结合工程实例谈地铁区间下穿高速公路路基的沉降控制技术

高建强，孟鑫垒，谢 晖

（1、广东建科建设咨询有限公司 广州510500；2、中国中铁四局集团有限公司 合肥230051）

0 引言

随着我国地铁建设规模的不断加大，各大城市地铁网不断加密和向城市周边延伸，地铁区间下穿的环境也呈现多样化的发展趋势，如地铁区间下穿重要建（构）筑物、高铁、既有地铁、铁路或高速公路、河道等。地铁区间在下穿不同环境时，关键控制的重点就是采取措施减弱对穿越地层的挠动影响，以及将地面的沉降量控制在一定范围［1，2］。

在地铁区间下穿高速公路路基段时，首先需要考虑的是如何保证高速公路的正常通行不受影响，即把地面的沉降控制在合理范围内。本文结合工程实例对地铁区间下穿高速公路路基控制沉降的综合技术进行研究及分析，再以工程施工实例进行效果验证。

1 工程实例

广州地铁13 号线温～东区间暗挖段，区间左右线长度约为970 m。隧道下穿高速公路，左线里程ZDK54+555～ZDK54+655，下穿长度100 m，右线里程YDK54+574～YDK54+664，下穿长度90 m，隧道开挖边线距离高速公路0#台桩中线为1.55 m。具体位置关系如图1所示。

图1 桩基与隧道的位置关系Fig.1 Position Relationship between Pile Foundation and Tunnel （m）

区间下穿高速段围岩地质级别以Ⅳ～Ⅴ级为主，主要位于中风化混合花岗岩层中，个别拱顶部位于强风化层，最大拱顶部埋深达14.0 m。地下水类型以基岩裂隙水为主，地层分布较连续，围岩地质水质属弱～中等透水性地层，且具有微承压性。下穿段地下水埋深在1.80～5.80 m之间，常水位标高为3.8～9.7 m。地质纵断面情况如图2所示。

图2 地质纵断面Fig.2 Geological Profile

2 综合技术措施

工程项目区间下穿高速公路路基段（部分位于桥台段）对地面沉降要求高，穿越地层为强～中风化花岗岩层且地下水较丰富，工程设计采用矿山法进行施工，为保证区间顺利下穿通过，采用综合技术措施如下：

2.1 采用系统性的加固措施

针对区间地质特点及地面沉降需求，研发出一套“预加固、强扩散、补周边、再背后”的系统加固方案，对区间的掌子面及围岩进行加固。该加固方案基于传统的前进式注浆，通过对注浆参数进行合理优化增加了其扩散性，以达到对区间周边施工影响区范围全方位的加固，在区间下穿范围前后及桥台部分等有条件的部位进行袖阀管预注浆，在区间掘进的同时利用洞内超前小导管和边墙注浆锚管电动注浆，最后对初支进行及时的背后二次注浆［3-7］。

2.1.1 地面预注浆加固

隧道右线开挖边线距离高速公路0#台桩中线为1.55 m，为保证隧道下穿高速公路时桥台的稳定性，需要对桥台处采用袖阀管预注浆加固，具体加固区域情况如图3所示。

图3 高速路桥台加固位置示意Fig.3 Schematic of Reinforcement Location of Expressway Sbutment

袖阀管预注浆材料采用P.O42.5R普硅水泥（早强型），浆液灌注原则为先灌注低浓度浆液再灌注高浓度浆液，并随灌注压力及注浆量逐渐调整浆液的水灰比。开环注浆压力控制在0.35 MPa 左右。正常注浆时，注浆压力在0.4～0.8 MPa之间，最高不得超过1.0 MPa。

注浆时，浆液通过对土层的渗透、襞裂作用，充填封闭土层中的裂隙、空洞，固结土层中水分，改善地下土层的性质，从而提高土层的承载力、防渗性能，增强土层的稳定性，以达到加固的目的。

2.1.2 洞内加强型前进式深孔注浆预加固

在洞内进行预加固采用前进式深孔注浆工艺，对区间掌子面的上半部分进行加固，施工程序为：先在首次开挖的掌子面施做止浆墙，采用20 cm 厚的喷射混凝土作为止浆墙，待止浆墙混凝土达到强度后，在墙上钻孔安装直径108 mm 的孔口管，以孔口管为导向分段进行钻注浆孔及灌注浆液。为增加注浆效果，每次钻注深度控制在1 m 左右，单孔循环进尺控制在6～8 m，并根据地质变化情况实时调整。钻注孔在掌子面上按由外向内的顺序进行施工，直到完成全部注浆加固作业［8］。

前进式深孔注浆是由掌子面外侧孔向内侧孔循环反复跟进向前钻进和注浆，从而保证了钻进作业及注浆工作均在已加固的土体内进行（首次钻注施工除外），有效保证了成孔的质量及施工安全，并且对控制开挖面的涌水起到堵断作用，同时每一次注浆均对上一次的钻孔注浆区域有复注和加强的作用，保证了注浆效果的良好。

上台阶前进式注浆布孔32 个，具体布置如图4 所示。施工前按照注浆先后顺序对每个注浆孔进行编号管理，注浆原则是先外圈，再内圈，且做到跳孔施工。为保证注浆浆液能够扩散到开挖轮廓线3.5 m 以外，施工中应严格控制注浆液的配合比，同时采用注浆压力及注浆量双控的形式进行加固质量控制。

图4 加强型前进式注浆布孔Fig.4 Hole Pattern of Reinforced Forward Grouting

注浆浆液采用水泥浆单液浆与水泥浆-水玻璃双液浆，单液浆采用水泥浆液配合比为1∶1，水泥浆-水玻璃双液浆采用波美度为40 的水玻璃加水按1∶1 稀释后使用，双液浆配合比为水泥浆与水玻璃稀释液1∶1，混合后的凝固时间设计为20 s 左右。注浆管直径108 mm，间距按设计进行布置。当注浆量及注浆压力达标时即可开始进行钻注其他孔位。

注浆结束后，对注浆效果进行检测。采用取芯机对前方加固体进行取芯检查，如果芯样拌合有大量浆液，说明已达到加固效果。如果所取芯样没有浆液，则这个地方需要继续注浆加固。

单一循环的深孔注浆长度控制在6～8 m，现场每循环累计掘进长度5 m，保留1～3 m作止浆段。

2.1.3 周边孔注浆及二次注浆加固

地面预加固完成后，区间围岩为强风化混合花岗岩时采用环形台阶法形式进行区间开挖［9］，上台阶每次进尺按0.6～0.8 m、下台阶按1.0 m 进行开挖，为保证开挖后掌子面的稳定。边墙及拱顶部分预埋φ32注浆锚管进行加固，锚管设计长度3.5 m，设计间距0.8 m×0.6 m，钻孔深度及角度达到标准后，开始安装锚管，并采用电动注浆机灌注水灰比为1∶1 的水泥浆液，施工注浆压力应事先通过试验确定，一般情况下按注浆量和注浆压力进行双控，当单管注浆量及注浆压力达到设计要求时结束注浆。如果注浆压力已达设计要求且不少于20 min，注浆量仍未达设计要求，也可以结束本次注浆，但要保证锚管孔浆液充填饱满。

每完成3 个循环尺（约25 m）的开挖，对区间隧道进行二次补注浆进行加固以保证后期沉降的稳定。注浆材料采用水灰比为1∶1 的水泥浆液，注浆效果为采用雷达扫描无空洞。

2.2 其他安全辅助措施

2.2.1 超前地质预报

现场采用地质雷达进行超前地质预报。地质雷达预报是采用无线电波来检测探测介质分布，同时对不可见目标体及探测界面进行扫描，用以确定被检测体的内部结构形态及检测位置的电磁技术。地质雷达预报的工作原理是以高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经过目标体反射或透射，被接收天线所接收。

每个掌子面每次可预测30 m范围内的地质情况。

2.2.2 超前地质钻孔

当开挖爆破和支护完成后，进行超前地质钻探，通过对钻孔的资料分析，充分掌握前方地质体的特点和地质信息参数，通过相应的施工方法的调整，达到施工安全的目的。

超前钻探是比较成熟的技术，主要采用凿岩机对未开挖岩体进行钻探。通过钻速、钻进压力、扭距等参数判断前方岩体的特性，并且在孔口处可以进行有害气体的监测。

超前探孔主要用于中期地质预报，主要用于超前5 m 的预报，超前探孔位置为拱顶及两腰各1点共3个点，施工中钻探孔眼的数量、位置根据其他预测方法的预测结果，视情况适当增减。

2.2.3 地质素描

地质素描是在隧道掘进时根据围岩的节理产状确定不稳定块体出露位置。常用的地质素描预测法有岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法3种。

在矿山法施工中，由地质工程师在每次爆破后进行地质素描工作，工作内容为对开挖掌子面正面及侧面的稳定状态、岩性风化程度、岩层产状、节理裂隙发育程度、施工喷射混凝土质量、掌子面的涌水情况、水质特征、隧道内的不良气体浓度等。同时对地表的水文情况进行定期观测、监测并记录，并与设计及地勘资料进行对比分析，最终形成掌子面的地质素描图和隧道洞身地质展示图［10，11］。

对开挖面的涌水量进行测量，对其水质进行及时的分析和检验，把检验结果与地质水文资料进行对比和分析，对检验结果中出现影响隧道衬砌结构的不良水质情况提出处理措施或意见，形成书面报告，上报项目技术负责人，以及时采取有效的防护措施。

2.2.4 监控量测

区间下穿高速公路部分沉降控制为重中之重，因此监控量测工作尤为重要，监测点主要为高速公路地表沉降点（布置于公路路肩及中间分隔带上）、水位沉降监测点、拱顶沉降点、洞内水平收敛位移点、周边建筑物控制点、周边建筑物倾斜观测点，具体监测频率及控制值如表1所示。

表1 监控量测项目、频率及控制值Tab.1 Monitoring Measurement Items，Frequency and Control Value

3 工程应用效果

地铁区间下穿高速公路路基的沉降控制技术成功应用于广州地铁13 号线温～东区间矿山法段，通过对区间暗挖过高速公路建（构）筑物沉降监测结果进行分析，沉降数据如图5所示。

由图5数据可以看到，施工过程中拱顶沉降、收敛均远小于设计及规范要求控制值。桥墩上的沉降点一直较小且较为稳定，左线路面沉降点也一直较小且较为稳定，右线在下穿期间沉降相对较大，最大处为A012 点，最大沉降值为-13.9 mm，小于限值-20 mm。加固处理取得了良好的效果。

图5 沉降控制点沉降情况Fig.5 Settlement Situation of Settlement Control Points

4 结论

暗挖区间下穿高速路路基段施工时，采用以“预加固、强扩散、补周边、再背后”的系统加固措施，配合环形台阶法施工工法，能有效地控制地面沉降，结合洞内与地面监测数据的及时反馈，能有效地保证地铁矿山法区间隧道下穿高速公路路基段施工的安全性，避免地层扰动、地下水流失等因素对高速公路的不利影响，从而达到在不影响高速公路正常通车的情况下，安全按期并保证施工质量的完成下穿区间掘进的效果。