地铁上穿工程中既有隧道结构周围土体注浆加固范围研究

2012-07-26许有俊陶连金李文博

铁道建筑 2012年11期

许有俊，陶连金，李文博，王枫

(1.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010;2.北京工业大学，北京 100124;3.山西省交通规划勘察设计院，山西太原 030012)

新建地铁车站上穿既有地铁线路时，将不可避免地扰动其周围的土体，打破了原有的应力平衡状态。新建隧道下方的土体，正处于隧道开挖作用的卸荷区，产生了向上的卸荷附加应力场，引起新建隧道底部一定深度范围内的土体隆起变形。土体的隆起带动既有隧道产生局部纵向上浮变形及附加内力，使既有地铁隧道结构发生剪切、拉伸和扭转变形，严重者使结构破坏。造成道床变形开裂、道床脱离，两轨高差超限、单轨垂直和水平位移超限、轨道曲率超限等，从而影响既有线列车的正常、安全运营［1］。因此，在地铁上穿工程中，其核心问题就是采用合理的施工工法及抗浮工程技术措施，并根据既有线的实时动态监控量测结果，把既有线的上浮变形控制在允许的范围内，保护既有结构不发生破坏以及既有线的运营安全。

为此，通常可采取对既有地铁隧道结构周围土体预加固或抗浮锚杆等措施来抑制既有线的上浮变形。抗浮锚杆的施工工艺复杂，对小导洞的施工造成一定的干扰，影响施工的进度，其抗浮作用需要现场试验进行进一步的验证［2］。注浆加固土体的主要原理为浆液通过渗透、压密、劈裂等方式与土体相互作用，改善了岩土颗粒间的胶结作用，在使胶结力明显增大的同时，由于粒状浆液填充了土体颗粒间的孔隙，改变了其孔隙度和饱和度，改善了土体的物理力学参数，较大地提高了土体自稳能力及抗变形能力，将既有线结构的变形控制在允许的范围之内。但是，目前地铁上穿工程的实例较少，对上穿既有线的相关理论研究成果亦较少，仍处于经验探索阶段。对于既有隧道结构周围土体的合理加固范围，即加固的宽度和深度数值，主要依靠工程经验取值。因此，有必要对该问题进行深入地研究，其研究成果可为今后类似工程提供借鉴经验，完善上穿近接工程施工理论和方法。

1 工程概况

1.1 站址环境

北京地铁4号线西单站位于复兴门内大街(长安街)与宣武门内大街、西单北大街相交处十字路口的东侧，呈南北走向，与1号线西单地铁车站呈“T”字型换乘。4号线车站结构中间段为上穿1号线区间部位，长度46.8 m，采用暗挖法施工，如图1。中间暗挖段底板底面与1号线既有区间隧道结构顶净距0.5 m，地铁4号线结构顶至地面覆土层厚度约4.0 m，属于超浅埋结构。且此部分覆土层主要为人工填土，属Ⅵ级围岩，围岩稳定性极差。车站采用两个单洞马蹄型断面形式，中间设联络通道，将两个单洞断面相连。新建地铁4号线西单车站与地铁1号线区间线路平面关系如图 1［3］。

图1 4号线西单站与1号线的平面关系(单位:mm)

1.2 主要设计及施工参数

1)设计参数

单洞最大断面为9 900 mm×9 170 mm，初衬采用350 mm厚C40钢筋混凝土，二衬采用500 mm厚C50钢筋混凝土，见文献［4］的图3。

2)施工工序

新建4号线西单车站隧道采用6步CRD法施工，严格贯彻浅埋暗挖法18字方针“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”。该法是通过临时仰拱和临时中隔壁把大断面分割成小断面的方法，以时间换取空间，可有效地控制洞室的收敛，减少了开挖对周围地层的扰动，充分地体现了隧道开挖的时空效应。施工时先施作左洞，待施工顺利通过1号线上下行区间后，再施作右洞以减小对1号线区间上部土体的扰动。

3)深孔注浆加固措施

为控制既有1号线的上浮变形，从1号、3号洞室底部对结构底板与1号线区间隧道两侧土体进行注浆加固。加固范围主体结构底板下10 m，两侧6.0 m，加固土层底部到达卵石层，如图2和图3所示。同时，为减少对1号线区间单侧土层注浆时产生不平衡侧压力，要求导洞开挖25 m后再进行向下土体注浆，并尽量做到对区间结构的两侧土体同时注浆加固。

图2 地层注浆加固横剖面图(单位:mm)

图3 地层注浆加固纵剖面图(单位:mm)

采用FLAC 3D有限差分软件建立三维数值计算模型，对新建地铁车站的施工全过程进行了模拟。模型几何尺寸为100 m×60 m×50 m，夯管帷幕、小导管加固地层、新建隧道与既有隧道结构二次衬砌均采用实体单元，中隔壁采用Shell单元。注浆加固地层效果按提高加固范围内土体物理力学参数等效［4-5］。

2 合理注浆加固范围的确定

对既有隧道周围一定范围内的土层采取深孔注浆加固等措施，可提高该范围内土体的弹性基床系数，有效地控制既有结构的上浮变形。

1)注浆加固宽度不变，深度增加

加固深度从上层导洞底部算起，分8种计算工况，其中工况1表示注浆深度达到既有隧道结构顶部时的距离，工况2表示注浆加固深度达到既有隧道结构中部时的距离，工况3表示注浆加固深度达到既有隧道结构底部时的距离，工况4，工况5，工况6，工况7，工况8分别表示注浆加固深度为既有隧道结构底部以下1.5 m，2.5 m，3.5 m，4.5 m，6.5 m。加固宽度bz=6.0 m保持不变，深度hz的变化范围见表1。

表1 计算工况

由图4可知，随着加固深度的增加，既有隧道结构的上浮变形值逐渐减小。从中层导洞底部算起，当深度达到10.0 m时，既有结构的最大上浮变形值为3.94 mm，小于既有隧道结构上浮变形控制值4.0 mm。鉴于既有线的重要性，基于西单地层且认为注浆加固措施到位的前提条件下，建议对既有隧道结构的合理加固深度取13.5 m，既有注浆加固深度达到既有隧道结构的底部。在该工程中，实际的加固深度为16.0 m，既有隧道结构的最大上浮值为2.57 mm。同时，加固深度hz≥18.0 m时，对既有隧道结构的上浮变形值的控制不再起作用。

图4 不同注浆加固深度下既有隧道结构上浮变形曲线

2)深度不变，宽度增加

分7种计算工况，hz=16.0 m，宽度bz的变化范围见表2，其中工况4是西单上穿工程实际采用加固范围。由图5可知，随着加固宽度的增加，既有结构的上浮变形值逐渐减小。当1.0 m≤bz＜6.0 m时，既有隧道结构的最大上浮值由3.13 mm下降至2.57 mm;当加固宽度6.0 m≤bz≤12.0 m时，既有结构的上浮变形值由2.57 mm下降至2.36 mm，既有隧道结构最大上浮值下降缓慢。因此，鉴于既有结构的重要性，合理的加固宽度取值为6.0 m。