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(tuán)地鐵工程有限公司 黃華

在城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，會(huì)規(guī)劃并形成一些商業(yè)經(jīng)濟(jì)中心、居民居住中心、景點(diǎn)旅游中心等人員密集區(qū)域，在這些地方修建地鐵時(shí)，常常會(huì)同時(shí)或分時(shí)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(shì)必會(huì)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(cè)穿通過、旁穿通過等各種位置關(guān)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(shí)，首先要對(duì)既有的運(yùn)營(yíng)地鐵進(jìn)行加固，待其加固強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范和設(shè)計(jì)要求后，才進(jìn)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(hù)、袖閥管注漿等一種或多種結(jié)合的方式進(jìn)行加固。本文以17號(hào)線東大橋站為例，對(duì)幾種加固方式的方案進(jìn)行比選分析。

1、工程概況

圖1 結(jié)構(gòu)位置關(guān)系平面圖

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

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

根據(jù)水文地質(zhì)的勘察結(jié)果可知，實(shí)際測(cè)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(dǎo)洞主要位于承壓水（五）以下。

2、方案研究

下穿段施工的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)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(duì)既有地鐵的運(yùn)營(yíng)造成限速、降速、停車等較大的影響，使其能夠正常安全運(yùn)營(yíng)。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(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。因此下穿前要對(duì)既有結(jié)構(gòu)做好加固處理。

暗挖施工中對(duì)土體的加固主要方式是深孔注漿、導(dǎo)管注漿、管幕支護(hù)等幾種方法，使得兩個(gè)建筑物之間的土體能夠形成一個(gè)固定的有強(qiáng)度的土體板，隔開兩個(gè)建筑物的相互影響。深孔注漿的加固方式主要是將新建結(jié)構(gòu)在開挖前能夠形成一個(gè)全范圍的保護(hù)范圍，目前在暗挖地鐵中經(jīng)常使用。導(dǎo)管注漿主要用于補(bǔ)充注漿，當(dāng)加固效果不足時(shí)，用來補(bǔ)強(qiáng)注漿效果。管幕支護(hù)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(zhǎng)度、寬度，形成一個(gè)可控的加固區(qū)域和加固體系。然后注入漿液，形成一個(gè)有強(qiáng)度的穩(wěn)定加固范圍，封閉性較好。能夠克服礦山法開挖時(shí)、受力轉(zhuǎn)換、多次擾動(dòng)土體的缺點(diǎn)，提高了工作效率，保障既有結(jié)構(gòu)的安全，同時(shí)在施工期間可以不采用人工降水，避免了水資源的浪費(fèi)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(hù)+深孔注漿中選擇，現(xiàn)對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析，具體見下，以便確認(rèn)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(cè)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(shí)封閉支護(hù)。深孔注漿從下穿段的南端開始打設(shè)，共分5 段打設(shè)完成，打設(shè)長(zhǎng)度分別為7m、10m、5m、10m、4.5m，共分為5段，每段設(shè)置2m 寬的止?jié){墻；注漿范圍為拱部外4.0m，側(cè)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(cè)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(shè)一環(huán)水平注漿孔，注漿孔間距1.0～1.5m，長(zhǎng)度19m；開挖掌子面內(nèi)注漿孔以不同的角度布設(shè)，確保注漿加固范圍，孔間距1.0～1.5m，擴(kuò)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(hào)線區(qū)間設(shè)置4 道變形縫，其中1號(hào)迂回風(fēng)道的變形縫位于新建17號(hào)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(hào)線區(qū)間左右線之間（線間距9.0m）的1號(hào)迂回風(fēng)道時(shí)，減少深孔注漿孔打設(shè)角度，盡量水平打設(shè)，打設(shè)角度范圍位于既有6號(hào)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(bǔ)充注漿

下穿既有區(qū)間段采取動(dòng)態(tài)跟蹤注漿，同時(shí)拱部預(yù)留補(bǔ)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(shè)，搭接長(zhǎng)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(gè)橫斷面上設(shè)置15 根φ42mm 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(zhǎng)度依次為11.5m、11m、12m、12m、12m、9m、9m。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(zhǎng)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(yù)警值或既有結(jié)構(gòu)突然發(fā)生較大變形時(shí)應(yīng)立即啟動(dòng)補(bǔ)償注漿方案。同時(shí)加強(qiáng)既有線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)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(shí)補(bǔ)充加固不足的地方。但是在實(shí)際施工中，因地質(zhì)原因注漿的半徑不能確定和控制，其注漿對(duì)沉降的控制效果不理想，風(fēng)險(xiǎn)性較大。

2.2 管幕支護(hù)+深孔注漿

根據(jù)已經(jīng)實(shí)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(shí)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(hù)+深孔注漿，即開挖導(dǎo)洞與既有區(qū)間軌道之間設(shè)置管幕支護(hù)。從車站南端開始施做管幕支護(hù)，打設(shè)219mm@270mm 無縫鋼管，側(cè)面焊接75×50×8mm 不等邊角鋼鎖扣，鎖扣管幕上安設(shè)Φ42 注漿鋼管，隨鉆孔帶入；共計(jì)91 根，距離下穿段導(dǎo)洞拱頂上方1m。單孔施工長(zhǎng)度為38m，鋼管單節(jié)長(zhǎng)度2.0m，共計(jì)71個(gè)孔位。

該方案相當(dāng)于在需要開挖的導(dǎo)洞和既有軌道之間人為設(shè)置一道剛度較大的鋼板，這樣在CRD 法開挖導(dǎo)洞時(shí)，能夠避免深孔注漿時(shí)漿液上流引起既有結(jié)構(gòu)的上拱，增加了安全儲(chǔ)備，提高了施工安全和質(zhì)量。

2.3 方案比選結(jié)果

通過對(duì)上述方案進(jìn)行研究分析，可知各個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)及推薦方案見表1所示。

3、施工工藝流程及要點(diǎn)

3.1 施工籌劃

71 根管幕分批打設(shè)：先打設(shè)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(gè)整體；剩下的管幕均在車站二襯完成后打設(shè)。

3.2 施工工藝流程

管幕支護(hù)的施工工藝流程見圖6所示。

3.3 工藝要點(diǎn)

（1）采用2 臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工，一次成型2 根鋼管。首先根據(jù)鉆孔位置確定鉆機(jī)位置，以梁氏支架作為鉆機(jī)操作平臺(tái)，平臺(tái)大小約為4.5×4.2m，沿導(dǎo)洞縱向采用軌道式結(jié)構(gòu)。組裝鉆機(jī)調(diào)試完成后，調(diào)整導(dǎo)向鉆桿標(biāo)靶位置，使其與后方成像儀器中心線軸重合。先頂進(jìn)端頭楔形鉆頭，在導(dǎo)向孔施工結(jié)束后，利用儀器對(duì)導(dǎo)向孔的水平與豎直方向進(jìn)行觀測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行修正。隨后跟進(jìn)螺旋鉆桿及第一節(jié)鋼管，采用欠土頂進(jìn)方法，邊頂進(jìn)邊出土，專人清理干凈排出的渣土。

表1 方案對(duì)比分析表

圖6 管幕支護(hù)施工工藝

（2）螺旋式導(dǎo)向頂管方式

先頂進(jìn)無線導(dǎo)向桿，隨后連接相應(yīng)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(jī)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使用頂管機(jī)的油缸將鋼管緩緩頂入土體。管幕施工時(shí)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(zhǎng)2m，鋼管連接方式采用焊接。現(xiàn)場(chǎng)焊接采用爬焊機(jī)進(jìn)行對(duì)位焊接，以保證焊接時(shí)每節(jié)管的水平精度及焊接質(zhì)量。為保證鋼管密貼平順，焊接時(shí)管外采用靠尺進(jìn)行對(duì)位控制。

為確保施工精度，頂管過程中應(yīng)嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度，以減少頂力，控制管幕頂進(jìn)過程中對(duì)土體的影響。同時(shí)依靠鉆桿內(nèi)裝入的光學(xué)裝置，通過全站儀來測(cè)量方位，全程觀測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管幕鉆進(jìn)的偏錯(cuò)，通過鉆桿及時(shí)調(diào)整鉆頭方向進(jìn)行修正，嚴(yán)格控制孔軸線。

（3）管內(nèi)注入水泥砂漿

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

（4）管幕外補(bǔ)充注漿

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工序施工，頂管完成2 ～3根后及時(shí)進(jìn)行管外補(bǔ)充注漿，以控制地層變形。根據(jù)地表監(jiān)測(cè)情況隨時(shí)調(diào)整。補(bǔ)充注漿采用1：1 水泥漿進(jìn)行灌注。嚴(yán)格控制注漿壓力，并加強(qiáng)洞內(nèi)外巡視，防止注漿對(duì)周邊管線及路面造成破壞。水泥漿配合比應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，施工過程中必須嚴(yán)格控制配合比。

（5）沉降控制方法

①出土量控制

調(diào)整桿頂進(jìn)速度，控制螺旋出土量，確保實(shí)際出土量≤計(jì)算出土量，以減少對(duì)地層的擾動(dòng)，頂進(jìn)與出渣同時(shí)進(jìn)行。

②管內(nèi)注漿施工控制方法

當(dāng)鋼管全部頂進(jìn)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(bǔ)償?shù)貙拥乃缮⒆冃危行Э刂频貙拥臄_動(dòng)變形。

③管外補(bǔ)充注漿

既有結(jié)構(gòu)安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)，頂管及注漿過程跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)通過外掛注漿管進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

4、目前的實(shí)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(yàn)段采用了袖閥管注漿+深孔注漿兩者結(jié)合的工藝，在實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)其沉降控制效果不理想，最大沉降達(dá)到2mm＞1mm（標(biāo)準(zhǔn)值），繼續(xù)采用袖閥管注漿，其沉降的趨勢(shì)沒有緩解，而且因?yàn)楣芪缓偷刭|(zhì)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(hù)+深孔注漿，在實(shí)施前將做試驗(yàn)段，根據(jù)土層確定漿液壓力，確保施工安全。施工中將嚴(yán)格按照施工工藝和施工工序及設(shè)計(jì)圖紙與規(guī)范操作。

5、結(jié)論與建議

本論文通過對(duì)下穿段兩種加固方式的對(duì)比，以及簡(jiǎn)單的施工工藝敘述，詳細(xì)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(duì)管幕支護(hù)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(jìn)一步的細(xì)化，這樣才能為以后的施工提供更加詳細(xì)的原理。