城市中下穿既有地鐵隧道加固方案研究

文｜中鐵十六局集團地鐵工程有限公司 黃華

在城市經(jīng)濟的發(fā)展過程中，會規(guī)劃并形成一些商業(yè)經(jīng)濟中心、居民居住中心、景點旅游中心等人員密集區(qū)域，在這些地方修建地鐵時，常常會同時或分時段規(guī)劃兩條、三條甚至四條地鐵線通過，這樣在地鐵修建過程中勢必會出現(xiàn)新建地鐵與既有地鐵的位置交叉問題：一般有上穿臨近、下穿臨近、密貼通過、側穿通過、旁穿通過等各種位置關系，而下穿臨近是位置交叉中經(jīng)常遇到的工況。下穿臨近既有地鐵時，首先要對既有的運營地鐵進行加固，待其加固強度達到規(guī)范和設計要求后，才進行新建線路的開挖施工，過程中常采用深孔注漿加固、管幕支護、袖閥管注漿等一種或多種結合的方式進行加固。本文以17號線東大橋站為例，對幾種加固方式的方案進行比選分析。

1、工程概況

圖1 結構位置關系平面圖

北京地鐵17號線為南北方向新建的地鐵線路，與地鐵6號線在東大橋站實現(xiàn)換乘，新建車站下穿既有6號線朝陽門站～東大橋站區(qū)間，下穿既有區(qū)間長36.5m，垂直距離僅為2.17m，工程環(huán)境風險等級為特級。采用分離式單洞單線的方法分兩個小導洞下穿既有區(qū)間，導洞斷面為拱頂直墻平底結構，結構尺寸9.9m×9.5m，兩單洞間凈距5.2m，單個導洞采用6 洞室的“CRD”法施工。

下穿段導洞拱頂埋深約23.9m，需要開挖的導洞其深度約為23.9～34.4m。根據(jù)地質勘察結果可知，導洞開挖范圍內(nèi)的土層為中砂、圓礫、粉質粘土和黏土。

根據(jù)水文地質的勘察結果可知，實際測到四層地下水，分別為上層滯水（一）、層間潛水（三）、承壓水（四）和承壓水（五）。本次開挖的導洞主要位于承壓水（五）以下。

2、方案研究

下穿段施工的關鍵點和關鍵措施是：地鐵施工中如何保證既有區(qū)間的沉降可控，不對既有地鐵的運營造成限速、降速、停車等較大的影響，使其能夠正常安全運營。新建東大橋站距離既有區(qū)間的距離僅為2.17m，建筑物兩者之間的土體體積較小，新建地鐵的施工引起土體的自由變形，但是其體積過小并不能使得其完成穩(wěn)定，因此也會對既有結構產(chǎn)生較大的影響。因此下穿前要對既有結構做好加固處理。

暗挖施工中對土體的加固主要方式是深孔注漿、導管注漿、管幕支護等幾種方法，使得兩個建筑物之間的土體能夠形成一個固定的有強度的土體板，隔開兩個建筑物的相互影響。深孔注漿的加固方式主要是將新建結構在開挖前能夠形成一個全范圍的保護范圍，目前在暗挖地鐵中經(jīng)常使用。導管注漿主要用于補充注漿，當加固效果不足時，用來補強注漿效果。管幕支護先將管幕打入土體內(nèi)，這樣能夠明確的控制土體加固的長度、寬度，形成一個可控的加固區(qū)域和加固體系。然后注入漿液，形成一個有強度的穩(wěn)定加固范圍，封閉性較好。能夠克服礦山法開挖時、受力轉換、多次擾動土體的缺點，提高了工作效率，保障既有結構的安全，同時在施工期間可以不采用人工降水，避免了水資源的浪費等。

根據(jù)上述分析，下穿段施工擬在兩種不同加固方式深孔注漿；管幕支護+深孔注漿中選擇，現(xiàn)對兩者進行對比分析，具體見下，以便確認哪種更合適。

2.1 全斷面深孔注漿+袖閥管注漿

2.1.1 深孔注漿

下穿段兩側的車站主體二襯完成后，在其封端墻上開始施做深孔注漿，封端墻上要求噴射0.4m 厚的C20 混凝土，做好臨時封閉支護。深孔注漿從下穿段的南端開始打設，共分5 段打設完成，打設長度分別為7m、10m、5m、10m、4.5m，共分為5段，每段設置2m 寬的止?jié){墻；注漿范圍為拱部外4.0m，側墻外4.0m，底板以下2.0m。注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿；注漿壓力為0.5MPa；采用先下后上，先外圈后內(nèi)部，先兩側邊墻后中間掌子面的注漿順序。注漿孔沿拱部開挖輪廓線外0.5m 布設一環(huán)水平注漿孔，注漿孔間距1.0～1.5m，長度19m；開挖掌子面內(nèi)注漿孔以不同的角度布設，確保注漿加固范圍，孔間距1.0～1.5m，擴散半徑0.5～0.75m。見圖2和圖3所示。

圖2 深孔注漿范圍圖

圖3 深孔注漿分區(qū)段施工圖

既有6號線區(qū)間設置4 道變形縫，其中1號迂回風道的變形縫位于新建17號線右線單洞上方，且處于注漿范圍內(nèi)，故而下穿段通過既有6號線區(qū)間左右線之間（線間距9.0m）的1號迂回風道時，減少深孔注漿孔打設角度，盡量水平打設，打設角度范圍位于既有6號線區(qū)間和新建下穿段之間2.0m 范圍的土體內(nèi)。

2.1.2 袖閥管補充注漿

下穿既有區(qū)間段采取動態(tài)跟蹤注漿，同時拱部預留補償注漿袖閥管（袖閥管水平間距1.5m 布置，直徑89mm，沿車站兩端向下穿既有區(qū)間段中間打設，搭接長度2m，注漿壓力不超過0.5MPa。車站主體斷面沿橫向每隔5m 做一次袖閥管的注漿，每個橫斷面上設置15 根φ42mm 袖閥管，具體分布尺寸如下：上層導洞內(nèi)打設7 根袖閥管，以豎向為基準點，角度從小到大依次為0°、10°、19°、26°、35°、46°、59°；長度依次為11.5m、11m、12m、12m、12m、9m、9m。下層導洞內(nèi)打設8 根袖閥管，角度依次為0°、7°、13°、20°、43°、57°、68°、81°；長度依次為6.5m、6m、5m、4m、4.5m、4.5m、4.5m、4.5m。

圖4 袖閥管布置圖（單位：mm）

施工過程中，一旦穿越既有線超過預警值或既有結構突然發(fā)生較大變形時應立即啟動補償注漿方案。同時加強既有線自動化監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果調整注漿參數(shù)，做到信息化施工。見圖4所示。

該方案能夠較好的完成施工區(qū)域的加固，充分發(fā)揮注漿的效果，能夠定時補充加固不足的地方。但是在實際施工中，因地質原因注漿的半徑不能確定和控制，其注漿對沉降的控制效果不理想，風險性較大。

2.2 管幕支護+深孔注漿

根據(jù)已經(jīng)實施的袖閥管注漿+深孔注漿的效果，加上為了防止既有區(qū)間軌道的底板下沉，以及注漿時漿液的方向不可控，盡量避免漿液向上流，避免注漿壓力的作用下引起既有線的隆起現(xiàn)象，確保施工安全，擬采用管幕支護+深孔注漿，即開挖導洞與既有區(qū)間軌道之間設置管幕支護。從車站南端開始施做管幕支護，打設219mm@270mm 無縫鋼管，側面焊接75×50×8mm 不等邊角鋼鎖扣，鎖扣管幕上安設Φ42 注漿鋼管，隨鉆孔帶入；共計91 根，距離下穿段導洞拱頂上方1m。單孔施工長度為38m，鋼管單節(jié)長度2.0m，共計71個孔位。

該方案相當于在需要開挖的導洞和既有軌道之間人為設置一道剛度較大的鋼板，這樣在CRD 法開挖導洞時，能夠避免深孔注漿時漿液上流引起既有結構的上拱，增加了安全儲備，提高了施工安全和質量。

2.3 方案比選結果

通過對上述方案進行研究分析，可知各個方案優(yōu)缺點及推薦方案見表1所示。

3、施工工藝流程及要點

3.1 施工籌劃

71 根管幕分批打設：先打設端部與扶壁柱相接的4 根管幕，然后再開挖扶壁柱，兩者采用焊接的方法形成一個整體；剩下的管幕均在車站二襯完成后打設。

3.2 施工工藝流程

管幕支護的施工工藝流程見圖6所示。

3.3 工藝要點

（1）采用2 臺設備同時施工，一次成型2 根鋼管。首先根據(jù)鉆孔位置確定鉆機位置，以梁氏支架作為鉆機操作平臺，平臺大小約為4.5×4.2m，沿導洞縱向采用軌道式結構。組裝鉆機調試完成后，調整導向鉆桿標靶位置，使其與后方成像儀器中心線軸重合。先頂進端頭楔形鉆頭，在導向孔施工結束后，利用儀器對導向孔的水平與豎直方向進行觀測，并及時進行修正。隨后跟進螺旋鉆桿及第一節(jié)鋼管，采用欠土頂進方法，邊頂進邊出土，專人清理干凈排出的渣土。

表1 方案對比分析表

圖6 管幕支護施工工藝

（2）螺旋式導向頂管方式

先頂進無線導向桿，隨后連接相應的螺旋鉆桿，管幕鋼管直接作為螺旋鉆桿直徑的外套管，使用液壓泵站使頂管機動力頭旋轉，同時使用頂管機的油缸將鋼管緩緩頂入土體。管幕施工時通過外套管與螺旋鉆桿之間的螺旋空間出土，專人清理干凈排出的渣土。

其中鋼管每節(jié)長2m，鋼管連接方式采用焊接?，F(xiàn)場焊接采用爬焊機進行對位焊接，以保證焊接時每節(jié)管的水平精度及焊接質量。為保證鋼管密貼平順，焊接時管外采用靠尺進行對位控制。

為確保施工精度，頂管過程中應嚴格控制頂進速度，以減少頂力，控制管幕頂進過程中對土體的影響。同時依靠鉆桿內(nèi)裝入的光學裝置，通過全站儀來測量方位，全程觀測，及時發(fā)現(xiàn)管幕鉆進的偏錯，通過鉆桿及時調整鉆頭方向進行修正，嚴格控制孔軸線。

（3）管內(nèi)注入水泥砂漿

在鋼管頂進到位管內(nèi)渣土清理完成后，使用1cm 鋼板對管頭進行封堵，然后通過注漿機向管內(nèi)注入C30 水泥砂漿。注漿采取后退式注漿，注漿導管必須插至管前端50cm 處，注漿進度要與退管協(xié)調一致。水泥砂漿填充作業(yè)，在滯后管幕10 根后開始進行，然后根據(jù)現(xiàn)場實際情況與檢測數(shù)據(jù)進行調整。為確保管內(nèi)水泥砂漿填充密實，注漿終止以注漿量和現(xiàn)場觀察溢孔溢漿情況進行雙項指標控制，注漿過程中控制好注漿壓力，不宜過大。

（4）管幕外補充注漿

根據(jù)現(xiàn)場工序施工，頂管完成2 ～3根后及時進行管外補充注漿，以控制地層變形。根據(jù)地表監(jiān)測情況隨時調整。補充注漿采用1：1 水泥漿進行灌注。嚴格控制注漿壓力，并加強洞內(nèi)外巡視，防止注漿對周邊管線及路面造成破壞。水泥漿配合比應由現(xiàn)場試驗確定，施工過程中必須嚴格控制配合比。

（5）沉降控制方法

①出土量控制

調整桿頂進速度，控制螺旋出土量，確保實際出土量≤計算出土量，以減少對地層的擾動，頂進與出渣同時進行。

②管內(nèi)注漿施工控制方法

當鋼管全部頂進后，立即注入水泥漿，通過管內(nèi)注漿溢出填充底層縫隙，以補償?shù)貙拥乃缮⒆冃?，有效控制地層的擾動變形。

③管外補充注漿

既有結構安裝自動監(jiān)測，頂管及注漿過程跟蹤監(jiān)測，及時通過外掛注漿管進行補充注漿。

4、目前的實施效果

車站主體被下穿段分為車站南端和車站北端兩部分，目前車站北端初支已經(jīng)完成正在施做二襯，臨近下穿的試驗段采用了袖閥管注漿+深孔注漿兩者結合的工藝，在實施過程中發(fā)現(xiàn)其沉降控制效果不理想，最大沉降達到2mm＞1mm（標準值），繼續(xù)采用袖閥管注漿，其沉降的趨勢沒有緩解，而且因為管位和地質等原因，既有軌道也受到一定的影響。

故而車站南端將采用管幕支護+深孔注漿，在實施前將做試驗段，根據(jù)土層確定漿液壓力，確保施工安全。施工中將嚴格按照施工工藝和施工工序及設計圖紙與規(guī)范操作。

5、結論與建議

本論文通過對下穿段兩種加固方式的對比，以及簡單的施工工藝敘述，詳細已經(jīng)施工的方案效果，確定了下穿段采用哪種加固方式更優(yōu)化，更加能夠安全可靠，對管幕支護在城市地鐵中的使用有一定的參考作用。

管幕參數(shù)的優(yōu)化及施工中工藝的探討等需要進一步的細化，這樣才能為以后的施工提供更加詳細的原理。