富水砂卵石地層中新建隧道下穿既有隧道注漿加固范圍

陳 城，彭麗云,喬紅軍,李廣兵

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

受工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件影響，北京大部分地區(qū)分布多個(gè)含水層[1]。隨著北京地鐵的不斷發(fā)展，在富水地層中開挖修建的隧道會(huì)越來越多。若采用傳統(tǒng)方法大幅度降水，則會(huì)引起周邊地面下陷、管線破裂、房屋沉降開裂甚至倒塌[2]。因此，開挖隧道過程中對(duì)地下水的處理是設(shè)計(jì)和施工中需要重點(diǎn)解決的問題。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于地下水的處理進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[3-4]通過數(shù)值模擬分析富水砂土地層中采用和不采用管棚注漿情況下圍巖的位移情況，發(fā)現(xiàn)在不降水的情況下管棚注漿預(yù)支護(hù)可有效控制富水砂層的沉降。文獻(xiàn)[5]結(jié)合一周圍建筑物較多但工程需要降水的基坑工程，分析得出采用隔水帷幕+井點(diǎn)降水+增設(shè)內(nèi)支撐的方法可滿足工程降水需求，保證基坑順利開挖。文獻(xiàn)[6]對(duì)一基坑工程采取坑內(nèi)降壓+周邊設(shè)置隔水帷幕方案達(dá)到了很好的止水效果且產(chǎn)生的地表沉降較小。文獻(xiàn)[7]針對(duì)杭州地鐵6號(hào)線河山路站車站存在無隔水層的承壓水，采用了地下連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕。文獻(xiàn)[8]通過注漿法控制了地下水進(jìn)入Botniabanan鐵路隧道，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的施工條件。文獻(xiàn)[9-11]針對(duì)一砂卵石地層地鐵車站基坑工程，通過注漿加固防止了地下水涌入基坑。文獻(xiàn)[12]通過采取地下連續(xù)墻有效降低了富水紅砂巖地層地鐵車站深基坑潛水水位。

上述研究大多根據(jù)勘察報(bào)告中的地下水位情況進(jìn)行地下水處理，但在實(shí)際情況下地下水水位并非一成不變。降雨、施工等都會(huì)引起地下水位發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)工程造成影響。本文依據(jù)北京新建地鐵8號(hào)線木樨園橋南站—大紅門站區(qū)間隧道下穿地鐵10號(hào)線大紅門站—石榴莊站區(qū)間隧道工程，研究隧道開挖過程中不同水位條件下地下水對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，并對(duì)實(shí)際工程中的2種加固措施進(jìn)行對(duì)比分析，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 新建地鐵車站位置

新建地鐵車站(以下簡(jiǎn)稱新建車站)基坑距既有車站47.1 m處，距離既有隧道右線最小水平距離26.4 m，最近處距既有車站出入口水平距離10.3 m,距既有隧道最小垂直距離2.5 m。新建車站、新建隧道與既有隧道位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)、水文情況

本次勘探最大孔深57 m，該深度范圍內(nèi)地層分為人工堆積層、第四系沉積層、沖洪積層3大層。擬建場(chǎng)地內(nèi)主要賦存有上層滯水、潛水、承壓水。既有隧道土層由上而下依次為雜填土層、粉細(xì)砂②層、卵石③層、粉質(zhì)黏土④層、粉細(xì)砂④層、卵石⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、粉土⑥層及卵石⑦層。新建隧道地層主要在卵石⑤層內(nèi)，并且部分位于潛水層(3)，如圖2所示。

圖2 水文地質(zhì)剖面

從圖2可以看出:新建隧道位于富水砂卵石地層，由于潛水層(3)水量豐富流速較快，且隧道底部存在承壓水層在開挖過程中易產(chǎn)生突涌現(xiàn)象。砂卵石層松散，黏聚力小，在開挖過程中易引起隧道掌子面坍塌。此外，新建隧道與既有隧道垂直距離很小，屬于特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。穿越施工難度極大，對(duì)地層的加固要求很高。北京市自2003年開始對(duì)地下直接降水施工進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，并且該施工地點(diǎn)位于商業(yè)區(qū)附近。經(jīng)過對(duì)各種施工工藝的比較研究發(fā)現(xiàn)，采用注漿加固方法既可以有效加固地層，減小土體沉降，又無需直接降水。

1.3 施工監(jiān)測(cè)情況

為確保穿越工程的安全，參照DB11/490《地鐵工程監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求，在既有隧道兩側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面取9個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距10～20 m，在穿越過程中對(duì)既有結(jié)構(gòu)的沉降進(jìn)行全程監(jiān)測(cè)。數(shù)值模擬時(shí)也采用相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。監(jiān)測(cè)斷面(Ⅰ—Ⅳ)及測(cè)點(diǎn)布設(shè)見圖3。

圖3 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)(單位：m)

2 計(jì)算模型及參數(shù)選取

2.1 模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)資料，考慮到新建車站對(duì)既有車站的影響，模型尺寸取116 m(x方向，沿既有隧道)×266 m(y方向，沿新建隧道)×43 m(z方向，自地表向下)。

2.2 土層參數(shù)

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

土體、既有車站結(jié)構(gòu)及注漿加固部分采用實(shí)體單元模擬，既有隧道支護(hù)采用Shell單元模擬，頂面為自由面，其他界面采用法向約束。地下水壓力利用水頭壓力進(jìn)行模擬。

2.3 注漿加固參數(shù)

表2 注漿后土體物理力學(xué)參數(shù)

開挖段四周的加固范圍如圖4所示。

圖4 注漿加固范圍示意(單位：m)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 既有隧道沉降模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由開挖完成后豎向位移云圖可以得出既有隧道4個(gè)斷面(參見圖3)相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值。將既有隧道沉降數(shù)值模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比，見圖5。

圖5 既有隧道沉降數(shù)值模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

從圖5可以看出:①數(shù)值模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線規(guī)律一致，曲線的峰值均大致位于新建隧道左右線的中心處，數(shù)值差別較小; ②各斷面最大沉降均小于控制值(3 mm)，各斷面最大沉降數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)值誤差分別為3.8%，6.8%，5.3%和5.0%，證明選取的模型及各參數(shù)適合于本工程。

3.2 不同水位下新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響

施工時(shí)間是6月份，北京地區(qū)剛剛進(jìn)入雨季。由于潛水的補(bǔ)給主要依靠大氣降水和地表滲水，此時(shí)潛水水位處于上升期。等進(jìn)入旱季潛水水位又會(huì)下降，如此反復(fù)進(jìn)行。同時(shí)由于施工過程中會(huì)對(duì)地下水的滲流產(chǎn)生影響，從而改變地下水的水位。故通過FLAC 3D軟件對(duì)不同水位條件下隧道施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同水位條件下新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響。

1)原注漿方案

新建隧道高度6.5 m，寬度6.2 m，潛水水位高于新建隧道底板3 m，隧道底板以下為不透水層。初始水位與新建隧道位置關(guān)系見圖6。本文選取S-2，S-1，S，S+1，S+2 m 共5種水位(“S”為初始水位，“-”表示降低，“+”表示升高)進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖6 初始水位與新建隧道位置關(guān)系

由不同水位下沉降云圖可以得出各斷面相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值。每種水位對(duì)應(yīng)4個(gè)斷面的沉降值，限于篇幅，只選取每種水位下沉降值最大的那個(gè)監(jiān)測(cè)斷面繪制沉降變化曲線，見圖7(a)。

圖7 既有隧道最大沉降斷面沉降變化曲線

圖8 擴(kuò)大注漿加固范圍示意

從圖7(a)可以看出：水位下降時(shí)既有隧道各斷面的沉降值均小于控制值3 mm；水位上升1 m和2 m時(shí)最大沉降值分別為3.13,3.56 mm，均超過了控制值。最大沉降點(diǎn)均位于既有隧道穿越段中心處，這是因?yàn)榧扔兴淼来┰蕉沃行奶幭路降耐馏w未得到注漿加固(參見圖4)，所以開挖后土體抗沉降能力較弱。

2)新注漿方案

在原注漿方案的基礎(chǔ)上對(duì)新建隧道左線和右線中間土體進(jìn)行注漿加固(如圖8所示)，模擬計(jì)算不同水位下新建隧道開挖對(duì)既有隧道的影響。

既有隧道最大沉降斷面沉降變化曲線參見圖7(b)?？梢钥闯觯簲U(kuò)大了注漿范圍后，既有隧道穿越段中心處的沉降發(fā)生了明顯變化，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值均小于規(guī)定值。說明地下水位上升時(shí)通過擴(kuò)大注漿范圍可減小既有結(jié)構(gòu)的沉降,還需根據(jù)工程的實(shí)際情況確定注漿范圍。

4 結(jié)論

1)隧道開挖完成后既有隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有不同程度的沉降，沉降曲線的峰值均大致位于新建隧道左右線中心處。

2)沉降數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)值差別較小，兩者的變化趨勢(shì)也一致，驗(yàn)證了所選取的模型及參數(shù)合理。

3)原注漿方案下初始水位上升1 m和2 m時(shí)，既有隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降值分別為3.13,3.56 mm，超過了控制值。對(duì)原注漿范圍擴(kuò)大后，既有隧道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值均小于控制值。因此，在實(shí)際施工中必須密切監(jiān)測(cè)地下水水位的變化，及時(shí)作出應(yīng)對(duì)措施，保證工程的施工安全。