大断面平顶直墙暗挖通道下穿地铁变形控制研究

李 贺 李 菲 李雨株

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.北京城市副中心投资建设集团有限公司，北京 100029；3.中兵勘察设计研究院有限公司，北京 100053)

0 引言

随着城市轨道交通的日益网络化、规模化，地下通道与既有运营地铁之间的空间交叉不可避免。对于大断面平顶直墙断面暗挖通道而言，受开挖形状限制，其顶板以上的围岩无法形成有效的“拱效应”，与拱顶直墙断面相比，具有施工风险等级高、工序转换复杂、沉降控制敏感等特点[1-2]，很容易出现变形过大甚至坍塌的风险[3]，对于此类暗挖通道下穿在运营地铁结构时，更是对变形控制提出了极高的要求和挑战。李 利等[4]以某地铁站大断面暗挖平顶直墙结构密贴下穿既有线为工程背景,介绍了6导洞的洞桩+洞柱法结合的施工方案，总结了下穿过程中沉降控制关键技术，但对于多导洞浅埋暗挖法下穿既有线变形控制成套关键技术，当前工程经验积累较少。基于五棵松地下停车库工程—地下通道—中间人行通道下穿地铁1号线工程，分析了多导洞暗挖法通道下穿既有地铁结构变形规律，提出了控制既有结构变形的相关理念和措施，通过采取超前深孔注浆、初支二衬多次受力转换、动态注浆顶升、既有结构变位分配控制等措施，成功地将既有地铁结构变形控制在3 mm以内，确保了地铁的结构安全与运营安全。表明了增大弹性地基梁刚度、既有结构变位分配控制理念及上述相关措施可以有效地控制大断面平顶直墙通道下穿施工中既有结构的变形，为后续类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况及变形控制要求

1.1 工程概况

五棵松地下车库新建人行通道需垂直下穿长安街及地铁1号线五棵松站—万寿路站区间通道。地铁区间始建于20世纪60—70年代，双线双洞箱型断面，结构外轮廓尺寸9.8 m(宽)×5.9 m(高)，埋深4.05 m。

新建人行通道采用双跨平顶直墙断面型式，开挖外轮廓尺寸为11.6 m(宽)×8.3 m(高)。初期支护为350 mm厚钢格栅+C25喷射混凝土，二次衬砌外轮廓900 mm，中墙400 mm厚C40模筑防水混凝土。

通道穿过的主要土层为圆砾④层、卵石⑤层、卵石⑥层，土体松散、自稳能力较差。地下水位位于通道结构底板以下。穿越关系如图1—图3所示。

图1 新建通道穿越地铁位置平面图(单位：mm)(数据提供：北京城建设计发展集团股份有限公司)

图2 新建通道穿越地铁纵剖面图(单位：mm)(数据提供：北京城建设计发展集团股份有限公司)

图3 新建通道穿越地铁横断面图(单位：mm)(数据提供：北京城建设计发展集团股份有限公司)

1.2 变形控制要求

根据地铁既有运营线管理单位的管理要求[5]，新建结构施工中不允许对既有线采取“限速”措施，须保证下方新建通道建设时，既有线按正常行驶速度行驶。本工程对新建结构施工引起既有结构变形控制指标及标准见表1。

表1 既有地铁结构沉降控制指标 mm

2 通道下穿地铁结构变形规律分析

2.1 浅埋暗挖法施工地表变形规律

浅埋暗挖法隧道引起横向地表沉降槽符合Peck正态分布曲线。王梦恕[6]、孔 恒[7]、关宝树[8]通过长期的理论研究及实际工程认为，隧道纵轴方向地表变形分三个变形阶段：①超前变形阶段(-1.5D～-0.5D)，沉降量约占总沉降量的5%～15%；②急剧变形阶段(-0.5D～1.5D)，地表变形速率增长，加速变化，沉降量约占总沉降量的70%～85%；③收敛变形阶段(>1.5D)，变形速率缓慢，沉降量约占总沉降量的5%～10%。因此，需要根据引起这三个阶段尤其是急剧变形阶段的变形原因，分别采取相应的措施，才能有效地控制暗挖过程中的围岩变形。

在隧道纵向变形中，掌子面处的位移约为收敛值的1/3，为超前变形和掌子面围岩的挤出变形，如果能够控制掌子面前方围岩塑性区的发展，就可以极大地减少掌子面后方围岩的变形。留核心土和超前支护的方法，是维护掌子面稳定的方法之一，而补强掌子面前方围岩的方法效果更为有力，如采用超前深孔注浆加固掌子面前方围岩，可以改变围岩的性能、减小地层损失率，以达到减小变形的效果。

2.2 隧道下穿既有地铁结构变形规律

对于既有地铁，下层通道的存在，在上层通道下面构成了不均匀的地基，将可能导致上层通道产生不均匀沉降，并发生整体弯曲、横向扭剪等变形。因此，需预测既有地铁由于新建通道而引起的不均匀沉降，以确定下层通道对上层通道的影响程度，并提出有针对性的措施。

白海卫[9]、王剑晨等[10]通过搜集北京地区 10个近接下穿工程 23组数据进行分析，得到变形缝之间的既有地下结构受到近距离下穿施工扰动，呈现刚体位移特征，以沉降为主，多个块体组合后整体则呈现“柔性”特征，符合Peck 曲线变形规律。

因此，可以充分利用既有地铁结构“刚体”的性质[11]，通过对既有地铁结构下方土体的加固或者新建通道结构的有效支撑作用，可有效控制整体变形。

3 通道既有地铁结构变形控制措施

基于以上分析，结合北京五棵松地下停车库中间人行通道下穿地铁1号线区间工程特点，提出了超前预注浆加固、优化初支二衬的受力转换及施工步骤、动态注浆顶升等措施。

3.1 超前深孔注浆加固

(1)超前深孔注浆

新建通道位于砂卵石地层，自稳性差，开挖极易造成影响范围内围岩松弛。拟通过对通道掌子面及周圈土层进行超前深孔注浆，以改善围岩性质，提高围岩自稳能力及承载力，并减小土体后期固结变形，进而减小上方既有结构变形。

本工程对新建通道下穿地铁结构段采取了超前深孔注浆加固方法：在通道开挖至地铁结构前5 m的位置对通道掌子面及周圈进行全断面深孔注浆，注浆范围为沿通道纵向地铁通道前后各5 m，横断面为通道侧墙外3 m，底部以下2 m，顶部以上直至地铁底板(约2.8 m)，如图4所示。注浆后要求掌子面范围的加固土体无侧限抗压强度≥0.5 MPa、初支轮廓外≥1.2 MPa。根据注浆工艺试验确定采用φ110 mm×8 mm无缝钢管，注浆浆液采用水泥浆。

图4 注浆加固横断面图(单位：mm)(数据提供：北京城建设计发展集团股份有限公司)

(2)注浆试验

注浆加固是通道下穿施工过程中控制地铁结构变形的关键步骤，为达到注浆效果，需在在土体注浆加固施工前进行注浆工艺试验。

通过长达54 d的注浆试验，获得了砂卵石地层注浆施工的关键参数和工艺，用于指导注浆施工：①砂卵石地层长管注浆成孔长度、成孔效率；②砂卵石地层中不同注浆压力对应的浆液扩散半径；③不同位置注浆浆液选型及配比；④不同浆液、不同压力对应加固体胶结情况及强度；⑤注浆过程中对周围土体的扰动程度；⑥水平管与斜管注浆的施工难易及注浆效果对比；⑦砂卵石地层长管注浆整体施工总结。在此基础上，优化了注浆设计中的注浆管、注浆压力和扩散半径等内容。

(3)深孔注浆的补充措施

本工程深孔注浆单次注浆长度达21 m，极易出现局部注浆不均匀的情况，且平顶直墙结构断面顶部开挖土体自稳能力差，沉降控制难，故考虑在通道顶部打设超前小导管，对长管注浆加固区土体进行补充注浆。同时在施工过程中如果发现注浆效果不理想的部位，径向打设小导管进行补充注浆。

3.2 优化通道受力转换及施工步序

(1)围岩与初期支护的受力转换

从围岩初始应力状态到通道开挖后围岩与初期支护共同作用形成承载体系，即完成了围岩与初支之间的受力转换。本工程平顶直墙顶板上方地层主要为无水砂卵石地层，地层松散，对围岩变形的控制尤为不利，除了超前注浆加固，还采取了以下措施：

①多导洞开挖，格栅与型钢组合初支：由于新建通道断面尺寸较大，甚至大于既有地铁结构，考虑分六导洞开挖，减小每个导洞的开挖面积，另外，采用格栅与型钢的组合初支，两道中隔壁采用工25b的型钢支撑，增大支护的整体刚度，从而减小围岩及既有结构的变形(见图5)。

图5 通道初支导洞划分示意图(单位：mm)(数据提供：北京城建设计发展集团股份有限公司)

②初支背后反复回填注浆：砂卵石开挖过程中容易出现超挖及部分地层塌落，且由于喷射混凝土工艺及自重等原因，初支喷射完毕后与地层会有较大的空隙。在初支背后预埋φ32 mm回填注浆管，间距3 m，梅花形布置，采用多次反复注浆的方式对初支背后空隙进行注浆。根据浅埋暗挖法强支护、早封闭的原则， 第一次背后回填注浆应该在初支混凝土喷射完成后较短时间内进行，以快速填充初支背后空隙为主要目的，浆液以水泥浆为主。随着初支施工进行，根据既有结构沉降情况，对已形成的初支进行多次反复回填注浆，目的在于及时填充初支背后细小空隙。

(2)初支与二衬的受力转换

多导洞通道开挖，初期支护封闭后，围岩会进行应力重分布，初期支护与围岩发挥协同作用，共同形成新的应力平衡状态。然而浇筑二衬时，需要拆除各导洞之间的中隔壁和中隔板等，新建通道支护结构刚度的突然下降势必会对围岩进行再一次的扰动。在围岩松弛过程中，尤其是大断面的平顶直墙断面的顶板很可能会承受不住松弛围岩的荷载，从而导致顶板以上土体变形过大甚至结构失稳。因此，如何优化初支和二衬之间进行受力转换过程，是保证上方既有地铁结构变形以及通道本身安全的关键。

本工程中，将初支和二衬的受力转换分为两次(见图6)。一次是中间两导洞开挖完成后，直接浇筑顶、底板和中柱，对初支和上方既有结构形成有效的支撑作用，增大弹性地基梁的刚度，减小既有结构的变形。同时，也为同步注浆顶升提供了良好的刚性条件。第二次是所有导洞开挖完成后，不再破除初支的中隔壁，而是直接敷设防水层，浇筑二衬结构，待二衬强度发挥作用后，再切除多余的初支中隔壁结构。这样就可以避免因拆撑导致的变形及失稳，最大程度上减小上方既有结构的变形。

图6 受力转换示意图(数据提供：北京城建设计发展集团股份有限公司)

为顺利实现初支和二衬间受力转换，兼考虑顶、底板防水问题，将两道中隔壁由钢格栅换为工25b的型钢。

3.3 动态顶升注浆措施

本工程整个施工过程动态控制，动态监测，并实施同步注浆顶升。通过分阶段注浆将变形控制分为两个阶段：先期注浆抬升阶段，同步顶升注浆控制变形阶段。并根据有限元计算结果及工程经验，制定既有结构分步变形控制指标，实行变位控制。

根据浅埋暗挖法施工“勤量测、速反馈”的指导思想，由第三方监测单位对地铁结构沉降、轨道结构变形等进行24 h不间断自动化监控量测，每45 min提取一次数据。施工过程中如发现监测数据值过大，为确保沉降在可控范围内，即对通道周围土体进行顶升注浆。注浆管布设纵向间距1.5 m，顶板、侧墙及仰拱各布设2根，注浆浆液采用水泥浆，注浆压力控制在3 MPa以内，根据地铁自动化监测数据进行多次注浆，动态调整。使得动态顶升注浆成为实现变位控制的重要手段，以保证地铁结构的安全及正常运营。

4 变形控制效果及分析

根据第三方监测单位为期2年的自动化和人工监测结果，新建通道施工引起的既有地铁结构变形始终位于控制值范围内，最大沉降变形为1.9 mm，最大上浮变形为0.9 mm。分别就初支施工完成(2015-01-26)、二衬施工完成(2015-04-27)、变形稳定(2016-04-27)三个阶段，取既有地铁结构沿纵向的变形值绘制曲线如图7所示，实际变形趋势与有限元预测基本一致，取既有地铁结构底板变形监测值做出变形时程曲线如图8所示。

图7 既有地铁区间通道竖向变形曲线图

图8 既有地铁区间通道竖向变形时程曲线图

从上述变形曲线可见，既有地铁结构以新建通道为中心形成了一个沉降槽，以变形缝之间的地铁结构呈现了刚体位移特征，产生了一定的纵向转动，而多个块体组合后整体则呈现“柔性”特征，符合Peck 曲线变形规律。

超前注浆使得地铁结构产生了一定的上浮，最大上浮值为1.0 mm；从开挖导洞开始，沉降值不断增大直至初支完成，最大沉降值为1.9 mm，变化值为2.9 mm，说明超前深孔注浆加固、六导洞开挖以及中导洞二衬先期施作及动态注浆顶升的措施有效地控制了地铁结构的变形。

初支和二衬的受力转换期间既有地铁结构产生了少量上浮变形，变化值为0.7 mm，由此可见，初支、二衬之间受力转换以及动态注浆顶升的措施，不但控制了初支拆撑对既有地铁结构的变形影响，而且通过同步注浆顶升的方式缩小了变形。

最终变形稳定在1.6 mm，与二衬施工完成后变形值相差无几。新建通道在二衬完成后，即完成了通道支护与围岩的受力转换，形成了稳固的共同支撑体系，注浆加固后的围岩其蠕变及固结变形得到有效遏制。

最终实践证明，本工程采取的超前深孔注浆、通道受力转换及动态注浆顶升等措施在保证施工顺利安全的前提下，有效控制了既有地铁结构的变形，确保了北京地铁1号线的结构安全及正常运营。

5 结论

(1)全断面及周圈超前深孔注浆加固土体技术措施对于提高大断面新建通道初期支护及围岩的稳定性效果显著。

(2)对于大断面平顶直墙结构下穿施工，超前深孔注浆加固一次性注浆长度较长时，在开挖时对拱顶部位宜采用加强辅助工法措施，如打设超前小导管补充注浆加固土体，作为深孔注浆效果的补充措施。

(3)大断面平顶直墙结构下穿通道结构施工应注意初支背后回填注浆，并根据监控量测数据反复补浆。下穿施工过程中宜根据监控量测信息采取动态顶升注浆措施，确保既有通道结构沉降变形不超过警戒值。

(4)大断面平顶直墙结构下穿既有地铁结构采用CRD法施工时，为了有效控制变形，需要对施工顺序进行优化，特别是二衬浇筑的顺序，中隔壁可以采用型钢支撑，做好防水措施，浇筑二衬时不拆撑，二衬浇筑完成后直接割除，可以有效控制初支拆撑导致的地铁沉降。