5 m進行超前注漿加固。

3.3 超前注漿

建立超前注漿加固范圍為1.5 m的PBA工法施工模型,對超前注漿加固的沉降控制效果進行分析,建立的模型如圖9所示。提取導洞開挖階段既有車站沉降值見表3。

表3 導洞開挖階段既有車站沉降

由表3可知,超前注漿可以減小PBA工法導洞開挖引起的既有車站沉降,車站結構沉降減小約18%,軌道結構沉降減小約20%,說明超前注漿可以減小群洞效應。

4 結論

本文依托北京地鐵6號線下穿段工程開展了超前注漿的研究,得出如下結論:1)密貼下穿工程需要根據新建車站與既有車站的空間位置關系設計超前注漿方案。2)所以綜合考慮工程的安全性及經濟性,本工程選取導洞周圍范圍為1.5 m進行超前注漿加固較為合理。3)超前注漿可以有效減小群洞效應。