地鐵上穿工程中既有隧道結(jié)構(gòu)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(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古包頭 014010;2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124;3.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)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(yīng)力平衡狀態(tài)。新建隧道下方的土體，正處于隧道開挖作用的卸荷區(qū)，產(chǎn)生了向上的卸荷附加應(yīng)力場，引起新建隧道底部一定深度范圍內(nèi)的土體隆起變形。土體的隆起帶動既有隧道產(chǎn)生局部縱向上浮變形及附加內(nèi)力，使既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切、拉伸和扭轉(zhuǎn)變形，嚴重者使結(jié)構(gòu)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(shù)措施，并根據(jù)既有線的實時動態(tài)監(jiān)控量測結(jié)果，把既有線的上浮變形控制在允許的范圍內(nèi)，保護既有結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞以及既有線的運營安全。

為此，通?？刹扇扔械罔F隧道結(jié)構(gòu)周圍土體預(yù)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(fù)雜，對小導(dǎo)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(xiàn)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(jié)作用，在使膠結(jié)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(xué)參數(shù)，較大地提高了土體自穩(wěn)能力及抗變形能力，將既有線結(jié)構(gòu)的變形控制在允許的范圍之內(nèi)。但是，目前地鐵上穿工程的實例較少，對上穿既有線的相關(guān)理論研究成果亦較少，仍處于經(jīng)驗探索階段。對于既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體的合理加固范圍，即加固的寬度和深度數(shù)值，主要依靠工程經(jīng)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(jīng)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(huán)境

北京地鐵4號線西單站位于復(fù)興門內(nèi)大街(長安街)與宣武門內(nèi)大街、西單北大街相交處十字路口的東側(cè)，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(jié)構(gòu)中間段為上穿1號線區(qū)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(qū)間隧道結(jié)構(gòu)頂凈距0.5 m，地鐵4號線結(jié)構(gòu)頂至地面覆土層厚度約4.0 m，屬于超淺埋結(jié)構(gòu)。且此部分覆土層主要為人工填土，屬Ⅵ級圍巖，圍巖穩(wěn)定性極差。車站采用兩個單洞馬蹄型斷面形式，中間設(shè)聯(lián)絡(luò)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(qū)間線路平面關(guān)系如圖 1［3］。

圖1 4號線西單站與1號線的平面關(guān)系(單位:mm)

1.2 主要設(shè)計及施工參數(shù)

1)設(shè)計參數(shù)

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(xiàn)了隧道開挖的時空效應(yīng)。施工時先施作左洞，待施工順利通過1號線上下行區(qū)間后，再施作右洞以減小對1號線區(qū)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(jié)構(gòu)底板與1號線區(qū)間隧道兩側(cè)土體進行注漿加固。加固范圍主體結(jié)構(gòu)底板下10 m，兩側(cè)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(qū)間單側(cè)土層注漿時產(chǎn)生不平衡側(cè)壓力，要求導(dǎo)洞開挖25 m后再進行向下土體注漿，并盡量做到對區(qū)間結(jié)構(gòu)的兩側(cè)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(shù)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(dǎo)管加固地層、新建隧道與既有隧道結(jié)構(gòu)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(nèi)土體物理力學(xué)參數(shù)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(nèi)的土層采取深孔注漿加固等措施，可提高該范圍內(nèi)土體的彈性基床系數(shù)，有效地控制既有結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)頂部時的距離，工況2表示注漿加固深度達到既有隧道結(jié)構(gòu)中部時的距離，工況3表示注漿加固深度達到既有隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小。從中層導(dǎo)洞底部算起，當深度達到10.0 m時，既有結(jié)構(gòu)的最大上浮變形值為3.94 mm，小于既有隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的底部。在該工程中，實際的加固深度為16.0 m，既有隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小。當1.0 m≤bz＜6.0 m時，既有隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的上浮變形值由2.57 mm下降至2.36 mm，既有隧道結(jié)構(gòu)最大上浮值下降緩慢。因此，鑒于既有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上浮變形曲線

3 結(jié)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(jié)構(gòu)的上浮變形值逐漸減小，對既有隧道結(jié)構(gòu)的合理加固深度為13.5 m(加固深度達到既有隧道結(jié)構(gòu)的底部)時即可將既有線結(jié)構(gòu)的上浮變形控制在安全的范圍之內(nèi)。同時，加固深度hz≥18.0 m時，對既有隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)生的上浮值有回調(diào)作用。

［1］ 張曉麗．淺埋暗挖法下穿既有地鐵構(gòu)筑物關(guān)鍵技術(shù)研究與實踐［D］．北京:北京交通大學(xué)，2007．

［2］ 許有?。疁\埋暗挖法地鐵隧道上穿既有線結(jié)構(gòu)關(guān)鍵問題研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，2011．

［3］ 朱劍．新建上穿車站施工對既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響及控制研究［D］．北京:北京工業(yè)大學(xué)，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(jié)構(gòu)上浮變形預(yù)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(shù)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(xué)會，2007:560-565．

［6］ 劉忻梅，姜峰，許有?。陆ǖ罔F隧道上穿既有線結(jié)構(gòu)抗浮加固效應(yīng)計算分析［J］．鐵道建筑，2011(12):66-68．