暗挖隧道下穿既有车站的深孔注浆及保护措施

2014-02-13李媛

都市快轨交通 2014年5期

李媛

(中铁十六局集团有限公司北京100023)

随着地铁施工深度及广度的加大，为了不影响原既有线的正常运营，新建线路与既有线路势必会出现邻近、侧穿或下穿等复杂情况，由于既有线路运营所产生的振动会影响到新建线路周围土体的稳定，对新建线路的施工产生安全隐患。因此，为了不影响新建线路的开挖和既有线路的运行安全，在新建隧道施工前要对隧道周围土体进行预加固。

北京地铁7号线是北京市政府规划投资的一条城市地铁，直接疏散了北京西站向东的客流量，同时方便了南城和两广路上居民的出行，还缓解了1号线的交通压力，有效地连接了南三环与北京西站，带动了这一区域的经济发展，成为北京交通建设中不可缺少的一条地铁线。其中，崇文三里河站—磁器口站区间(以下简称“崇-磁区间”)东侧下穿既有5号线磁器口站。施工时，为了不影响既有5号线磁器口站的正常运营，未打设相应的降水井进行施工降水，区间结构处于一层层间潜水中，且地层透水性较好。两条地铁线结构距离最近处仅有0.5 m，属于新建7号线的特级风险源。因此，正确做好隧道开挖前地层的超前注浆加固，并对既有线路和新建线路制定行之有效的保护措施，是保证新建结构与既有结构安全的关键。

1 工程概况

1.1 设计概况

北京地铁既有5号线磁器口车站宽21.874 m，呈南北走向，崇—磁区间呈东西走向。区间结构与既有线地铁站结构最近处为0.548 m，下穿段长35.3 m。左线经过8.357 m正式下穿既有磁器口站，右线经过8.057 m正式下穿既有磁器口站，具体如图1所示。

图1 区间正线与既有5号线的纵剖面

1.2 周边环境

磁器口车站位于两广大街和崇文门外大街交叉口处，地处北京二环内繁华地段，周围商业、居民区众多。车流、人流密集，尤其早晚上下班高峰期的路面车辆更加密集，人员流动量很大。

1.3 水文地质条件

既有5号线磁器口车站埋深约10.12 m，区间隧道埋深约26 m，主要穿越卵石、中粗砂、粉质黏土和粉土。地下水类型为层间潜水(三)，含水层主要为卵石⑦层，透水性好。静止水位标高为20.53～22.18 m，水位埋深为20.53～20.8 m，地下水分布连续，含水层渗透系数大，为强透水层。

1.4 风险源

该施工区域路面下方雨污水、燃气、热力等管线密度大，走向多样且埋设深浅不一。区间下穿段的风险源见表1所示。

表1 风险源统计

2 深孔注浆施工技术

近年来，随着各类隧道、地下洞室、地铁施工的开展，周围岩石、土体所产生的压力对新建结构开挖施工的安全造成了很大影响。注浆施工作为各类地下建筑物施工的辅助措施，不仅很好地起到了加固地层、保证开挖安全的作用，而且具有经济效益高、可行性强等诸多优点，在近年来的地下工程施工中得到了广泛应用。崇—磁区间下穿既有磁器口车站段的开挖采用预留核心土台阶法施工，既有车站运营所产生的振动会对周围土体造成影响，从而改变土体自身的稳定，尤其是区间结构与既有车站结构最近处仅为0.548 m，新建结构开挖施工时会对既有线和新建线结构造成安全隐患，严重时还会发生重大塌方。因此，为了保证区间隧道开挖的安全可靠，在正式进入下穿段之前，需对既有地铁5号线下方土体进行超前深孔注浆加固，达到加固土体的目的，从而加强地层的自稳能力，使新建线路能安全开挖，从而下穿既有车站。

2.1 注浆范围

深孔注浆加固范围为新建隧道两侧开挖轮廓线各外扩3 m、底板向下延伸3 m，纵向加固长度约35 m。注浆浆液底板以上采用超细水泥浆，底板以下为普通水泥浆。注浆压力控制在0.3～0.5 MPa，同时保证距离底板2 m范围内注浆压力不得超过0.3 MPa。注浆范围如图2所示。

图2 深孔注浆加固范围

2.2 注浆管布置

深孔注浆管在开始部位的掌子面按扇形布置，沿环向布置孔位，各排孔布置钻孔角度为:周边环向布孔向上倾角0～12°，深孔注浆管的间距应保证孔的末端间距控制在1 m范围内，并保证各断面拱部注浆范围达到设计要求(见图3～5)。

图3 注浆孔布置横剖面

2.3 注浆工艺

注浆均采用双重管注浆工艺，采用后退式间隔钻孔注浆，每循环注浆长度为12 m，并在端头处设置2 m宽的止浆墙。单次加固分两循环，第1次对底板以上进行加固，第2次对底板以下进行加固，施工流程见图6。

为了保证注浆效果，施工过程中要注意的是:当隧道开挖至注浆加固范围前2 m位置时停止开挖作业，封闭掌子面，施作止浆墙。止浆墙厚度为250 mm，采用格栅喷射混凝土封闭形成，格栅间距为500 mm;布设注浆孔位，按设计要求布设钻孔，控制好钻孔角度，确保注浆范围及注浆效果;注浆浆液下穿段采用超细水泥浆，若该地层位于富水段采用水泥-水玻璃双液浆，采用注浆压力和注浆总量双控制原则，以保证注浆质量;双液浆配比为:水玻璃浓度由40Be’稀释到20Be’，水泥浆水灰比W/C=0.75～1，水泥浆∶水玻璃=1∶0.5～1∶1(体积比);注浆后无侧限抗压强度，开挖面不小于0.5 MPa，周边不小于1.0 MPa，靠近既有线底板时注浆压力不大于0.3 MPa，如深孔注浆效果未达到设计要求，可增加设置小导管补充注浆。

图4 注浆孔布置平剖面

图5 注浆孔布置纵剖面

图6 注浆工艺流程

3 力学计算

针对采用的深孔注浆方案，对区间隧道施工过程中既有车站产生的影响进行数值模拟分析，不仅能达到验证深孔注浆效果的目的，同时有利于提前采取保护措施，确保新建隧道施工和既有车站的运营安全。

本次计算采用FLAC3D中“地层-结构”模型进行力学模拟计算。模拟区域为沿新建地铁线路方向长度102 m，深度51.5 m，宽度取新建隧道结构外两侧大于3倍洞半径(63 m)。其中，岩土体及注浆区域采取摩尔库伦弹塑性本构模型，混凝土构件采用弹性本构模型，地铁车站初衬及下穿隧道临时仰拱采用壳单元。数值计算模型如图7所示。

图7 新建隧道下穿既有车站数值计算模型

设计要求地表沉降累计值不大于3 mm，从图8的位移矢量计算图得知，在新建隧道开挖过程中，位移沉降最大的部位位于车站中心位置，为2.9 mm。因此，注浆后再进行施工，虽然对既有车站有一定的影响，但最大沉降值在设计要求范围内，说明按本文提到的深孔注浆是满足沉降要求的。

图8 位移矢量计算

4 保护措施

新建线路在下穿既有线施工过程中，采取了深孔注浆以达到加固地层的目的，通过数值模拟看出沉降在控制值范围内，但是为了确保下穿既有线的施工安全，针对新建线路周边风险源，既有5号线提前制定了保护措施，以达到万无一失的目的。

4.1 针对风险源的保护措施

针对该施工区域路面下方的热力方沟、污水管、雨水管线，采取的保护措施是:根据地质勘查报告及掌子面地质揭露情况，分析前方地质状况，进行地质预报;加强地质超前探测，遇到空洞提前处理;在开挖过程中遇到地表及建筑物沉降，及时采取回填注浆等加强措施;对左右线施工严格保持施工步距;对隧道开挖过程，严格做好超前注浆措施，提前加固前方地层;及时施作初支背后回填注浆，在施工过程中根据沉降情况可进行多次补注浆，在注浆过程中应对附近管线处的压力进行控制及保护;加强过程监测，加大沉降及收敛观测频率，及时掌握风险源的变化趋势，以便动态管理，采取对应措施;采用台阶法施工，上、下断面台阶长度宜控制在15 m左右;在开挖前应采取超前预支护和预加固措施，做到预加固、开挖、支护三环节紧密衔接，当地层自稳能力差或开挖工作面停工时间较长时，采取增加临时仰拱、喷砼封闭掌子面等辅助施工措施;区间隧道不得欠挖，对意外出现的超挖或塌方应采用喷砼回填密实，并及时进行背后回填注浆;在开挖过程中必须加强监控量测，当发现拱顶、拱脚和边墙位移速率值超过设计允许值或出现突变时，应及时增加临时支撑或仰拱，形成封闭环，控制位移和变形;临时仰拱每段拆除的长度不大于8 m，相邻二衬养护完成达到强度设计值的80%后方可拆除下段临时仰拱。

4.2 对既有5号线的保护措施

1)针对5号线的施工准备。在施工前，检查受影响地段轨道，对线路状态不满足标准的地段，应提前做好维修工作以达到要求。同时，对既有5号线轨道几何尺寸、道床裂缝进行全面检查并备案。受影响段正线每股钢轨内侧安装防脱护轨，在受影响地段起终点设置无缝线路位移观测桩。

在新建隧道开始施工直至地铁结构变形稳定期间，根据变形情况及时对轨道结构进行调整，使线路状态始终满足地铁施工标准的要求。新建隧道施工一般不会引起较大道床开裂和道床与结构间的剥离。如在施工过程中，道床开裂和道床结构的剥离超过3 mm时应及时整治，对0.3 mm以上的裂缝进行修补。结合类似经验，对道床裂缝采用磨细超流态CGM灌浆料进行填充，使浆料粒径不大于0.3 mm，采用无压灌注法，使灌浆材料2 h后必须达到C15强度等级，并在通车前2 h内施工完毕。灌注部位及工程量测在现场确定，检验措施可采用试块和取芯相结合的办法。

2)减少底板沉降的措施。采用深孔注浆，注浆时可适当加大注浆压力和注浆量，主动控制其沉降;采用台阶法+临时仰拱法施工，开挖各导洞时采用预留核心土的方法，并在上导洞每榀格栅两侧拱脚节点处打设2根D25、长2.5 m的锁脚锚管，主动控制其沉降，这个施工方法与同类施工方法相比，沉降量一般，工期短，可以较快地完成初支，及时封闭，减少不均匀沉降量;临时仰拱每段拆除的长度不大于8 m;初支封闭成环后，需及时进行拱部及侧墙背后的回填注浆，以减少沉降;区间下穿既有5号线车站时要连续施工，无特殊情况时不得中断施工;隧道开挖时，开挖尺寸为1榀格栅钢架间距，严禁多榀开挖，防止沉降。

3)扣轨的保护。在扣轨两侧设置护轨，防止施工造成轨距过大，影响线路的正常运营;采用纵横梁扣轨加固技术对轨道结构进行加固，最大限度地增强线路的整体稳定性，保证列车运营的绝对安全;施工过程中在严密监测地表沉降变化的情况下，提前完成降水施工，消除由于过量沉降引起的轨道线路不平顺;当施工中没有遇到如沉降过大、突发涌水等突发情况时，不得中断施工，防止产生不均匀沉降;在隧道开挖时，开挖尺寸为1榀格栅钢架间距，严禁多榀开挖，防止沉降。

4)运营单位的配合。为了保证下穿既有5号线磁器口车站的施工安全，需运营单位积极配合，指派专人结合地铁的运营对既有线进行日常监测，及时分析数据采取减速或停运措施，以保证既有线的安全。