大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)預(yù)加固方案研究

劉 方 杜建明 張文龍 張宇寧

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學(xué)隧道與地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

隨著我國城市軌道(地鐵)交通的日益發(fā)展以及地下空間的深入開發(fā)，新建隧道下穿既有隧道的工程越來越多[1-5]。既有隧道施工已對(duì)周圍土體產(chǎn)生過擾動(dòng)，新建隧道下穿施工將對(duì)既有隧道周圍土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)，加劇周圍土體的位移和變形。如果防護(hù)措施不當(dāng)，將對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，進(jìn)而影響既有隧道的正常使用，嚴(yán)重時(shí)將引起地表不均勻沉降，可能導(dǎo)致地表建筑傾斜坍塌。

對(duì)新建隧道下穿施工影響的研究，主要集中在地表沉降和既有結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)及安全控制[6-10]、既有結(jié)構(gòu)受力變形與地層應(yīng)力變化規(guī)律[11-13]、地表房屋安全性與人員舒適性[14-16]等方面，而較少關(guān)注下穿施工中預(yù)加固方案的研究。目前，下穿施工中的預(yù)加固方案主要有地層加固法、隔離樁法和主動(dòng)頂升法等。

依托京張高鐵清華園隧道下穿知春路車站工程，對(duì)3種不同的地層加固法(水平旋噴樁、管幕和小導(dǎo)管注漿)進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

清華園隧道為京張高速鐵路重點(diǎn)控制性工程之一，位于北京市海淀區(qū)，隧道開挖直徑12.64 m，全長6.02 km。全隧近距離并行地鐵13號(hào)線，共穿越4處地鐵、7處重要城市道路以及88條重要市政管線，周邊建(構(gòu))筑物密集，是目前國內(nèi)城市核心區(qū)段穿越地層最復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物最多的高鐵單洞雙線大直徑隧道之一。該隧道采用泥水平衡盾構(gòu)法施工，最大覆土厚度29 m，盾構(gòu)管片內(nèi)徑11.1 m，外徑12.2 m，管片厚度為55 cm[17-18]。

京張高鐵清華園隧道盾構(gòu)段(DK15+826～DK15+847)下穿地鐵10號(hào)線和13號(hào)線換乘車站(知春路站)及10號(hào)線區(qū)間隧道段，交叉夾角為79°，垂直凈距6.5 m，距離知春路站西側(cè)最小水平距離1.5 m。新建隧道與知春路站平面布置形式見圖1，橫斷面位置見圖2。

圖1 新建隧道與知春路車站的平面位置

圖2 新建隧道與知春路車站的橫斷面(單位：cm；高程單位：m)

清華園隧道位于北京市平原區(qū)的西北部，地面高程為48.92～451.35 m，地勢(shì)平坦。地層上部主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積雜填土，中部為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂，下部主要為圓形礫石土和卵石土。根據(jù)埋藏條件，第四系地層中的松散巖類孔隙水可以分為上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水補(bǔ)給主要以大氣降水為主，管溝滲流為輔，集中分布在粉土與粉砂層，水位埋深3.4～5.7 m，高程44.91～49.62 m。層間潛水主要受區(qū)域性地下水影響，且局部承壓，水位埋深為21.0～25.0 m，高程為27.97～29.00 m。

為了保證京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道下穿知春路地鐵車站及區(qū)間隧道工程施工的安全，從地層適用性、加固效果、環(huán)境影響、施工工藝、設(shè)備損傷、工程造價(jià)、位移和應(yīng)力控制等多方面對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)方案(水平旋噴樁、管幕和多層小導(dǎo)管注漿)進(jìn)行研究分析。

2 加固方案

2.1 MJS水平旋噴樁預(yù)加固方案

在地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道南側(cè)5 m處開挖6 m×6 m豎井及5.5 m×4 m橫向施工通道。豎井采用倒掛井壁法施工，橫通道采用臺(tái)階法暗挖施工。在橫向通道內(nèi)實(shí)施MJS水平旋噴樁加固，樁間距1.3 m。在水平旋噴樁與地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道及車站底板間施作注漿孔，作為10號(hào)線變形超標(biāo)時(shí)的跟蹤注漿措施，如圖3所示。

圖5 多層小導(dǎo)管注漿加固方案(單位：cm；高程單位：m)

圖3 水平旋噴樁預(yù)加固方案(單位：cm；高程單位：m)

2.2 管幕預(yù)加固方案

豎井及橫通道施工與水平旋噴樁類似。在橫通道內(nèi)施作互鎖管幕作為超前支護(hù)。在清華園隧道與地鐵10號(hào)線區(qū)間段及車站底板之間施作注漿孔，作為10號(hào)線變形超標(biāo)時(shí)的補(bǔ)救措施，見圖4。

圖4 管幕預(yù)加固方案(單位：cm；高程單位：m)

管幕采用φ402 mm熱軋無縫鋼管側(cè)面焊接鎖扣，鎖扣材料為角鋼，通過鎖扣將鋼管連接在一起，形成整體支護(hù)。管幕單根長度40 m，每節(jié)長5 m，共48根。

2.3 多層小導(dǎo)管注漿預(yù)加固方案

多層小導(dǎo)管注漿預(yù)加固方案縱斷面如圖5所示。由于實(shí)際工程加固范圍較大，單側(cè)豎井注漿范圍有限，故在知春路南北側(cè)各開挖1條豎井，通過在兩側(cè)豎井同時(shí)雙向注漿來保證隧道下穿施工過程中既有地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

1號(hào)豎井設(shè)置在地鐵10號(hào)線南側(cè)鐵路界內(nèi)，豎井尺寸為7.5 m×7.5 m，注漿孔設(shè)置在井壁上，間距為0.36 m/0.6 m(水平/豎向)。加固風(fēng)井及橫通道方向的注漿間距為0.51 m/0.6 m(水平/豎向)；2號(hào)豎井設(shè)置在10號(hào)線北側(cè)鐵路界內(nèi)，并設(shè)置注漿工作室，工作室尺寸為7 m×5.6 m，注漿孔設(shè)置在工作面上，2號(hào)豎井橫通道工作面袖閥管間距為0.42 m/0.4 m(水平/豎向)。注漿管采用φ50×50(t=3.5 mm)鋼花管，注漿壓力為0.3～0.4 MPa，單孔擴(kuò)散半徑不小于0.8 m；黏土范圍內(nèi)采用超細(xì)水泥漿，卵石地層采用水泥-水玻璃雙液漿。

利用倒數(shù)第二排注漿管實(shí)施跟蹤注漿，壓力為0.2～0.3 MPa，注漿材料為水泥漿，控制盾尾與地層間隙引起的地層損失。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模擬方法

(1)模型簡(jiǎn)介

采用Flac3D有限差分軟件建立三維模型，分析不同加固方案對(duì)新建盾構(gòu)隧道下穿既有車站結(jié)構(gòu)的變形影響，模型尺寸為165 m×90 m×80 m，網(wǎng)格劃分見圖6。

(2)模擬假設(shè)

地層材料采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則計(jì)算。模擬假設(shè)如下：①地層為均質(zhì)層狀分布，且不考慮地下水和孔隙水壓力的影響；②新建隧道與車站結(jié)構(gòu)主體正交，將車站主體結(jié)構(gòu)等效為一種鋼筋混凝土彈性材料，且剛度相同；③新建隧道、車站結(jié)構(gòu)主體與地層之間符合變形協(xié)調(diào)原則[19]；④軌道與隧道結(jié)構(gòu)變形一致，施工前隧道結(jié)構(gòu)與軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好[20]。

(3)材料參數(shù)

地層參數(shù)根據(jù)巖土勘察報(bào)告確定，見表1。盾殼參數(shù)按鋼材取值，注漿層用等代層模擬，均假定為各向同性彈性體。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，等代層厚度取20 cm，注漿材料凝固硬化前取相對(duì)弱參數(shù)，凝固硬化后按水泥土材料取值，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 地層參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 施工過程模擬

建模過程中定義盾殼為彈性材料，彈性模量取E=210 GPa。為等效考慮盾構(gòu)機(jī)重量，將其整體施加在盾殼上，盾殼密度增加到7 850×11.67 kg/m3。在盾構(gòu)工作面施加梯形荷載來模擬刀盤對(duì)土體的壓力，隧道頂部支護(hù)力取0.365 MPa，底部支護(hù)力取0.473 MPa，千斤頂總推力取8.5×104kN，泥漿壓力取4.90×104kN。在盾殼外表面施加摩擦力來模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，盾殼摩擦應(yīng)力取0.47 MPa，內(nèi)摩擦角取12°。盾殼空隙和回填注漿采用注漿軟材料來模擬，當(dāng)漿液凝固后，采用注漿硬材料來模擬，注漿壓力取0.5 MPa。施工過程模擬包括模型建立、豎井橫通道施工及盾構(gòu)開挖三部分。

(1)模型建立

設(shè)定材料力學(xué)參數(shù)及模型邊界條件，考慮自重作用，計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)，將位移場(chǎng)和速度場(chǎng)清零。地鐵車站結(jié)構(gòu)一次性施工，獲得新建隧道施工前的應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)將位移場(chǎng)和速度場(chǎng)再次清零。

(2)豎井施工

用null單元鈍化第一層豎井內(nèi)的土體單元，然后對(duì)第一層井壁單元賦值相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，按此順序依次往下施工至橫通道底，并進(jìn)行臨時(shí)封閉。橫通道施工：用null單元鈍化豎井底側(cè)面與橫通道相交的單元，然后對(duì)第一節(jié)橫通道壁賦值相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，依次向前開挖，直至橫通道施工完畢。地層加固：通過對(duì)土體單元賦值不同的力學(xué)參數(shù)來達(dá)到不同加固工法的效果。豎井及橫通道回填：重新激活豎井及橫通道內(nèi)部的土體單元，并賦值相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。

(3)盾構(gòu)開挖

盾構(gòu)機(jī)開挖過程主要包括盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞、正常開挖、盾構(gòu)機(jī)頭出洞以及盾尾脫出四部分。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞：鈍化第一環(huán)土體及管片結(jié)構(gòu)，在開挖面施加支護(hù)力。建立盾殼與土體接觸面，并賦值相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，激活盾殼單元，并在盾尾施加千斤頂推力。如此循環(huán)，直至盾構(gòu)機(jī)全部進(jìn)入土體。正常開挖：待盾構(gòu)機(jī)全部進(jìn)洞后，將盾尾注漿層參數(shù)設(shè)置為硬化前的參數(shù)，并施加注漿壓力。待下一步施工完成后，再將盾尾注漿層參數(shù)設(shè)置為硬化后的參數(shù)。如此循環(huán)，直至盾構(gòu)機(jī)頭出洞。盾構(gòu)機(jī)頭出洞：不再向工作面施加支護(hù)力，繼續(xù)開挖，直至盾尾脫出。盾尾脫出：不再激活新的盾殼和管片單元，也不再建立新的接觸面，直至隧道開挖完畢，盾尾脫出。

3.3 加固方案模擬

模型中水平旋噴樁等效為剛度相同、厚度為1.90 m的矩形實(shí)體，以此實(shí)體單元來等效模擬水平旋噴樁預(yù)加固效果；超前管幕布置兩層，每層厚0.4 m，多層小導(dǎo)管注漿加固范圍為47.8 m×23.7 m，厚3.8 m，均采用實(shí)體單元模擬。

通過在單元上施加法向壓力模擬注漿膨脹過程，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的壓力后，再按線性逐漸減小，模擬膨脹壓力的消散過程，壓力取0.4 MPa。具體加固參數(shù)見表3。

表3 豎井結(jié)構(gòu)及加固材料參數(shù)

3.4 結(jié)果分析

(1)車站主體結(jié)構(gòu)變形分析

圖7為不同預(yù)加固措施下車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形云圖。

圖7 不同預(yù)加固措施下車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形

采取預(yù)加固措施之前，車站主體結(jié)構(gòu)最大豎向變形為27.71 mm，遠(yuǎn)超相關(guān)規(guī)范限值。采取水平旋噴樁預(yù)加固措施后，車站主體結(jié)構(gòu)最大豎向變形為2.27 mm，同比減小91.81%；采取管幕預(yù)加固措施后的最大豎向變形為1.12 mm，同比減小95.96%；采取多層小導(dǎo)管注漿預(yù)加固措施的最大豎向變形為3.37 mm，同比減小87.84%。采取預(yù)加固措施后，極大地降低了主體結(jié)構(gòu)的豎向變形，將最大變形值控制在規(guī)范限值之內(nèi)，從而保證了車站主體在下穿隧道施工時(shí)的安全。

車站主體結(jié)構(gòu)最大變形均發(fā)生在隧道中線正上方位置，未采取預(yù)加固措施時(shí)，隧道中線±40 m范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)變形較大。采取相關(guān)預(yù)加固措施后，車站主體結(jié)構(gòu)變形沉降槽寬度明顯減小，尤其是采用管幕預(yù)加固措施后，車站主體結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)為最小。

多層小導(dǎo)管注漿加固方案會(huì)導(dǎo)致車站主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生部分隆起，最大隆起量為0.38 mm，故應(yīng)合理控制注漿壓力，防止車站主體結(jié)構(gòu)的過大變形或隆起。

圖8為不同預(yù)加固措施下車站主體結(jié)構(gòu)最大豎向變形時(shí)程曲線。由圖8可知：3種預(yù)加固措施都能有效控制車站主體結(jié)構(gòu)因下穿隧道施工而引起的變形。

其中，管幕預(yù)加固措施控制變形效果最好，水平旋噴樁預(yù)加固措施次之，多層小導(dǎo)管注漿預(yù)加固措施再次之。

圖8 不同預(yù)加固措施下車站主體結(jié)構(gòu)最大豎向變形時(shí)程曲線

(2)車站主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖9為不同預(yù)加固措施下車站主體結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力云圖。在未采取預(yù)加固措施時(shí)，車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.61 MPa，采取水平旋噴樁預(yù)加固措施后，車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.29 MPa，同比減小19.9%；

圖9 不同預(yù)加固措施下車站主體結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力云圖

采取管幕預(yù)加固措施后的最大拉應(yīng)力為0.18 MPa，同比減小88.8%；采取多層小導(dǎo)管注漿預(yù)加固措施后的最大拉應(yīng)力為1.40 MPa，同比減小13.0%。由此可知：3種預(yù)加固措施都能有效控制車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力，保證車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力不超過相關(guān)規(guī)范限值，而管幕預(yù)加固法在控制車站主體結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力方面效果最佳。

4 加固方案對(duì)比分析

從地層適用性、加固效果、環(huán)境影響、施工工藝、設(shè)備損傷、工程造價(jià)、位移與應(yīng)力控制等多方面，對(duì)水平旋噴樁、管幕和多層小導(dǎo)管注漿加固方案進(jìn)行對(duì)比分析(見表4)。

表4 不同加固措施綜合對(duì)比

根據(jù)DB11/1067-2014《城市軌道交通土建工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[20]，從環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)[21]和環(huán)境設(shè)施重要性分級(jí)兩個(gè)方面將知春路車站風(fēng)險(xiǎn)源定義為特級(jí)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)知春路車站周圍環(huán)境影響、所處地層變形和主體結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行控制。綜合理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果以及工程所處環(huán)境和重要性等級(jí)，建議使用多層小導(dǎo)管注漿加固法，這樣既能保證下穿施工安全，又能降低工程造價(jià)。

5 結(jié) 論

依托京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道既有知春路地鐵車站及區(qū)間隧道工程，對(duì)3種加固方案進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

(1)數(shù)值模擬結(jié)果分析表明：未采取加固措施時(shí)，既有車站主體結(jié)構(gòu)豎向變形和最大拉應(yīng)力均較大，遠(yuǎn)超相關(guān)規(guī)范限值，故對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是非常必要的；管幕加固在控制既有車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移和最大拉應(yīng)力方面效果最佳，水平旋噴樁次之，多層小導(dǎo)管注漿加固再次之。

(2)綜合數(shù)值模擬結(jié)果和工程所處環(huán)境及重要性等級(jí)，建議使用多層小導(dǎo)管注漿加固法，這樣既能保證下穿施工安全，又能降低工程造價(jià)，對(duì)周圍環(huán)境的影響最小。