地鐵隧道穿越既有車站的沉降預測及加固措施分析

謝晟偉

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

當施工過程中對隧道圍巖土體造成干擾導致地層變形后，會對既有地鐵車站的安全造成一定危害。同時，若加固不及時，也可能加大沉降風險，甚至造成難以挽回的損失?；诖?，該文擬定采取多種沉降預測方法，并提出對應加固措施。

1 工程概況

以廣州地鐵3號線某區間工程為例，區間上行線長約1 274.6 m，下行線長約1 280.1 m[1]。區間結合地鐵實況及工程項目要求，盡可能合理地借助于圍巖的自承能力，避免盲目開挖后損壞圍巖穩固性。用鋼筋網、噴混凝土、鋼架進行支護，用模筑鋼筋混凝土為二次襯砌。整體施工均做好統籌安排和現場指導，確認按要求順利進行。

1.1 地質條件

工程項目涉及地段至隧道的地質情況較復雜，分析該地段的地質剖面可知最底層是粉質黏土，從下至上有卵石、中粗砂、粉質黏土、砂質黏土、中粗砂、卵石、中粗砂、粉質黏土、中砂、粉細砂、砂質粉土，最上層是爐灰。

1.2 水文地質

地層中粉質黏土層、粉土層相對隔水，且區域性隔水層缺失。整體地下水分布連續，含水層滲透系數大，屬強透水層[2]。工程開挖段處于有水的位置，導致項目施工難度加大。局部地段存在上層滯水。

1.3 既有車站結構

既有車站（1號線體育西站）站臺寬度13 m，全長約267 m，底板埋深14 m，車站頂板覆土約1.8 m。

2 工程沉降預測方法

2.1 經驗公式法

2.1.1 Peck公式

Peck教授提出“地表沉降符合高斯分布”概念，其整體的沉降曲線如同正態分布。如今該公式早在世界范圍內被廣泛使用，被看作是預測工程項目中沉降的有效方法[3]。該公式見式（1）、式（2）：

式中，S（x）——距隧道中心x的地表沉降（m）；Smax——位于隧道中心線上的沉降數；i——地表沉降槽的寬度；vi——在單位內地層損失量（m3）；D——隧道的有效直徑（m）。

在上述兩項公式中，關于指標i、Smax屬于最關鍵的指標，且后者常常會受到地質條件、水文、施工方法、技術水平、管理質量等多個方面的影響。當嚴格管理且整體施工技術水平較高的情況下，那么影響Smax指標的最大因素，就是工程項目的地質條件，通過總結經驗分析公式，能夠對工程施工提供參考[4]。

2.1.2 Attewell及Faemer公式

同樣，學者Attewell及Faemer在不斷研究后，也針對此領域提出對應的公式來作為參考（式3）。

式中，K——沉降槽寬度參數，它和土體性質密切相關；Z0——垂直方向上，隧道軸線到地面的距離（m）；H——覆土寬度；R——隧道等效半徑；F——上覆土體平均內摩擦角[5]。

如今，隨著我國相關學者對地表沉降的研究越發深入，有相關學者根據我國土地層的特點，對相關公式做出適當調整和修改。通過結合上述相關公式依據，能夠預測出該工程項目的地表沉降值。

2.2 理論分析法

和經驗分析法相對，理論分析法是基于感性認知上結合理性思維后來認識事物及其規律的分析方法。理論分析的前提在于：結合一定的理論指導，借助于邏輯方法，運用數學理論及方法等，最終經過綜合分析得到結論，了解事物的規律。在基于鏡像法等有關理論知識、等效土體損失參數等指標后，LOGANATHAN、POULOS提出“土體垂直位移計算公式”（如式4）。該公式基于諸多理論分析得出，相對復雜，

式中，X——距隧道軸線水平距離（m）；Z——垂直距離（m）；h——該工程項目中，隧道頂和地面的間距。

2.3 數值模擬法

其一，要構建計算模型。利用有限元軟件設置計算模型，劃分出對應的網格結構，分析上邊界至地面、側邊界的距離。其二，數值模擬預測。

2.4 沉降預測結果

該次研究的地鐵施工項目的沉降預估結果如表1所示，施工技術人員可利用計算機軟件，針對所預測出的數值繪制走勢圖，分別標注出三種不同方法的預測形勢。由結果可知：第一，三種方法間最終獲得的沉降預測情況間相差不大，為提升預測的工作效率，可選擇更便捷的公式經驗法分析。第二，采取公式經驗法分析后顯示，其沉降預測結果和水平軸線距離間為負相關聯系，軸線距離越大，計算結果越小。第三，若施工項目中地基未進行加固，那么各節點處的沉降值可能會偏大，出現既有結構的沉降、變形、裂縫的問題，影響地鐵運營安全，亟需引起重視。

表1 三種方法的沉降預測結果

3 工程施工加固措施

3.1 施工過程

3.1.1 施工總體部署

結合施工條件、安全要求及工期等指標，可根據工程推進順序應用噴樁機等設備實施地基加固。施工場地布置合理即可。

3.1.2 施工流程

（1）超前支護。穿越既有車站前，要先在該車站的下方進行加固，方法采取“超前深孔注漿法”，在縱向上將注漿劃分成兩次實施。第一次加固的范圍為縱向上的16 m，兩次注漿搭接范圍約2 m。所選擇的注漿漿液為水泥、水玻璃雙液漿，初始壓力維持在0.5～0.75 MPa，而后不斷調整，最終的壓力保持在1.0 MPa后停止。在整個需要加固的范圍內全部注漿后，開始鉆孔對注漿的效果進行檢驗，要所檢驗的樣本土體抗壓強度要在0.8 MPa及以上，方可證實注漿加固成功。

（2）初支施工。根據《廣州地區建筑基坑支護技術規定》（GJB02—98）等規范文件作業，初次支護中進行開挖時，選擇型鋼鋼架，沿著開挖縱向方向作業，每間隔1.5 m設置千斤頂（重量120 t），尤其是在既有車站側墻、反梁處均需設置。結束后，且初次支護封閉成環后，用千斤頂為其施加5 t的力，進一步保障其貼合嚴密。施工過程中，要嚴格根據所監測的情況來增加壓力，通常每等級均增加5 t，且加載要保持同步。型鋼的內外側要增加縱向的連接筋，并將其與相鄰的格柵間相連。初襯完成后及時進行背后注漿操作。將大斷面隧道分成左右兩個導洞，從局部來完成開挖。先在左邊的導洞上用小導管注漿，以此起到支護效果，并安排人員從不同的臺階（上、下臺階，間距約3～5 m）分別開挖，同時對相應的部位加以支護。隨后對左邊導洞下方的隧道土方進行開挖，且做好臨時支護。同樣，對右導洞上部的隧道拱部進行小導管注漿，同樣分臺階進行土體開挖。左右兩個導洞間的開挖的距離要保持15 m。操作時要注意：第一，把控好導洞開挖中線、尺寸，確保支護工具的安裝位置精準無誤。第二，強化對施工的監測工作，做好信息反饋，調整技術方案。第三，盡可能減少在局部施工的時間，以盡早完成初支階段，以防止圍巖出現變形，甚至是沉降。第四，因該流程中施工內容多，工序復雜，因而要保障各環節操作正確，且格柵鋼架的連接質量較好。

（3）平頂直墻二次襯砌。穿越既有車站的初期支護施工完成后，要注意仍然可能存在沉降的風險。為此，要借助于二次施工來控制，不僅能減少施工時間，還能確保既有車站的安全運行。二次襯砌施工要點如下：第一，將所有中隔墻自仰拱向上1 m內的混凝土進行破除，制作止水鋼板。第二，進行施工防水，并綁扎鋼筋、澆筑混凝土，盡可能保障一次性澆筑完成。第三，破除中隔板自側墻向內1 m的混凝土，同樣保留工字鋼。第四，對側墻的鋼筋進行綁扎，做好防水，并澆筑側墻的混凝土，共澆筑兩次。第五，圍繞中隔墻自頂板向下的混凝土，將1 m范圍內的均加以破除，且后續步驟同上。第六，同樣是做好防水、綁扎，澆筑工作，注意此處的澆筑要分三段進行。完成此程序后，為后續的注漿做準備。

（4）初支與二襯間注漿。首先，要進行注漿管埋設。在此環節中可選擇熱軋鋼管來注漿，由于二襯結構的厚度存在差異，因而具體注漿情況要結合實際來確定。將注漿管設置在隧道拱頂處。橫向、縱向的間距分別是3 m、4 m。完成后先進行埋設，并焊接穩固。隨后，簡單用泡沫板加以封堵，要預防澆筑時不慎堵塞注漿管。其次，注漿。當通過實驗測定混凝土的強度滿足條件（即為設計強度的75%及以上），此時可進行注漿操作。在注漿前，提前清理好泡沫板等。注漿壓力需要嚴格控制在合理范圍，以免壓力過大導致漿液濺出后浪費。初始注漿的壓力控制在0.1 MPa，最后壓力維持在0.2 MPa。最后，封堵錨管。順利完成以上幾項步驟后，可選擇用細石混凝土進行封堵，必要時可添加速凝劑來加快效率。

（5）旋噴樁加固。旋噴樁施工機械配備如表2。

表2 旋噴樁施工機械配備表

施工技術方案如下：第一，做好施工準備。第二，準備設備，調整好角度，提高儀器精度。第三，用封箱帶將噴氣孔進行包扎，開機進行鉆孔，直至和設計圖紙上的要求一致。第四，開啟后壓縮空氣、水。壓縮時壓力參數值為0.7 MPa，流量約2～3 m3/min。第五，漿液拌制、開啟、處理廢漿。漿液壓力3～5 MPa，流量70～80 L/min，噴嘴間隙2.0 mm，個數為3。第六，按既定參數將旋轉噴漿提升至樁頂。相關參數分別為：v=10～15 cm/min，r=12～14 r/min，水泥摻量720 kg/m3。加固后強度≥1.0 MPa。第七，回顧總結，排查。

（6）監控測量。監控的目的在于能夠及時了解施工過程中的風險情況，及時分析及反饋，以此來指導后續施工，確保質量及效率。合理設置監測的節點，重點監控的部位為“地表沉降”，控制值為30 mm，70%預警值為21.0 mm，80%預警值為24.0 mm。在進行隧道開挖時按照一天一次的頻率對各個監控點進行測試分析，通過數據的反映來了解對地表沉降的影響情況。最終數據顯示，累積的沉降量并未超出預警的數值，因而整體安全性能較好。

（7）注意事項。注意在上述各過程中要明確兩項要點：一方面是材料供應的保障，嚴格控制材料進貨的渠道，由工程項目管理人員嚴格把控好材料關卡，做好質量檢測。另一方面是施工中要強化環保意識，并連續對墻體的位移、沉降情況進行觀測，提供數據、追蹤調查。必要時可調整施工順序、參數或采取其他措施，以減少影響。

3.2 技術參數

采取加固措施最根本的目的在于保障地鐵工程未來的運營安全。相關技術參數總結如下：

（1）超前深孔注漿加固，加固范圍囊括了隧道兩側開挖輪廓線，底板處向下方向、縱向均加固3 m。結束后進行測定，保障無側限抗壓強度開挖面≥0.5 MPa，周邊≥1.0 MPa，靠近底板3 m范圍內，其抗壓強度要≤0.3 MPa。

（2）既有車站前、后10 m范圍內，可利用“加密格柵鋼架”“縱向連接筋”加固，以提升加固效果。

（3）開挖掌子面時增設鎖腳錨管，注入漿液加固。該過程中的壓力約為0.5 MPa。

（4）進行支護施工的前期，施工中拱部預埋背后注漿管，橫向保持間距約2 m，縱向保持3 m。形成閉環后于支護背后壓注水泥漿液，壓力控制大小同上。

（5）施工過程中要嚴格控制開挖的程序，嚴禁超過限制。

（6）在既有車站及其周圍設置監測點，在隧道開挖時適當提升監測的頻率。所監測出的數據要及時分析上報，根據結果對工程施工參數加以調節。

4 結論

（1）可利用公式經驗法、理論分析法、數值模擬法等計算出相關數據，以此預測出沉降情況。從該次研究中的表1看出，三種方法間差異較小。

（2）可采取深孔注漿、小導管注漿等方式控制沉降值，為之后的施工操作提供參考。

（3）該次工程項目采取的施工流程、方法較可行，能夠有效預測地表沉降，實現土體加固，保障了行車運營安全，可大力推行。