大斷面平頂直墻暗挖通道下穿地鐵變形控制研究

李 賀 李 菲 李雨株

(1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；2.北京城市副中心投資建設集團有限公司，北京 100029；3.中兵勘察設計研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

隨著城市軌道交通的日益網(wǎng)絡化、規(guī)?；?，地下通道與既有運營地鐵之間的空間交叉不可避免。對于大斷面平頂直墻斷面暗挖通道而言，受開挖形狀限制，其頂板以上的圍巖無法形成有效的“拱效應”，與拱頂直墻斷面相比，具有施工風險等級高、工序轉換復雜、沉降控制敏感等特點[1-2]，很容易出現(xiàn)變形過大甚至坍塌的風險[3]，對于此類暗挖通道下穿在運營地鐵結構時，更是對變形控制提出了極高的要求和挑戰(zhàn)。李 利等[4]以某地鐵站大斷面暗挖平頂直墻結構密貼下穿既有線為工程背景,介紹了6導洞的洞樁+洞柱法結合的施工方案，總結了下穿過程中沉降控制關鍵技術，但對于多導洞淺埋暗挖法下穿既有線變形控制成套關鍵技術，當前工程經(jīng)驗積累較少?；谖蹇盟傻叵峦＼噹旃こ獭叵峦ǖ馈虚g人行通道下穿地鐵1號線工程，分析了多導洞暗挖法通道下穿既有地鐵結構變形規(guī)律，提出了控制既有結構變形的相關理念和措施，通過采取超前深孔注漿、初支二襯多次受力轉換、動態(tài)注漿頂升、既有結構變位分配控制等措施，成功地將既有地鐵結構變形控制在3 mm以內(nèi)，確保了地鐵的結構安全與運營安全。表明了增大彈性地基梁剛度、既有結構變位分配控制理念及上述相關措施可以有效地控制大斷面平頂直墻通道下穿施工中既有結構的變形，為后續(xù)類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況及變形控制要求

1.1 工程概況

五棵松地下車庫新建人行通道需垂直下穿長安街及地鐵1號線五棵松站—萬壽路站區(qū)間通道。地鐵區(qū)間始建于20世紀60—70年代，雙線雙洞箱型斷面，結構外輪廓尺寸9.8 m(寬)×5.9 m(高)，埋深4.05 m。

新建人行通道采用雙跨平頂直墻斷面型式，開挖外輪廓尺寸為11.6 m(寬)×8.3 m(高)。初期支護為350 mm厚鋼格柵+C25噴射混凝土，二次襯砌外輪廓900 mm，中墻400 mm厚C40模筑防水混凝土。

通道穿過的主要土層為圓礫④層、卵石⑤層、卵石⑥層，土體松散、自穩(wěn)能力較差。地下水位位于通道結構底板以下。穿越關系如圖1—圖3所示。

圖1 新建通道穿越地鐵位置平面圖(單位：mm)(數(shù)據(jù)提供：北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司)

圖2 新建通道穿越地鐵縱剖面圖(單位：mm)(數(shù)據(jù)提供：北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司)

圖3 新建通道穿越地鐵橫斷面圖(單位：mm)(數(shù)據(jù)提供：北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司)

1.2 變形控制要求

根據(jù)地鐵既有運營線管理單位的管理要求[5]，新建結構施工中不允許對既有線采取“限速”措施，須保證下方新建通道建設時，既有線按正常行駛速度行駛。本工程對新建結構施工引起既有結構變形控制指標及標準見表1。

表1 既有地鐵結構沉降控制指標 mm

2 通道下穿地鐵結構變形規(guī)律分析

2.1 淺埋暗挖法施工地表變形規(guī)律

淺埋暗挖法隧道引起橫向地表沉降槽符合Peck正態(tài)分布曲線。王夢恕[6]、孔 恒[7]、關寶樹[8]通過長期的理論研究及實際工程認為，隧道縱軸方向地表變形分三個變形階段：①超前變形階段(-1.5D～-0.5D)，沉降量約占總沉降量的5%～15%；②急劇變形階段(-0.5D～1.5D)，地表變形速率增長，加速變化，沉降量約占總沉降量的70%～85%；③收斂變形階段(>1.5D)，變形速率緩慢，沉降量約占總沉降量的5%～10%。因此，需要根據(jù)引起這三個階段尤其是急劇變形階段的變形原因，分別采取相應的措施，才能有效地控制暗挖過程中的圍巖變形。

在隧道縱向變形中，掌子面處的位移約為收斂值的1/3，為超前變形和掌子面圍巖的擠出變形，如果能夠控制掌子面前方圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，就可以極大地減少掌子面后方圍巖的變形。留核心土和超前支護的方法，是維護掌子面穩(wěn)定的方法之一，而補強掌子面前方圍巖的方法效果更為有力，如采用超前深孔注漿加固掌子面前方圍巖，可以改變圍巖的性能、減小地層損失率，以達到減小變形的效果。

2.2 隧道下穿既有地鐵結構變形規(guī)律

對于既有地鐵，下層通道的存在，在上層通道下面構成了不均勻的地基，將可能導致上層通道產(chǎn)生不均勻沉降，并發(fā)生整體彎曲、橫向扭剪等變形。因此，需預測既有地鐵由于新建通道而引起的不均勻沉降，以確定下層通道對上層通道的影響程度，并提出有針對性的措施。

白海衛(wèi)[9]、王劍晨等[10]通過搜集北京地區(qū) 10個近接下穿工程 23組數(shù)據(jù)進行分析，得到變形縫之間的既有地下結構受到近距離下穿施工擾動，呈現(xiàn)剛體位移特征，以沉降為主，多個塊體組合后整體則呈現(xiàn)“柔性”特征，符合Peck 曲線變形規(guī)律。

因此，可以充分利用既有地鐵結構“剛體”的性質(zhì)[11]，通過對既有地鐵結構下方土體的加固或者新建通道結構的有效支撐作用，可有效控制整體變形。

3 通道既有地鐵結構變形控制措施

基于以上分析，結合北京五棵松地下停車庫中間人行通道下穿地鐵1號線區(qū)間工程特點，提出了超前預注漿加固、優(yōu)化初支二襯的受力轉換及施工步驟、動態(tài)注漿頂升等措施。

3.1 超前深孔注漿加固

(1)超前深孔注漿

新建通道位于砂卵石地層，自穩(wěn)性差，開挖極易造成影響范圍內(nèi)圍巖松弛。擬通過對通道掌子面及周圈土層進行超前深孔注漿，以改善圍巖性質(zhì)，提高圍巖自穩(wěn)能力及承載力，并減小土體后期固結變形，進而減小上方既有結構變形。

本工程對新建通道下穿地鐵結構段采取了超前深孔注漿加固方法：在通道開挖至地鐵結構前5 m的位置對通道掌子面及周圈進行全斷面深孔注漿，注漿范圍為沿通道縱向地鐵通道前后各5 m，橫斷面為通道側墻外3 m，底部以下2 m，頂部以上直至地鐵底板(約2.8 m)，如圖4所示。注漿后要求掌子面范圍的加固土體無側限抗壓強度≥0.5 MPa、初支輪廓外≥1.2 MPa。根據(jù)注漿工藝試驗確定采用φ110 mm×8 mm無縫鋼管，注漿漿液采用水泥漿。

圖4 注漿加固橫斷面圖(單位：mm)(數(shù)據(jù)提供：北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司)

(2)注漿試驗

注漿加固是通道下穿施工過程中控制地鐵結構變形的關鍵步驟，為達到注漿效果，需在在土體注漿加固施工前進行注漿工藝試驗。

通過長達54 d的注漿試驗，獲得了砂卵石地層注漿施工的關鍵參數(shù)和工藝，用于指導注漿施工：①砂卵石地層長管注漿成孔長度、成孔效率；②砂卵石地層中不同注漿壓力對應的漿液擴散半徑；③不同位置注漿漿液選型及配比；④不同漿液、不同壓力對應加固體膠結情況及強度；⑤注漿過程中對周圍土體的擾動程度；⑥水平管與斜管注漿的施工難易及注漿效果對比；⑦砂卵石地層長管注漿整體施工總結。在此基礎上，優(yōu)化了注漿設計中的注漿管、注漿壓力和擴散半徑等內(nèi)容。

(3)深孔注漿的補充措施

本工程深孔注漿單次注漿長度達21 m，極易出現(xiàn)局部注漿不均勻的情況，且平頂直墻結構斷面頂部開挖土體自穩(wěn)能力差，沉降控制難，故考慮在通道頂部打設超前小導管，對長管注漿加固區(qū)土體進行補充注漿。同時在施工過程中如果發(fā)現(xiàn)注漿效果不理想的部位，徑向打設小導管進行補充注漿。

3.2 優(yōu)化通道受力轉換及施工步序

(1)圍巖與初期支護的受力轉換

從圍巖初始應力狀態(tài)到通道開挖后圍巖與初期支護共同作用形成承載體系，即完成了圍巖與初支之間的受力轉換。本工程平頂直墻頂板上方地層主要為無水砂卵石地層，地層松散，對圍巖變形的控制尤為不利，除了超前注漿加固，還采取了以下措施：

①多導洞開挖，格柵與型鋼組合初支：由于新建通道斷面尺寸較大，甚至大于既有地鐵結構，考慮分六導洞開挖，減小每個導洞的開挖面積，另外，采用格柵與型鋼的組合初支，兩道中隔壁采用工25b的型鋼支撐，增大支護的整體剛度，從而減小圍巖及既有結構的變形(見圖5)。

圖5 通道初支導洞劃分示意圖(單位：mm)(數(shù)據(jù)提供：北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司)

②初支背后反復回填注漿：砂卵石開挖過程中容易出現(xiàn)超挖及部分地層塌落，且由于噴射混凝土工藝及自重等原因，初支噴射完畢后與地層會有較大的空隙。在初支背后預埋φ32 mm回填注漿管，間距3 m，梅花形布置，采用多次反復注漿的方式對初支背后空隙進行注漿。根據(jù)淺埋暗挖法強支護、早封閉的原則， 第一次背后回填注漿應該在初支混凝土噴射完成后較短時間內(nèi)進行，以快速填充初支背后空隙為主要目的，漿液以水泥漿為主。隨著初支施工進行，根據(jù)既有結構沉降情況，對已形成的初支進行多次反復回填注漿，目的在于及時填充初支背后細小空隙。

(2)初支與二襯的受力轉換

多導洞通道開挖，初期支護封閉后，圍巖會進行應力重分布，初期支護與圍巖發(fā)揮協(xié)同作用，共同形成新的應力平衡狀態(tài)。然而澆筑二襯時，需要拆除各導洞之間的中隔壁和中隔板等，新建通道支護結構剛度的突然下降勢必會對圍巖進行再一次的擾動。在圍巖松弛過程中，尤其是大斷面的平頂直墻斷面的頂板很可能會承受不住松弛圍巖的荷載，從而導致頂板以上土體變形過大甚至結構失穩(wěn)。因此，如何優(yōu)化初支和二襯之間進行受力轉換過程，是保證上方既有地鐵結構變形以及通道本身安全的關鍵。

本工程中，將初支和二襯的受力轉換分為兩次(見圖6)。一次是中間兩導洞開挖完成后，直接澆筑頂、底板和中柱，對初支和上方既有結構形成有效的支撐作用，增大彈性地基梁的剛度，減小既有結構的變形。同時，也為同步注漿頂升提供了良好的剛性條件。第二次是所有導洞開挖完成后，不再破除初支的中隔壁，而是直接敷設防水層，澆筑二襯結構，待二襯強度發(fā)揮作用后，再切除多余的初支中隔壁結構。這樣就可以避免因拆撐導致的變形及失穩(wěn)，最大程度上減小上方既有結構的變形。

圖6 受力轉換示意圖(數(shù)據(jù)提供：北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司)

為順利實現(xiàn)初支和二襯間受力轉換，兼考慮頂、底板防水問題，將兩道中隔壁由鋼格柵換為工25b的型鋼。

3.3 動態(tài)頂升注漿措施

本工程整個施工過程動態(tài)控制，動態(tài)監(jiān)測，并實施同步注漿頂升。通過分階段注漿將變形控制分為兩個階段：先期注漿抬升階段，同步頂升注漿控制變形階段。并根據(jù)有限元計算結果及工程經(jīng)驗，制定既有結構分步變形控制指標，實行變位控制。

根據(jù)淺埋暗挖法施工“勤量測、速反饋”的指導思想，由第三方監(jiān)測單位對地鐵結構沉降、軌道結構變形等進行24 h不間斷自動化監(jiān)控量測，每45 min提取一次數(shù)據(jù)。施工過程中如發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)值過大，為確保沉降在可控范圍內(nèi)，即對通道周圍土體進行頂升注漿。注漿管布設縱向間距1.5 m，頂板、側墻及仰拱各布設2根，注漿漿液采用水泥漿，注漿壓力控制在3 MPa以內(nèi)，根據(jù)地鐵自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行多次注漿，動態(tài)調(diào)整。使得動態(tài)頂升注漿成為實現(xiàn)變位控制的重要手段，以保證地鐵結構的安全及正常運營。

4 變形控制效果及分析

根據(jù)第三方監(jiān)測單位為期2年的自動化和人工監(jiān)測結果，新建通道施工引起的既有地鐵結構變形始終位于控制值范圍內(nèi)，最大沉降變形為1.9 mm，最大上浮變形為0.9 mm。分別就初支施工完成(2015-01-26)、二襯施工完成(2015-04-27)、變形穩(wěn)定(2016-04-27)三個階段，取既有地鐵結構沿縱向的變形值繪制曲線如圖7所示，實際變形趨勢與有限元預測基本一致，取既有地鐵結構底板變形監(jiān)測值做出變形時程曲線如圖8所示。

圖7 既有地鐵區(qū)間通道豎向變形曲線圖

圖8 既有地鐵區(qū)間通道豎向變形時程曲線圖

從上述變形曲線可見，既有地鐵結構以新建通道為中心形成了一個沉降槽，以變形縫之間的地鐵結構呈現(xiàn)了剛體位移特征，產(chǎn)生了一定的縱向轉動，而多個塊體組合后整體則呈現(xiàn)“柔性”特征，符合Peck 曲線變形規(guī)律。

超前注漿使得地鐵結構產(chǎn)生了一定的上浮，最大上浮值為1.0 mm；從開挖導洞開始，沉降值不斷增大直至初支完成，最大沉降值為1.9 mm，變化值為2.9 mm，說明超前深孔注漿加固、六導洞開挖以及中導洞二襯先期施作及動態(tài)注漿頂升的措施有效地控制了地鐵結構的變形。

初支和二襯的受力轉換期間既有地鐵結構產(chǎn)生了少量上浮變形，變化值為0.7 mm，由此可見，初支、二襯之間受力轉換以及動態(tài)注漿頂升的措施，不但控制了初支拆撐對既有地鐵結構的變形影響，而且通過同步注漿頂升的方式縮小了變形。

最終變形穩(wěn)定在1.6 mm，與二襯施工完成后變形值相差無幾。新建通道在二襯完成后，即完成了通道支護與圍巖的受力轉換，形成了穩(wěn)固的共同支撐體系，注漿加固后的圍巖其蠕變及固結變形得到有效遏制。

最終實踐證明，本工程采取的超前深孔注漿、通道受力轉換及動態(tài)注漿頂升等措施在保證施工順利安全的前提下，有效控制了既有地鐵結構的變形，確保了北京地鐵1號線的結構安全及正常運營。

5 結論

(1)全斷面及周圈超前深孔注漿加固土體技術措施對于提高大斷面新建通道初期支護及圍巖的穩(wěn)定性效果顯著。

(2)對于大斷面平頂直墻結構下穿施工，超前深孔注漿加固一次性注漿長度較長時，在開挖時對拱頂部位宜采用加強輔助工法措施，如打設超前小導管補充注漿加固土體，作為深孔注漿效果的補充措施。

(3)大斷面平頂直墻結構下穿通道結構施工應注意初支背后回填注漿，并根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反復補漿。下穿施工過程中宜根據(jù)監(jiān)控量測信息采取動態(tài)頂升注漿措施，確保既有通道結構沉降變形不超過警戒值。

(4)大斷面平頂直墻結構下穿既有地鐵結構采用CRD法施工時，為了有效控制變形，需要對施工順序進行優(yōu)化，特別是二襯澆筑的順序，中隔壁可以采用型鋼支撐，做好防水措施，澆筑二襯時不拆撐，二襯澆筑完成后直接割除，可以有效控制初支拆撐導致的地鐵沉降。