非等强注浆及其在地铁穿越工程的应用

2022-08-25翟庆生黄明利

辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2022年3期

翟庆生，黄明利，潘政

（北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044）

0 引言

随着经济发展和城市化进程的加快，城市交通堵塞、土地紧张、环境恶化等问题日益凸显，地下空间的开发和地铁的修建已成为解决上述问题的重要手段.地铁隧道一般处于城区，周边建筑密集，施工中常会遇到紧邻或穿越既有建筑物或构筑物的情况，因此，穿越施工的变形及风险控制已成为目前的研究热点[1-7]，尤其对施工环境复杂、控制标准严格的地铁穿越施工，变形控制技术和注浆方法还有待进一步研究.

注浆能有效控制地层和既有结构变形，在地下工程领域得到广泛应用.目前多采用单一强度的浆液加固地层，而单一强度浆液的注浆加固效果有待提高，基于地层协调变形理论，借鉴采煤巷道不均匀支护[8-10]，针对地铁穿越施工，提出采取多种浆液注浆的新注浆方法——非等强注浆.

1 非等强注浆加固

1.1 非等强注浆加固原理

在对隧道开挖引起地层变位的机制进行研究时发现，当围岩中含有横向不均匀地层（如左边黏土、右边砂土）时，隧道开挖引发的地表沉降曲线不再是Peck公式表述的正态分布曲线，而呈现出不对称性，即非正态分布，见图1.在某横向不均匀地层隧道施工引起沉降槽两侧的沉降值和沉降影响范围不再相等，距隧道中线两侧相同位置地表点的沉降值也不相同，左侧砂土地层沉降槽比右侧黏土地层的影响范围更大，表明Peck公式呈对称性的前提是地层在水平方向上均匀分布.为解决由于地层横向不均匀分布引起的非均匀沉降问题，采用非均匀、非等强度注浆的方法改变地层参数，使其横向均匀分布，沉降曲线恢复均匀对称、正态分布，实现地层的均匀沉降和协调变形.

图1 地表沉降Fig.1 surface settlemen

非等强注浆可定义为不同注浆区域采取不同强度浆液、不同注浆方式、不同注浆体量中的一种或多种注浆手段，实现不同区域注浆体强度不同.非等强注浆在地下工程领域尤其是地铁穿越施工进行注浆加固时对施工影响显著区、围岩最薄弱处等土体扰动大、易产生差异变形，通过混合浆液注浆、改变注浆方式和注浆体量等方法，使薄弱部位加强注浆，并同周边围岩一起协调变形，从而有效地控制差异变形，使地层和既有结构达到均匀、协调变形的效果，确保新建工程顺利实施和既有结构安全.例如在暗挖隧道穿越或临近既有建（构）筑物施工时，隧道下穿既有线正下方处及临近施工隧道的土体受隧道开挖的扰动程度较大，而远离隧道开挖处的土体受扰动程度较小，在注浆方案设计时，采用非等强注浆，对地层划分区域，不同区域采取不同强度的浆液、不同类型的注浆方式，通过混合浆液、改变注浆体量参数等手段提出不同注浆方案，经过计算，选用满足变形控制标准要求、造价较低且能确保既有结构安全的最佳方案.

1.2 非等强注浆加固效果

以某圆形暗挖隧道下穿既有建筑物注浆施工为背景，将注浆层划为3个不同的注浆结构体，每个区域可采取不同强度浆液，通过调整各注浆体的物理力学参数、尺寸大小实施非等强注浆，注浆结构模型见图2.

图2 非等强注浆层结构模型Fig.2 schematic model of non-equal strength grouting

建立4种工况：工况Ⅰ为未注浆；工况Ⅱ为等强度注浆，3个注浆结构体均采用相同强度浆液，弹性模量为50 MPa；工况Ⅲ为非等强注浆1，中间强，弹性模量为60 MPa，两边弱，弹性模量为 50 MPa；工况Ⅳ为非等强注浆2，中间强弹性模量为70 MPa，两边弱，弹性模量为50 MPa.

通过数值模拟计算，得到不同工况的地表最大沉降、基础差异沉降等相关参数，用Peck公式对沉降槽曲线进行线性拟合，高斯曲线的幅值与地表沉降槽宽度系数之比定义为沉降槽形状系数，研究表明该系数越小，沉降槽曲线越平缓.4种工况的沉降值和沉降槽形状系数见图3、表1.

表1 不同注浆强度地表沉降相关参数Tab.1 surface settlement parameters of different grouting strength

图3 不同注浆强度的地表沉降Fig.3 surface settlement of different grouting strength

如图3、表1所示，4种方案的地表沉降均呈正态分布，隧道轴线上方的地表沉降最大，向两侧逐渐减小；非等强注浆方案的地表沉降最大值、基础差异沉降和沉降槽形状系数比未注浆和等强注浆时显著降低，沉降槽的形状由“窄深”变得“宽浅”，表明与单一强度注浆相比，非等强注浆在一定程度上减小地表沉降，能增加沉降槽形状的改变量，减小差异沉降、实现协调变形.

1.3 非等强注浆参数对变形的影响

考虑注浆结构体的强度、注浆区的空间结构和注浆范围等因素，采用数值分析的方法，从地表最大沉降、基础差异沉降和沉降槽曲线形状系数3个指标分析注浆加固对地表及建筑物基础变形的影响.

（1）注浆结构体强度对变形的影响

如图3所示，注浆结构体的强度越高，对沉降的控制效果越好，随着注浆结构体强度的提高，地表最大沉降减小，沉降槽曲线变平缓，基础的差异沉降变小，起到了很好的均匀变形作用.

（2）注浆结构体宽度对变形的影响

为研究注浆结构体宽度对沉降的影响，对2种工况进行分析.工况Ⅰ为3个注浆结构体的宽度均取10 m；工况Ⅱ为3个注浆结构体的宽度分别取7.5 m、15 m、7.5 m，见图4.这2种工况的沉降值和沉降槽形状系数见表2.由图4和表2可知，增加注浆层中央注浆体宽度可以减小地表沉降，更好地控制差异沉降.

图4 不同注浆结构体宽度的地表沉降Fig.4 surface settlement of different grouting structure body width

表2 不同工况地表沉降相关参数Tab.2 relevant parameters of surface settlement under different working conditions

（3）注浆厚度对地表沉降的影响

为研究注浆层厚度对地表沉降的影响，注浆层厚度分别选取2.0 m、4.0 m、6.0 m和8.0 m，沉降值和相关参数见图5和表3.由图5和表3可知，地表沉降随着注浆层厚度的增加而逐渐减小；随着注浆层厚度的增大，差异沉降值和沉降槽形状系数逐渐减小，表明垂直方向上注浆范围越大，沉降槽曲线越平缓，差异沉降越小.

图5 不同注浆厚度的地表沉降Fig.5 surface settlement of different grouting thickness

表3 不同注浆厚度地表沉降相关参数Tab.3 surface settlement parameters of different grouting thickness

通过隧道上覆注浆层对地表沉降影响的数值计算分析，表明注浆体强度、中央注浆体宽度和注浆厚度与变形、差异变形、沉降槽曲线形状系数成反比.

2 非等强注浆加固实际应用

以北京地铁16号线红莲南里站侧穿莲花河跨河桥桥桩工程为依托，说明非等强注浆应用情况.

2.1 工程概况

红莲南里站位于莲花河东侧路与红莲南路交叉路口，为地下双层三跨岛式车站，全长为262.7 m，车站主体结构宽22.4 m.车站中心里程处轨面埋深为26.71 m，车站主体结构暗挖下穿南马连道莲花河跨河桥，车站拱顶初支结构与桥桩底部的最短距离仅为0.6 m，在暗挖车站主体结构施工过程中保证莲花河跨河桥的安全性极为关键.

南马连道莲花河跨河桥位于红莲南路（南马连道）跨越莲花河处，建于1998年，为三跨简支预应力钢筋混凝土预制空心板结构，支座形式为板式橡胶支座.上部结构端面为3 m×13 m简支预应力预制空心板；下部结构的墩台由柱接盖梁组成，圆形墩柱直径为1 m，盖梁截面为1.2 m×1.2 m，桥梁基础均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径为1.2 m.车站跨路口段主体结构平行下穿桥梁东侧一排，共3根桥桩.

车站标准段覆土厚度为13 m，跨路口段覆土厚度为14 m.根据岩土工程勘察报告，工程范围内地层由上至下依次为人工填土层、新近沉积层、第4纪晚更新世冲洪积层，车站主体结构拱顶主要位于卵石层.工程范围内主要分布地下水类型为潜水，水位埋深为23.00～24.17 m，水位标高为21.46～ 19.43 m，抗浮设防水位取40.00 m，施工导洞及扣拱初衬开挖范围未进入地下潜水位以下.

2.2 实际应用

为克服单一强度浆体加固地层的不足，充分考虑差异沉降和结构协调变形等方面的影响，应用非等强注浆对地层进行超前预加固处理，在划分注浆区域时采用了2种不同强度的注浆：①超前深孔注浆.临近桥桩一侧的土体，由于其距离桥桩较近，洞桩法（PBA法）车站开挖造成的地层扰动对桥桩产生较大影响，在对最左侧边导洞及中导洞周围土体进行注浆预加固处理时，采用深孔注浆的方式，注浆层较厚，厚度为导洞初支外2.5 m，一次注浆深度为10 m，采用高强度浆液注浆.②导洞注浆.远离桥桩一侧的土体，由于其距离桥桩较远，地下式盖挖法对车站开挖造成的地层扰动比最左侧边导洞及中导洞对桥桩产生的影响小，在对最右侧边导洞及中导洞周围土体进行注浆预加固处理时，采用小导管超前预注浆的方式，注浆层厚度为1 m，一次注浆深度为3 m，采用低强度的浆液注浆，注浆范围定为小导洞拱部以上小于180°.通过数值计算和方案对比，最终确定超前深孔的注浆方式.采用高强度浆液注浆（弹性模量80 MPa），导洞注浆采用相对较低强度的浆液注浆（弹性模量60 MPa），该方案能够满足变形控制和安全施工的要求.

4号桩及3号桩桩顶部、桩底部的竖向位移，以及每排桩之间的不均匀沉降，见表4、表5.由表4、表5可知，无论是4号桥台桩还是3号桥墩桩，其盖梁（桩顶部）及桩基（桩底部）的均匀沉降均在控制值5 mm以下.其中4号桥台桩盖梁最大沉降发生在桩4-3顶部处，为2.735 mm；3号桥墩桩盖梁最大沉降发生在桩3-3顶部处，为1.660 mm；4号桥台桩桩基最大沉降发生在桩4-3底部处，为2.965 mm；3号桥墩桩桩基最大沉降发生在桩3-3底部处，为1.429 mm；同时，4号桥台桩及3号桥墩桩盖梁（桩顶部）及桩基（桩底部）不均匀沉降值也均在控制值2 mm以下.无论桥台桩还是桥墩桩，在隧道开挖方向上桩基和盖梁的均匀沉降值均逐渐减小，这是由于隧道开挖的原因对桩3-3和桩4-3处土体产生多次扰动，竖向位移最大.

表4 4号桥桩竖向位移Tab.4 vertical displacements of No. 4 bridge piles

表5 3号桥桩竖向位移Tab.5 vertical displacements of No. 3 bridge piles

桩4-2及桩3-2顶部纵向和横向水平位移，见表6.既有桥桩横向及纵向水平位移均很小，在5 mm以下，表明PBA法车站施工主要对桥桩的沉降产生较大影响，由于地层缺失对桥桩施加的附加载荷并不太大，其水平位移并未超限.由于桥台桩4-2距离车站较近，受地铁开挖对土体扰动的程度较大，其纵向水平位移和横向水平位移均大于远离车站的桥墩桩3-2的.

表6 既有桥桩水平位移Tab.6 horizontal displacement of existing bridge piles

通过对导洞贯通后现场监测数据的分析，得到墩柱的倾斜、水平位移、竖向位移及地表沉降等各项指标监测值均小于控制值，表明非等强注浆方法在本工程是可行的，在施工过程中能起到控制墩柱变形的作用，能确保桥桩及临近建构筑物的安全.

除此之外，非等强注浆方法还在北京赵登禹路热力管线下穿古旧建筑物、北京地铁16号线国家图书馆站至二里沟站区间下穿既有4号线国家图书馆站至动物园站区间等穿越工程中被广泛应用.赵登禹路热力管线工程已竣工多年，未发现存在有质量问题，地铁16号线两处穿越工程中应用非等强注浆，变形和不均匀沉降也均控制在沉降标准之内，达到了预期的工程效果.