四线隧道密贴下穿既有地铁车站注浆加固圆砾石地层效果研究

2020-12-23寇鼎涛高太平闫建龙申健昊李昊炎沈宇鹏

铁道标准设计 2020年12期

寇鼎涛，高太平，闫建龙，申健昊，李刚，李昊炎，沈宇鹏

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068； 2.城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室，北京 100068； 3.中铁四局集团有限公司第三建设有限公司，天津 300011； 4.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

引言

近年来，随着我国城市轨道交通的飞速发展，各大城市掀起了大规模开发利用地下空间的热潮，不可避免地出现穿越城市轨道交通既有线的工程[1]。北京市2050年的地铁线网规划中，地铁车站、区间隧道等结构的交错节点更是高达118个[2]。穿越工程施工过程中，极易对周围土体造成扰动而导致既有轨道结构不平顺、既有车站产生沉降变形而降低乘客舒适性，严重时还会影响既有线的正常运营[3]。本工程新建隧道周围土体为北京地区典型的卵石圆砾地层，其埋深较浅、卵石分布随机、粒径较大、黏聚力几乎为零[4]，采取有效措施加固地层是十分必要的。

采用一系列措施如选用合理的隧道开挖工法、在既有车站下方布置预埋桩基、千斤顶顶撑、注浆加固等，可以有效控制既有结构的沉降变形[5-8]。其中，注浆加固由于其材料具有速凝早强、流动性好、强度较高等优点而在下穿工程中使用较多[9]。

近年来，相关学者对于注浆加固在下穿工程中的应用开展了大量的研究。钟可等[10]依托实际工程，对不加固、超前管棚加固、地表注浆加固、MJS工法加固等多种方案进行数值模拟，结果表明，采用MJS工法是十分必要和可行的。陈城等[11]以北京某下穿工程为背景，采用现场实测和数值模拟的方法对不同水位下的注浆方案进行分析，对注浆加固方案进行了优化。鉴于砂卵石地层为典型的不稳定地层，易受到扰动，曹瑞琅等[12]以北京某砂卵石地层下穿工程为背景，对超前管棚和深孔注浆复合支护进行了数值模拟，得到了该方案下的地层、隧道支护的变形特征。沈宇鹏等[13]以某铁路线下框架桥顶进工程为研究对象，通过现场监测和数值模拟得到不同注浆强度下既有路基的沉降变形特征。

目前，对于注浆加固在地铁下穿工程中的研究已取得很大进展，但研究对象大多是卵石地层中的盾构隧道下穿既有结构，且新建隧道大多是单线及双线。对于注浆加固在浅埋暗挖隧道长距离、大面积下穿既有结构中的应用研究相对较少，有必要对此类工程实例进行深入研究。

以北京地铁19号线四线隧道密贴下穿既有4号线新宫站为工程背景，采用现场监测和仿真计算方法，提出不同注浆加固范围及强度下既有结构的沉降变形特征。同时，在控制既有结构沉降变形的前提下，结合工程经济合理的要求，探讨下穿施工过程中的合理注浆加固范围。

1 工程概况

北京地铁19号线新发地站至新宫站四线隧道下穿既有4号线新宫站项目，区间正线为大断面平顶直墙隧道，下穿距离长达47 m。正线区间在中间，开挖宽度13.5 m，高度8.46 m。出入段线分布两侧，均为马蹄形断面，开挖宽度7.07 m，高度7.08 m。下穿段B型隧道拱顶与既有车站底板最小净距约0.22 m。下穿工程平面示意如图1所示。

图1 下穿工程平面示意

本工程区间正线隧道共有A、B、C三种断面形式，下穿段B型隧道断面图如图2所示。

图2 B型隧道断面(单位：mm)

既有4号线新宫站为地下双层明挖五柱六跨框架结构，2010年底投入运营。车站总宽度为40.9 m，总长度360.15 m(仅对下穿影响范围之间部分进行分析)，底板埋深16.58 m，顶板平均覆土厚度3.2 m。下穿影响范围内新宫站标准段宽40.9 m，高13.11 m，顶板厚700 mm，中楼板厚400 mm，侧墙厚700 mm，底板厚800 mm，既有站柱截面尺寸为1 000 mm×700 mm，下穿段横断面如图3所示。

图3 下穿段横断面

本工程所处区域为北京市典型的上软下硬地层，下穿范围内自上而下分布着杂填土、粉质黏土、粉细砂、卵石圆砾等地层。新建隧道洞身周围主要是卵石圆砾地层，而卵石圆砾极易受到扰动而使既有结构产生较大沉降。为在下穿过程中确保既有结构的沉降变形不超过一定的限值，在隧道开挖前对隧道轮廓线外一定范围内地层进行全断面后退式深孔注浆预加固。根据相关的地质勘察报告，本工程不考虑地下水位的影响。

2 下穿圆砾地层注浆工艺及参数设计

下穿段卵石圆砾地层具有孔隙率大、孔隙具有贯穿性的特点，采用全断面后退式深孔注浆技术对其进行加固。为确保浆液的扩散区域以及注浆材料在地层中具有良好的胶凝性[14]，注浆参数设计如下。

(1)注浆材料：32.5级普通硅酸盐水泥、模数2.2～2.8水玻璃以及浓度98%以上磷酸。水灰比为(1∶0.6)～(1∶1)，水泥与水玻璃体积比(1∶0.6)～(1∶0.8)。

(2)注浆长度：每循环注浆长度为12 m，后序注浆段均预留2 m已注浆段作为止浆盘。掌子面封闭采用C20喷射混凝土，混凝土喷射厚度为30 cm，中间铺设1层钢筋网片(HPB300φ6.5@150 mm×150 mm)。

(3)注浆孔间距：在钻孔过程中先上后下，先外后内，布孔环向间距0.5 m，排距1 m，单孔浆液扩散半径为0.5 m，注浆孔采用伞辐射状梅花形布置，注浆试验段孔位布置如图4所示。

(4)注浆压力：注浆压力控制在0.3～0.5 MPa。

图4 试验段注浆孔位布置(单位：mm)

3 评价指标

目前地铁运营公司对受施工影响的既有结构变形和轨道沉降限值要求极为苛刻，常规为3 mm，根据《北京地铁工务维修规则》，对地铁施工过程中各项沉降值的规定，将各项沉降限值整理如表1所示。

表1 变形控制指标

根据表1的规定，在不超出限值的前提下，选取既有站底板的沉降变形作为注浆加固效果的评价指标。

4 注浆效果分析

4.1 模型建立

仅对B型隧道密贴下穿车站部分进行建模仿真计算。模型上表面取至地表，模型宽度取下穿段隧道长度47 m，考虑边界效应的影响，隧道外边缘至模型边界距离为开挖洞径的3～5倍，最终确定模型尺寸为120 m×47 m×40 m。既有车站顶板覆土厚3.2 m，底板埋深16.58 m，假定开挖隧道与周围土体、既有车站与围岩符合变形协调原则，不考虑地下水的影响。整体模型如图5所示，新建隧道与既有车站相对位置关系如图6所示。

图5 整体模型(单位：m)

根据现场地勘资料可将土层分为8层，所有土层均选用摩尔-库伦本构。在模型中，可通过“改变属性”命令实现对全断面注浆加固地层的模拟。通过对相关文献[15-17]的研究，得到注浆加固后地层相关参数的确定方法,弹性模量、黏聚力、内摩擦角和容重在注浆加固后提高，泊松比则有一定程度的降低。其中，弹性模量提高到原来的1.25～1.56倍，而黏聚力则有10倍以上的提高，内摩擦角和容重一般变化不大。

图6 新建隧道与既有车站相对位置关系

模型中，隧道初支、二次衬砌、仰拱以及既有车站底板、顶板、侧墙、中楼板均采用二维板单元模拟，既有站柱采用一维线单元模拟，支护结构均采用线弹性本构关系。地层参数及模型材料力学参数如表2所示。模型顶部为自由边界面，对底面及侧面均施加法向约束，限制其产生位移。

表2 地层参数及模型材料力学参数

4.2 施工步序

根据本项目设计资料，可将隧道截面进行如图7所示的划分。

图7 隧道截面划分示意

模型共设置58个施工步骤。大体可划分为如下7个阶段。

阶段1(步序1)：设置初始应力场并位移清零；

阶段2(步序2～步序10)：进行下穿段区间正线B型隧道1、2号导洞的开挖并及时施作初支；

阶段3(步序11～步序19)：进行下穿段区间正线B型隧道左线二衬施作；

阶段4(步序20～步序29)：进行下穿段区间正线B型隧道3、4号导洞的开挖并及时施作初支；

阶段5(步序30～步序38)：进行下穿段区间正线B型隧道右线二衬施作；

阶段6(步序39～步序48)：进行下穿段区间正线B型隧道5、6号导洞及出入段左右线7、8、9、10号导洞的开挖并及时施作初支；

阶段7(步序49～步序58)：进行下穿段区间正线B型隧道中线及出入段左右线二衬施作。下穿施工完成如图8所示。

图8 阶段7完成图

4.3 模型验证

新建区间隧道中线开挖及初期支护施作完成后其拱顶沉降的模拟值与监测值对比如图9所示。下穿施工完成后既有站底板沉降模拟值与监测值对比如图10所示。

图9 隧道拱顶变形模拟值与监测值对比

图10 既有站底板变形模拟值与监测值对比曲线

从图9、图10可以看出，数值模拟结果稍大于现场实测值。图9中误差最大的实测值为相应模拟值的64%[18]，图10中模拟值与实测值误差最大为8%[19]。两者数值虽不完全一致，但误差在可接受范围内，且具有一致的变化趋势。考虑到实际施工的复杂性，影响变形的因素众多，可认为利用Midas/GTS能较好反映实际情况。

4.4 结果分析

为了得到下穿施工过程中既有站底板的沉降变形特征，在既有站底板选取截面A和B作为典型截面进行重点研究，其位置如图11所示。其中，截面A为区间正线隧道中线在既有站底板对应位置，截面B为既有站纵向中位线。点A为图示两截面在既有站底板上的交点。

图11 典型截面位置示意

4.4.1 注浆加固范围

为研究不同注浆加固范围下既有结构的沉降变形规律，设置如表3所示的工况进行数值模拟，并将模拟结果进行对比。

图12为下穿施工过程中，上述6个工况下A点的沉降变化曲线。

表3 注浆加固范围工况

图12 不同注浆范围既有站底板沉降变化曲线

由图12可看出，下穿施工所有步骤完成，即B隧道中线、左右出入线二衬施作完成后，A点沉降值最大。且在施工过程中，既有结构沉降随着土体开挖逐渐减小，随着二衬施作逐渐增大。分析其原因是土体开挖过程中及时施作的初期支护与围岩形成了刚度较大、力学上稳定的地下体系，使得土体沉降趋于稳定且略有回升。然而，二衬施作过程中临时仰拱及临时中隔壁的拆除，导致支护结构刚度迅速下降而引起周围土体产生较大沉降变形[20]。

对比不同工况下沉降变化曲线，6种工况下既有结构具有大致相同的变化趋势。工况1(不进行注浆加固)引起A点的沉降最大，且沉降值随着注浆加固范围的增大而减小。然而，工况4、5、6引起的既有结构沉降值相差不大。分析其原因应是注浆加固范围在隧道轮廓线外2 m以上时，隧道周围开挖影响范围内卵石圆砾孔隙基本被浆液填满，两者形成了相对稳固的、致密的共同体。

取A点为零点，在A点左右两侧各取一系列测点，对其沉降变形进行分析研究。图13为下穿施工完成后截面A沉降曲线。

图13 施工完成不同注浆范围A沉降槽

分析图13可知，截面A沉降槽近似呈“W”形，当区间中线，出入段左、右线二衬施工完成后，沿隧道开挖方向既有结构的最大沉降出现在A点左右两侧16 m位置附近，最小沉降值出现在A点附近。对比不同工况下的沉降曲线，6种工况的沉降槽具有一致的变化趋势。如果按照工况1(不进行注浆加固)施工，则既有结构的最大沉降超过3 mm的限值，因此，为控制既有结构的沉降变形，必须对隧道围岩进行注浆加固。随着注浆加固范围的增大，既有结构的沉降值越来越小，最小为1.83 mm(工况6)但工况4、5、6引起的既有结构沉降值相差不大。

同理，取A点为零点，垂直于隧道开挖方向在A点两侧选取一系列测点，对其在区间中线及出入段左、右线二衬施作完成后既有结构的沉降变形进行分析研究。图14为下穿施工完成后截面B沉降曲线。

图14 施工完成不同注浆范围B沉降槽

分析图14可得，与常见的单峰抛物线形沉降槽不同，B截面沉降槽更像是正弦曲线的一部分。从左到右，曲线的3处“波谷”在既有站底板上对应位置分别为出入段右隧道中线、区间隧道中线、出入段左隧道中线。3处“波谷”代表的最大沉降值大致相等，出现沉降是既有站下方土体卸荷导致底板相应位置失去支撑所致。同时，曲线上还出现了两处“波峰”，“波峰”的出现是由于其对应既有站底板位置下方土体并未被挖除，但受到两侧开挖的扰动而产生了一定的沉降。值得注意的是，工况5、6曲线的“波峰”处既有站底板甚至出现了隆起变形。分析其原因是注浆范围较大而导致既有站底板被轻微顶起。工况6产生的沉降变形最大，既有结构的沉降变形随着注浆范围的增大而减小，但工况4、5、6引起的既有结构的沉降变形相差不大。分析其原因是注浆加固范围为2 m以上时，隧道开挖影响范围内卵石圆砾孔隙基本上被浆液填满，两者形成了相对稳定的、致密的共同体。

4.4.2 注浆加固强度

为研究注浆强度对于既有结构的影响，将注浆加固后地层视为等代层，在控制注浆加固范围不变的前提下，通过改变其弹性模量、黏聚力、内摩擦角来模拟不同的注浆强度[21]。设置如表4所示的不同工况进行数值模拟，并将模拟结果进行对比。

表4 注浆加固强度工况

图15为下穿施工过程表4中4种工况下A点的沉降变化曲线。

图15 不同注浆强度既有站底板沉降变化曲线

由图15可知，下穿施工所有步骤完成，即B隧道中线、左右出入线二衬施作完成后，A点沉降值最大。对比不同工况下沉降变化曲线，4种工况下既有结构具有大致相同的变形趋势。随着注浆强度的增大，既有结构的沉降变形逐渐减小。

图16为下穿施工完成后截面A沉降曲线。

图16 施工完成不同注浆强度A沉降槽

分析图16可知，当区间中线、出入段左、右线二衬施工完成后，沿隧道开挖方向既有结构的最大沉降出现在A点左右两侧18 m位置附近，最小沉降值出现在A点左侧4 m位置附近。对比不同工况下的沉降曲线，4种工况的沉降槽具有一致的变化趋势。上述所有工况下既有结构的最大沉降都未超过相关限值，说明注浆加固在下穿工程中可以有效控制既有结构的沉降变形。且随着注浆强度的逐渐增大，既有结构的沉降变形逐渐减小。

图17为下穿施工完成后截面B沉降曲线。