復(fù)雜環(huán)境下暗挖車站近貼既有區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)控制研究

徐福田

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司 北京 100124）

1 引言

隨著城市地鐵建設(shè)的不斷推進(jìn)，考慮到城市的既有建筑對空間的限制，新建地鐵不可避免地與既有車站和區(qū)間形成上跨、下穿、側(cè)穿、近接等位置關(guān)系［1-2］。如何做到在保持既有結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定的情況下，完成新建車站的修建，從而實(shí)現(xiàn)地下大空間既有結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化拓建是一個(gè)重難點(diǎn)［3-4］。城市軌道工程中，經(jīng)常采用深孔注漿的方式進(jìn)行地層加固，但是施工過程中卻會因?yàn)椴煌貙拥慕惶孀兓?，?dǎo)致注漿壓力大小、注漿順序等注漿參數(shù)的變化而降低注漿效果。為此，本文采用一種能夠反復(fù)多次定量的低壓注漿方式——袖閥管注漿，從而從定性和定量角度多次對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。本文以北京地鐵17號線東大橋站為依托，采用深孔注漿超前加固地層、多導(dǎo)洞錯開安全步距開挖，以減少群洞開挖沉降疊加效應(yīng)；袖閥管跟蹤動態(tài)補(bǔ)償注漿，自動化實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)等多種措施相結(jié)合綜合進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，做好對緊鄰既有6號線區(qū)間的保護(hù)，從而保證既有結(jié)構(gòu)和軌道的穩(wěn)定及列車運(yùn)行的安全。

2 工程概況

2．1 工程簡介

北京地鐵17號線東大橋站與既有6號線東大橋站呈“T”形通道換乘，并與28號線、正在規(guī)劃的規(guī)劃北線在此換乘連通。東大橋站位于東大橋路、工人體育場東路與朝陽門外大街、朝陽北路相交的五叉路口。周邊建筑物有工人體育場東路小區(qū)、藍(lán)島大廈、百富國際大廈、東大橋東里小區(qū)等高層和老舊建筑。車站為島式車站，總長336.8 m，高17.85 m，車站結(jié)構(gòu)中心里程處單層結(jié)構(gòu)覆土約15.18 m，車站有效站臺中心處底板埋深約33.6 m。車站結(jié)構(gòu)含暗挖雙層雙柱三跨結(jié)構(gòu)、雙層三柱四跨結(jié)構(gòu)（長49.7 m）、暗挖單層單洞結(jié)構(gòu)（長36.5 m）三種不同的結(jié)構(gòu)形式。

本文主要是對新建車站施工緊鄰既有6號線區(qū)間的10 m范圍內(nèi)進(jìn)行地層加固，控制既有結(jié)構(gòu)沉降。穿越既有區(qū)間的地面沉降控制值為30 mm，達(dá)到18 mm即為預(yù)警值；既有軌道的沉降控制值為3 mm。要求在緊鄰既有區(qū)間的新建車站開挖時(shí)對既有軌道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為1 mm。二者的平面位置關(guān)系見圖1所示。

圖1 導(dǎo)洞與既有區(qū)間隧道平面位置關(guān)系（單位：mm）

既有6號線朝陽門站-東大橋站區(qū)間，采用單洞單線馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌。區(qū)間正線初期支護(hù)厚度為0.25 m，采用C20早強(qiáng)混凝土。區(qū)間二次襯砌厚度為0.3 m，采用C40、P10防水混凝土。區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面開挖高度為6.5 m，寬度為6.2 m。區(qū)間靠近東大橋站設(shè)置迂回風(fēng)道，迂回風(fēng)道采用拱頂直墻斷面，斷面凈寬4.5 m，凈高為3.6 m。區(qū)間正線及迂回風(fēng)道均采用暗挖臺階法施工。

緊鄰既有6號線的新建車站采用8導(dǎo)洞洞樁法施工，小導(dǎo)洞斷面尺寸為5 m×4.6 m或5 m×5.6 m。每個(gè)小導(dǎo)洞噴射C20早強(qiáng)混凝土，初期支護(hù)厚度為0.35 m，拱部設(shè)DN25（φ32）×2.75 mm環(huán)向間距＠300 mm、長度L＝2 m的鋼焊管，縱向每榀打設(shè)，鋼格柵間距0.5 m。車站主體結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 緊鄰既有區(qū)間的車站主體結(jié)構(gòu)剖面（單位：mm）

2．2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

新建車站范圍內(nèi)穿越的地層主要有：雜填土①1層、素填土①層、黏質(zhì)粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉細(xì)砂④3層、細(xì)中砂④4層、圓礫⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、黏土⑥1層、黏質(zhì)粉土⑥3層、中砂⑦1層、圓礫⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層、卵石⑨層。車站地處三層地下水，分別為層間潛水（三）層位于粉細(xì)砂④3層、細(xì)中砂④4層、圓礫⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、黏土⑥1層，穩(wěn)定水位埋深15.42 m；層間潛水～承壓水（四）層主要位于結(jié)構(gòu)開挖范圍內(nèi)，主要分布于⑥粉質(zhì)土層、⑦層圓礫和⑧層粉質(zhì)土層，含水層頂板為⑥粉質(zhì)黏土，頂部隔水層局部缺失形成“天窗”，底板為⑧層粉質(zhì)黏土，穩(wěn)定水位埋深22.12 m；承壓水（五）主要分布于⑧粉質(zhì)土、⑨1中砂層、⑨卵石層中，含水層相對隔水層頂板為⑧層粉質(zhì)黏土，穩(wěn)定水位埋深22.12 m，測壓水位位于結(jié)構(gòu)底板以上約13.6 m。

3 工程難點(diǎn)

（1）距離既有線近

車站上、下導(dǎo)洞臨近既有6號線區(qū)間隧道，最近水平距離約為3.0 m。上導(dǎo)洞高度與6號線區(qū)間隧道基本相同，而下導(dǎo)洞低于6號線區(qū)間隧道。導(dǎo)洞高5 m，導(dǎo)洞開挖對3倍導(dǎo)洞高度范圍內(nèi)的地層沉降影響顯著。因此，導(dǎo)洞開挖若處理不當(dāng)，易造成既有線隧道的不均勻沉降，影響其運(yùn)營安全。

（2）導(dǎo)洞的群洞效應(yīng)

已有的研究表明，當(dāng)導(dǎo)洞的中心線間距離小于3D時(shí)，在導(dǎo)洞開挖過程中會引起相鄰?fù)馏w的多次擾動，從而導(dǎo)致相應(yīng)位置沉降，即存在群洞效應(yīng)［5-7］。本工程的導(dǎo)洞水平中心線間距為7.2～8.86 m，垂直高差為14.27 m，上導(dǎo)洞開挖寬4.7 m，下導(dǎo)洞開挖寬4.7～5.7 m。因此，導(dǎo)洞之間的距離都小于3D，開挖過程中相互影響較大。施工不采取有效措施，會造成地表沉降過大，引起既有結(jié)構(gòu)的變形超標(biāo)。

（3）市政管線多且近

車站穿越的地下管線種類繁雜、互相交叉。重要管線包括：橫跨東大橋車站的2 000 mm×2 350 mm電力隧道、4 500×2 800 mm熱力方溝、φ1 750 mm上水管、φ1 550 mm污水管、1 600×950 mm熱力方溝、4根燃?xì)夤埽é?00、φ400、φ406、φ508）、φ600 mm上水管及先平行車站后橫跨車站交錯于車站的4 500×3 000 mm雨水方溝等。施工中如何做到在保證管線安全的條件下，完成車站的施工是本工程的重難點(diǎn)。

4 施工方案比選

4．1 既有方案存在的問題

在臨近既有區(qū)間的10 m范圍內(nèi)，需要對開挖區(qū)域的地層進(jìn)行超前預(yù)加固。主要采用二重管深孔注漿，加固范圍為開挖輪廓線外2 m及掌子面全斷面，且在導(dǎo)洞開挖到設(shè)計(jì)位置后，打設(shè)DN25（φ32）×2.75 mm鋼焊管，對區(qū)間隧道兩側(cè)面地層進(jìn)行注漿加固。采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力不超過0.5 MPa。該加固措施能夠?qū)⒃型馏w強(qiáng)度有效提高20%，有效增強(qiáng)加固土體的均勻性，減少施工過程中對土體的多次擾動，達(dá)到理想的開挖條件。

但是僅采用上述的加固措施存在以下主要問題：（1）不能保證深孔注漿后的漿液擴(kuò)散性，加固范圍不足，不能保證既有區(qū)間結(jié)構(gòu)側(cè)下方的土體得到有效加固；（2）這種加固方案經(jīng)過模型計(jì)算后，可知既有軌道沉降變形控制值達(dá)到1.43 mm，臨近既有區(qū)間施工引起既有結(jié)構(gòu)軌道的沉降變形較大，占總變形沉降量（控制值3 mm）的47.7%，對后續(xù)下穿段的既有軌道變形沉降值（剩余沉降量1.67 mm）控制難度增大［8-9］。

4．2 施工方案的確定

針對上述問題，結(jié)合“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”十八字方針原則，優(yōu)化原有的施工方案，加大土體加固后的強(qiáng)度，即增加袖閥管注漿［10-11］，擴(kuò)大了注漿范圍，承擔(dān)了對既有軌道施工保護(hù)的主要部分。具體見圖3所示。

圖3 導(dǎo)洞與既有區(qū)間加固范圍剖面（單位：mm）

詳細(xì)施工方案：

（1）小導(dǎo)洞采用臺階法施工，先上后下，先邊后中。即先施工上導(dǎo)洞和邊導(dǎo)洞，后施工下導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞。為了減少群洞效應(yīng)，上下及相鄰導(dǎo)洞至少拉開15～20 m距離。

（2）上、下層導(dǎo)洞開挖至距離既有區(qū)間10 m段時(shí)，停止開挖，施作封端止?jié){墻。封端墻掛設(shè)雙層φ6.5＠150×150 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射300 mm厚的C20早強(qiáng)混凝土。

（3）采用二重管后退注漿方式進(jìn)行深孔注漿，注入水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力不超過0.5 MPa；注漿范圍為上下導(dǎo)洞、橫向?qū)Ф础⒖鄞蠊暗娜珨嗝娣秶鷥?nèi)及開挖輪廓線外2 m范圍內(nèi)。

（4）深孔注漿完成后，繼續(xù)開挖上層導(dǎo)洞，到車站端頭后，掛網(wǎng)噴射C20混凝土，進(jìn)行封端處理，然后在上層導(dǎo)洞底板及側(cè)墻內(nèi)向斜下方打設(shè)φ42 mm的袖閥管，袖閥管長度9～12 m。對鄰近既有區(qū)間隧道兩側(cè)及側(cè)下方進(jìn)行注漿加固，注入水泥-水玻璃漿液，控制好打設(shè)角度和注漿壓力，避免既有區(qū)間的上浮。

（5）下層導(dǎo)洞開挖至車站端頭后，對其進(jìn)行封端處理，然后在導(dǎo)洞內(nèi)向斜上方打設(shè)φ42 mm的袖閥管，對鄰近既有區(qū)間隧道兩側(cè)及底部進(jìn)行側(cè)向補(bǔ)充注漿，進(jìn)一步提高既有區(qū)間兩側(cè)土體的強(qiáng)度。

（6）經(jīng)過多次注漿加固，將對既有區(qū)間軌道的變形影響控制在0.8 mm內(nèi)，為后續(xù)車站下穿既有區(qū)間施工沉降控制指標(biāo)留有充足的余量（后續(xù)沉降變形量2.4 mm）。

5 主要施工工藝

5．1 深孔注漿

本工程加固地層主要是在深孔注漿的基礎(chǔ)上，輔以袖閥管注漿［12］。深孔注漿設(shè)置在小導(dǎo)洞距離既有區(qū)間10 m處，設(shè)置1道止?jié){墻。采用地質(zhì)鉆機(jī)成孔，注入水泥-水玻璃漿液，如圖4所示。深孔注漿采用二重管后退式注漿，其施工工藝比較常見，在此不再贅述。

圖4 深孔注漿范圍（單位：mm）

5．2 袖閥管注漿

袖閥管注漿是一種比較先進(jìn)的注漿方式，它能夠定深、定量、分段、間歇、重復(fù)注漿，且能多角度、多方位注漿。其施工工藝見圖5。

（1）袖閥管布置

車站主體斷面沿橫向每隔5 m做一次袖閥管的注漿。每個(gè)橫斷面上設(shè)置15根φ42 mm袖閥管，具體分布尺寸如下：上層導(dǎo)洞內(nèi)打設(shè)7根袖閥管，以豎向?yàn)榛鶞?zhǔn)點(diǎn)，角度從小到大依次為0°、10°、19°、26°、35°、46°、59°；長度依次為11.5 m、11 m、12 m、12 m、12 m、9 m、9 m。下層導(dǎo)洞內(nèi)打設(shè)8根袖閥管，角度依次為 0°、7°、13°、20°、43°、57°、68°、81°；長度依次為 6.5 m、6 m、5 m、4 m、4.5 m、4.5 m、4.5 m、4.5 m。袖閥管布置如圖6所示。

圖5 袖閥管注漿施工工藝

圖6 袖閥管布置（單位：mm）

（2）鉆孔

采用XY-100型探礦鉆機(jī)鉆孔，成孔直徑為50 mm。施工前對孔位進(jìn)行測量放線，用白色標(biāo)記標(biāo)出斷面上孔位的具體位置，然后搭設(shè)鉆機(jī)塔架，移動鉆機(jī)至相應(yīng)具體位置。

施工過程中按照隔兩孔打一孔的方式打設(shè)，防止鉆進(jìn)過程中引發(fā)周邊相鄰孔位的坍塌。

（3）袖閥管安裝

將袖閥管放入注漿鉆孔中。施工過程中要不斷量測注漿管，確保注漿管伸至孔底，并且高出孔位20 cm，以保證后續(xù)的注漿效果。

（4）下芯管注套殼料

待鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，用清水洗孔，然后將黏土和水泥組成的套殼料通過鉆桿泵送至孔底，待灌注的套殼料從管口溢出，且溢出的漿液經(jīng)檢測與配制的原料一致時(shí)，此工序完成。

（5）漿液制備及注漿

在施工前按照1∶0.8的比例配置好水泥-水玻璃漿液，通過雙液注漿泵混合兩種溶液，達(dá)到最佳效果，然后后退式分段注入漿液。注漿采用從上到下、從鄰近段到遠(yuǎn)離段的順序。

（6）提升芯管

注入漿液后，緩慢勻速地拔出芯管，每次拔出30～50 cm。

（7）注漿結(jié)束

當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.5 MPa，繼續(xù)注漿10 min，當(dāng)注漿壓力不再變化時(shí)，結(jié)束注漿。

6 施工監(jiān)測

6．1 測點(diǎn)布置

為了監(jiān)測緊鄰既有區(qū)間段施工對周邊地表、洞內(nèi)軌道的變形情況，地面每隔5 m設(shè)置一排地表沉降點(diǎn)，在一個(gè)橫斷面上連續(xù)布置7～11個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。初支開挖期間設(shè)置收斂點(diǎn)、拱頂沉降點(diǎn)。

監(jiān)測頻率：在距開挖斷面9.2 m范圍內(nèi)，一天監(jiān)測1～2次；9.2～23 m范圍內(nèi)，兩天監(jiān)測1次；距離開挖斷面大于23 m后，一周監(jiān)測一次。當(dāng)變形穩(wěn)定后，監(jiān)測頻率調(diào)整為一個(gè)月一次。

6．2 監(jiān)測曲線

根據(jù)施工進(jìn)展，一個(gè)月內(nèi)對緊鄰既有區(qū)間段沉降進(jìn)行監(jiān)測，得出沉降數(shù)值，繪制沉降趨勢圖，如圖7所示。

圖7 既有隧道沉降趨勢

6．3 沉降分析

搜集、分析整個(gè)施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，地表沉降值最大達(dá)到9.8 mm＜30 mm（標(biāo)準(zhǔn)值），同時(shí)也不超過18 mm的預(yù)警值（標(biāo)準(zhǔn)值的60%）；既有運(yùn)營軌道的豎向沉降值最大達(dá)到0.8 mm＜1 mm（標(biāo)準(zhǔn)值）；帶壓管線的沉降值最大達(dá)到5 mm＜10 mm（標(biāo)準(zhǔn)值）。

7 結(jié)束語

施工中采用袖閥管注漿、深孔注漿、多導(dǎo)洞錯開和沉降監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，有效地加固了地層。在既有區(qū)間和下穿段形成一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，減少了下穿段開挖對既有軌道的擾動，促使既有軌道的變形在可控范圍內(nèi)，此方法可以在同類工程施工中推廣應(yīng)用。同時(shí)施工過程中要做好對袖閥管的定位工作，確保在打設(shè)和安裝時(shí)不會對既有區(qū)間產(chǎn)生直接接觸，重點(diǎn)是做好壓力控制，避免壓力過大引起既有區(qū)間軌道上浮。