暗挖隧道下穿既有車站的深孔注漿及保護措施

李 媛

(中鐵十六局集團有限公司 北京100023)

隨著地鐵施工深度及廣度的加大，為了不影響原既有線的正常運營，新建線路與既有線路勢必會出現(xiàn)鄰近、側(cè)穿或下穿等復(fù)雜情況，由于既有線路運營所產(chǎn)生的振動會影響到新建線路周圍土體的穩(wěn)定，對新建線路的施工產(chǎn)生安全隱患。因此，為了不影響新建線路的開挖和既有線路的運行安全，在新建隧道施工前要對隧道周圍土體進行預(yù)加固。

北京地鐵7號線是北京市政府規(guī)劃投資的一條城市地鐵，直接疏散了北京西站向東的客流量，同時方便了南城和兩廣路上居民的出行，還緩解了1號線的交通壓力，有效地連接了南三環(huán)與北京西站，帶動了這一區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展，成為北京交通建設(shè)中不可缺少的一條地鐵線。其中，崇文三里河站—磁器口站區(qū)間(以下簡稱“崇-磁區(qū)間”)東側(cè)下穿既有5號線磁器口站。施工時，為了不影響既有5號線磁器口站的正常運營，未打設(shè)相應(yīng)的降水井進行施工降水，區(qū)間結(jié)構(gòu)處于一層層間潛水中，且地層透水性較好。兩條地鐵線結(jié)構(gòu)距離最近處僅有0.5 m，屬于新建7號線的特級風(fēng)險源。因此，正確做好隧道開挖前地層的超前注漿加固，并對既有線路和新建線路制定行之有效的保護措施，是保證新建結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

北京地鐵既有5號線磁器口車站寬21.874 m，呈南北走向，崇—磁區(qū)間呈東西走向。區(qū)間結(jié)構(gòu)與既有線地鐵站結(jié)構(gòu)最近處為0.548 m，下穿段長35.3 m。左線經(jīng)過8.357 m正式下穿既有磁器口站，右線經(jīng)過8.057 m正式下穿既有磁器口站，具體如圖1所示。

圖1 區(qū)間正線與既有5號線的縱剖面

1.2 周邊環(huán)境

磁器口車站位于兩廣大街和崇文門外大街交叉口處，地處北京二環(huán)內(nèi)繁華地段，周圍商業(yè)、居民區(qū)眾多。車流、人流密集，尤其早晚上下班高峰期的路面車輛更加密集，人員流動量很大。

1.3 水文地質(zhì)條件

既有5號線磁器口車站埋深約10.12 m，區(qū)間隧道埋深約26 m，主要穿越卵石、中粗砂、粉質(zhì)黏土和粉土。地下水類型為層間潛水(三)，含水層主要為卵石⑦層，透水性好。靜止水位標(biāo)高為20.53～22.18 m，水位埋深為20.53～20.8 m，地下水分布連續(xù)，含水層滲透系數(shù)大，為強透水層。

1.4 風(fēng)險源

該施工區(qū)域路面下方雨污水、燃?xì)狻崃Φ裙芫€密度大，走向多樣且埋設(shè)深淺不一。區(qū)間下穿段的風(fēng)險源見表1所示。

表1 風(fēng)險源統(tǒng)計

2 深孔注漿施工技術(shù)

近年來，隨著各類隧道、地下洞室、地鐵施工的開展，周圍巖石、土體所產(chǎn)生的壓力對新建結(jié)構(gòu)開挖施工的安全造成了很大影響。注漿施工作為各類地下建筑物施工的輔助措施，不僅很好地起到了加固地層、保證開挖安全的作用，而且具有經(jīng)濟效益高、可行性強等諸多優(yōu)點，在近年來的地下工程施工中得到了廣泛應(yīng)用。崇—磁區(qū)間下穿既有磁器口車站段的開挖采用預(yù)留核心土臺階法施工，既有車站運營所產(chǎn)生的振動會對周圍土體造成影響，從而改變土體自身的穩(wěn)定，尤其是區(qū)間結(jié)構(gòu)與既有車站結(jié)構(gòu)最近處僅為0.548 m，新建結(jié)構(gòu)開挖施工時會對既有線和新建線結(jié)構(gòu)造成安全隱患，嚴(yán)重時還會發(fā)生重大塌方。因此，為了保證區(qū)間隧道開挖的安全可靠，在正式進入下穿段之前，需對既有地鐵5號線下方土體進行超前深孔注漿加固，達到加固土體的目的，從而加強地層的自穩(wěn)能力，使新建線路能安全開挖，從而下穿既有車站。

2.1 注漿范圍

深孔注漿加固范圍為新建隧道兩側(cè)開挖輪廓線各外擴3 m、底板向下延伸3 m，縱向加固長度約35 m。注漿漿液底板以上采用超細(xì)水泥漿，底板以下為普通水泥漿。注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，同時保證距離底板2 m范圍內(nèi)注漿壓力不得超過0.3 MPa。注漿范圍如圖2所示。

圖2 深孔注漿加固范圍

2.2 注漿管布置

深孔注漿管在開始部位的掌子面按扇形布置，沿環(huán)向布置孔位，各排孔布置鉆孔角度為:周邊環(huán)向布孔向上傾角0～12°，深孔注漿管的間距應(yīng)保證孔的末端間距控制在1 m范圍內(nèi)，并保證各斷面拱部注漿范圍達到設(shè)計要求(見圖3～5)。

圖3 注漿孔布置橫剖面

2.3 注漿工藝

注漿均采用雙重管注漿工藝，采用后退式間隔鉆孔注漿，每循環(huán)注漿長度為12 m，并在端頭處設(shè)置2 m寬的止?jié){墻。單次加固分兩循環(huán)，第1次對底板以上進行加固，第2次對底板以下進行加固，施工流程見圖6。

為了保證注漿效果，施工過程中要注意的是:當(dāng)隧道開挖至注漿加固范圍前2 m位置時停止開挖作業(yè)，封閉掌子面，施作止?jié){墻。止?jié){墻厚度為250 mm，采用格柵噴射混凝土封閉形成，格柵間距為500 mm;布設(shè)注漿孔位，按設(shè)計要求布設(shè)鉆孔，控制好鉆孔角度，確保注漿范圍及注漿效果;注漿漿液下穿段采用超細(xì)水泥漿，若該地層位于富水段采用水泥-水玻璃雙液漿，采用注漿壓力和注漿總量雙控制原則，以保證注漿質(zhì)量;雙液漿配比為:水玻璃濃度由40Be’稀釋到20Be’，水泥漿水灰比W/C=0.75～1，水泥漿∶水玻璃=1∶0.5～1∶1(體積比);注漿后無側(cè)限抗壓強度，開挖面不小于0.5 MPa，周邊不小于1.0 MPa，靠近既有線底板時注漿壓力不大于0.3 MPa，如深孔注漿效果未達到設(shè)計要求，可增加設(shè)置小導(dǎo)管補充注漿。

圖4 注漿孔布置平剖面

圖5 注漿孔布置縱剖面

圖6 注漿工藝流程

3 力學(xué)計算

針對采用的深孔注漿方案，對區(qū)間隧道施工過程中既有車站產(chǎn)生的影響進行數(shù)值模擬分析，不僅能達到驗證深孔注漿效果的目的，同時有利于提前采取保護措施，確保新建隧道施工和既有車站的運營安全。

本次計算采用FLAC3D中“地層-結(jié)構(gòu)”模型進行力學(xué)模擬計算。模擬區(qū)域為沿新建地鐵線路方向長度102 m，深度51.5 m，寬度取新建隧道結(jié)構(gòu)外兩側(cè)大于3倍洞半徑(63 m)。其中，巖土體及注漿區(qū)域采取摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，混凝土構(gòu)件采用彈性本構(gòu)模型，地鐵車站初襯及下穿隧道臨時仰拱采用殼單元。數(shù)值計算模型如圖7所示。

圖7 新建隧道下穿既有車站數(shù)值計算模型

設(shè)計要求地表沉降累計值不大于3 mm，從圖8的位移矢量計算圖得知，在新建隧道開挖過程中，位移沉降最大的部位位于車站中心位置，為2.9 mm。因此，注漿后再進行施工，雖然對既有車站有一定的影響，但最大沉降值在設(shè)計要求范圍內(nèi)，說明按本文提到的深孔注漿是滿足沉降要求的。

圖8 位移矢量計算

4 保護措施

新建線路在下穿既有線施工過程中，采取了深孔注漿以達到加固地層的目的，通過數(shù)值模擬看出沉降在控制值范圍內(nèi)，但是為了確保下穿既有線的施工安全，針對新建線路周邊風(fēng)險源，既有5號線提前制定了保護措施，以達到萬無一失的目的。

4.1 針對風(fēng)險源的保護措施

針對該施工區(qū)域路面下方的熱力方溝、污水管、雨水管線，采取的保護措施是:根據(jù)地質(zhì)勘查報告及掌子面地質(zhì)揭露情況，分析前方地質(zhì)狀況，進行地質(zhì)預(yù)報;加強地質(zhì)超前探測，遇到空洞提前處理;在開挖過程中遇到地表及建筑物沉降，及時采取回填注漿等加強措施;對左右線施工嚴(yán)格保持施工步距;對隧道開挖過程，嚴(yán)格做好超前注漿措施，提前加固前方地層;及時施作初支背后回填注漿，在施工過程中根據(jù)沉降情況可進行多次補注漿，在注漿過程中應(yīng)對附近管線處的壓力進行控制及保護;加強過程監(jiān)測，加大沉降及收斂觀測頻率，及時掌握風(fēng)險源的變化趨勢，以便動態(tài)管理，采取對應(yīng)措施;采用臺階法施工，上、下斷面臺階長度宜控制在15 m左右;在開挖前應(yīng)采取超前預(yù)支護和預(yù)加固措施，做到預(yù)加固、開挖、支護三環(huán)節(jié)緊密銜接，當(dāng)?shù)貙幼苑€(wěn)能力差或開挖工作面停工時間較長時，采取增加臨時仰拱、噴砼封閉掌子面等輔助施工措施;區(qū)間隧道不得欠挖，對意外出現(xiàn)的超挖或塌方應(yīng)采用噴砼回填密實，并及時進行背后回填注漿;在開挖過程中必須加強監(jiān)控量測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)拱頂、拱腳和邊墻位移速率值超過設(shè)計允許值或出現(xiàn)突變時，應(yīng)及時增加臨時支撐或仰拱，形成封閉環(huán)，控制位移和變形;臨時仰拱每段拆除的長度不大于8 m，相鄰二襯養(yǎng)護完成達到強度設(shè)計值的80%后方可拆除下段臨時仰拱。

4.2 對既有5號線的保護措施

1)針對5號線的施工準(zhǔn)備。在施工前，檢查受影響地段軌道，對線路狀態(tài)不滿足標(biāo)準(zhǔn)的地段，應(yīng)提前做好維修工作以達到要求。同時，對既有5號線軌道幾何尺寸、道床裂縫進行全面檢查并備案。受影響段正線每股鋼軌內(nèi)側(cè)安裝防脫護軌，在受影響地段起終點設(shè)置無縫線路位移觀測樁。

在新建隧道開始施工直至地鐵結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定期間，根據(jù)變形情況及時對軌道結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，使線路狀態(tài)始終滿足地鐵施工標(biāo)準(zhǔn)的要求。新建隧道施工一般不會引起較大道床開裂和道床與結(jié)構(gòu)間的剝離。如在施工過程中，道床開裂和道床結(jié)構(gòu)的剝離超過3 mm時應(yīng)及時整治，對0.3 mm以上的裂縫進行修補。結(jié)合類似經(jīng)驗，對道床裂縫采用磨細(xì)超流態(tài)CGM灌漿料進行填充，使?jié){料粒徑不大于0.3 mm，采用無壓灌注法，使灌漿材料2 h后必須達到C15強度等級，并在通車前2 h內(nèi)施工完畢。灌注部位及工程量測在現(xiàn)場確定，檢驗措施可采用試塊和取芯相結(jié)合的辦法。

2)減少底板沉降的措施。采用深孔注漿，注漿時可適當(dāng)加大注漿壓力和注漿量，主動控制其沉降;采用臺階法+臨時仰拱法施工，開挖各導(dǎo)洞時采用預(yù)留核心土的方法，并在上導(dǎo)洞每榀格柵兩側(cè)拱腳節(jié)點處打設(shè)2根D25、長2.5 m的鎖腳錨管，主動控制其沉降，這個施工方法與同類施工方法相比，沉降量一般，工期短，可以較快地完成初支，及時封閉，減少不均勻沉降量;臨時仰拱每段拆除的長度不大于8 m;初支封閉成環(huán)后，需及時進行拱部及側(cè)墻背后的回填注漿，以減少沉降;區(qū)間下穿既有5號線車站時要連續(xù)施工，無特殊情況時不得中斷施工;隧道開挖時，開挖尺寸為1榀格柵鋼架間距，嚴(yán)禁多榀開挖，防止沉降。

3)扣軌的保護。在扣軌兩側(cè)設(shè)置護軌，防止施工造成軌距過大，影響線路的正常運營;采用縱橫梁扣軌加固技術(shù)對軌道結(jié)構(gòu)進行加固，最大限度地增強線路的整體穩(wěn)定性，保證列車運營的絕對安全;施工過程中在嚴(yán)密監(jiān)測地表沉降變化的情況下，提前完成降水施工，消除由于過量沉降引起的軌道線路不平順;當(dāng)施工中沒有遇到如沉降過大、突發(fā)涌水等突發(fā)情況時，不得中斷施工，防止產(chǎn)生不均勻沉降;在隧道開挖時，開挖尺寸為1榀格柵鋼架間距，嚴(yán)禁多榀開挖，防止沉降。

4)運營單位的配合。為了保證下穿既有5號線磁器口車站的施工安全，需運營單位積極配合，指派專人結(jié)合地鐵的運營對既有線進行日常監(jiān)測，及時分析數(shù)據(jù)采取減速或停運措施，以保證既有線的安全。

5 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，城市軌道交通的施工環(huán)境會越來越復(fù)雜，針對近距離下穿既有線路的施工，在傳統(tǒng)深孔注漿技術(shù)的基礎(chǔ)上，靈活調(diào)整，具有經(jīng)濟投入少，可行性高的優(yōu)點。

該技術(shù)的運用能同時保證既有線的正常運營，為今后城市軌道交通近距離穿越既有線路提供了參考依據(jù)。同時，只有多項全面的施工保護措施才能保證優(yōu)秀施工方案的有效實施，因此在實際施工過程中，對周邊風(fēng)險源、既有線路采取有針對性的保護措施是確保整個施工過程安全的關(guān)鍵。

隨著科技的進步，城市地下空間的利用勢必將向更深更廣的范圍發(fā)展，在既有施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要更加深入全面地運用研究。

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