寇鼎濤，高太平，閆建龍，申健昊，李 剛，李昊炎，沈宇鵬

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068； 2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068； 3.中鐵四局集團(tuán)有限公司第三建設(shè)有限公司，天津 300011； 4.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市軌道交通的飛速發(fā)展，各大城市掀起了大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用地下空間的熱潮，不可避免地出現(xiàn)穿越城市軌道交通既有線的工程[1]。北京市2050年的地鐵線網(wǎng)規(guī)劃中，地鐵車(chē)站、區(qū)間隧道等結(jié)構(gòu)的交錯(cuò)節(jié)點(diǎn)更是高達(dá)118個(gè)[2]。穿越工程施工過(guò)程中，極易對(duì)周?chē)馏w造成擾動(dòng)而導(dǎo)致既有軌道結(jié)構(gòu)不平順、既有車(chē)站產(chǎn)生沉降變形而降低乘客舒適性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響既有線的正常運(yùn)營(yíng)[3]。本工程新建隧道周?chē)馏w為北京地區(qū)典型的卵石圓礫地層，其埋深較淺、卵石分布隨機(jī)、粒徑較大、黏聚力幾乎為零[4]，采取有效措施加固地層是十分必要的。

采用一系列措施如選用合理的隧道開(kāi)挖工法、在既有車(chē)站下方布置預(yù)埋樁基、千斤頂頂撐、注漿加固等，可以有效控制既有結(jié)構(gòu)的沉降變形[5-8]。其中，注漿加固由于其材料具有速凝早強(qiáng)、流動(dòng)性好、強(qiáng)度較高等優(yōu)點(diǎn)而在下穿工程中使用較多[9]。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)于注漿加固在下穿工程中的應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究。鐘可等[10]依托實(shí)際工程，對(duì)不加固、超前管棚加固、地表注漿加固、MJS工法加固等多種方案進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，采用MJS工法是十分必要和可行的。陳城等[11]以北京某下穿工程為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬的方法對(duì)不同水位下的注漿方案進(jìn)行分析，對(duì)注漿加固方案進(jìn)行了優(yōu)化。鑒于砂卵石地層為典型的不穩(wěn)定地層，易受到擾動(dòng)，曹瑞瑯等[12]以北京某砂卵石地層下穿工程為背景，對(duì)超前管棚和深孔注漿復(fù)合支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了該方案下的地層、隧道支護(hù)的變形特征。沈宇鵬等[13]以某鐵路線下框架橋頂進(jìn)工程為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬得到不同注漿強(qiáng)度下既有路基的沉降變形特征。

目前，對(duì)于注漿加固在地鐵下穿工程中的研究已取得很大進(jìn)展，但研究對(duì)象大多是卵石地層中的盾構(gòu)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)，且新建隧道大多是單線及雙線。對(duì)于注漿加固在淺埋暗挖隧道長(zhǎng)距離、大面積下穿既有結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，有必要對(duì)此類(lèi)工程實(shí)例進(jìn)行深入研究。

以北京地鐵19號(hào)線四線隧道密貼下穿既有4號(hào)線新宮站為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和仿真計(jì)算方法，提出不同注漿加固范圍及強(qiáng)度下既有結(jié)構(gòu)的沉降變形特征。同時(shí)，在控制既有結(jié)構(gòu)沉降變形的前提下，結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)合理的要求，探討下穿施工過(guò)程中的合理注漿加固范圍。

1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線新發(fā)地站至新宮站四線隧道下穿既有4號(hào)線新宮站項(xiàng)目，區(qū)間正線為大斷面平頂直墻隧道，下穿距離長(zhǎng)達(dá)47 m。正線區(qū)間在中間，開(kāi)挖寬度13.5 m，高度8.46 m。出入段線分布兩側(cè)，均為馬蹄形斷面，開(kāi)挖寬度7.07 m，高度7.08 m。下穿段B型隧道拱頂與既有車(chē)站底板最小凈距約0.22 m。下穿工程平面示意如圖1所示。

圖1 下穿工程平面示意

本工程區(qū)間正線隧道共有A、B、C三種斷面形式，下穿段B型隧道斷面圖如圖2所示。

圖2 B型隧道斷面(單位：mm)

既有4號(hào)線新宮站為地下雙層明挖五柱六跨框架結(jié)構(gòu)，2010年底投入運(yùn)營(yíng)。車(chē)站總寬度為40.9 m，總長(zhǎng)度360.15 m(僅對(duì)下穿影響范圍之間部分進(jìn)行分析)，底板埋深16.58 m，頂板平均覆土厚度3.2 m。下穿影響范圍內(nèi)新宮站標(biāo)準(zhǔn)段寬40.9 m，高13.11 m，頂板厚700 mm，中樓板厚400 mm，側(cè)墻厚700 mm，底板厚800 mm，既有站柱截面尺寸為1 000 mm×700 mm，下穿段橫斷面如圖3所示。

圖3 下穿段橫斷面

本工程所處區(qū)域?yàn)楸本┦械湫偷纳宪浵掠驳貙?，下穿范圍?nèi)自上而下分布著雜填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵石圓礫等地層。新建隧道洞身周?chē)饕锹咽瘓A礫地層，而卵石圓礫極易受到擾動(dòng)而使既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大沉降。為在下穿過(guò)程中確保既有結(jié)構(gòu)的沉降變形不超過(guò)一定的限值，在隧道開(kāi)挖前對(duì)隧道輪廓線外一定范圍內(nèi)地層進(jìn)行全斷面后退式深孔注漿預(yù)加固。根據(jù)相關(guān)的地質(zhì)勘察報(bào)告，本工程不考慮地下水位的影響。

2 下穿圓礫地層注漿工藝及參數(shù)設(shè)計(jì)

下穿段卵石圓礫地層具有孔隙率大、孔隙具有貫穿性的特點(diǎn)，采用全斷面后退式深孔注漿技術(shù)對(duì)其進(jìn)行加固。為確保漿液的擴(kuò)散區(qū)域以及注漿材料在地層中具有良好的膠凝性[14]，注漿參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

(1)注漿材料：32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、模數(shù)2.2～2.8水玻璃以及濃度98%以上磷酸。水灰比為(1∶0.6)～(1∶1)，水泥與水玻璃體積比(1∶0.6)～(1∶0.8)。

(2)注漿長(zhǎng)度：每循環(huán)注漿長(zhǎng)度為12 m，后序注漿段均預(yù)留2 m已注漿段作為止?jié){盤(pán)。掌子面封閉采用C20噴射混凝土，混凝土噴射厚度為30 cm，中間鋪設(shè)1層鋼筋網(wǎng)片(HPB300φ6.5@150 mm×150 mm)。

(3)注漿孔間距：在鉆孔過(guò)程中先上后下，先外后內(nèi)，布孔環(huán)向間距0.5 m，排距1 m，單孔漿液擴(kuò)散半徑為0.5 m，注漿孔采用傘輻射狀梅花形布置，注漿試驗(yàn)段孔位布置如圖4所示。

(4)注漿壓力：注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa。

圖4 試驗(yàn)段注漿孔位布置(單位：mm)

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前地鐵運(yùn)營(yíng)公司對(duì)受施工影響的既有結(jié)構(gòu)變形和軌道沉降限值要求極為苛刻，常規(guī)為3 mm，根據(jù)《北京地鐵工務(wù)維修規(guī)則》，對(duì)地鐵施工過(guò)程中各項(xiàng)沉降值的規(guī)定，將各項(xiàng)沉降限值整理如表1所示。

表1 變形控制指標(biāo)

根據(jù)表1的規(guī)定，在不超出限值的前提下，選取既有站底板的沉降變形作為注漿加固效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 注漿效果分析

4.1 模型建立

僅對(duì)B型隧道密貼下穿車(chē)站部分進(jìn)行建模仿真計(jì)算。模型上表面取至地表，模型寬度取下穿段隧道長(zhǎng)度47 m，考慮邊界效應(yīng)的影響，隧道外邊緣至模型邊界距離為開(kāi)挖洞徑的3～5倍，最終確定模型尺寸為120 m×47 m×40 m。既有車(chē)站頂板覆土厚3.2 m，底板埋深16.58 m，假定開(kāi)挖隧道與周?chē)馏w、既有車(chē)站與圍巖符合變形協(xié)調(diào)原則，不考慮地下水的影響。整體模型如圖5所示，新建隧道與既有車(chē)站相對(duì)位置關(guān)系如圖6所示。

圖5 整體模型(單位：m)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘資料可將土層分為8層，所有土層均選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)。在模型中，可通過(guò)“改變屬性”命令實(shí)現(xiàn)對(duì)全斷面注漿加固地層的模擬。通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)[15-17]的研究，得到注漿加固后地層相關(guān)參數(shù)的確定方法,彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角和容重在注漿加固后提高，泊松比則有一定程度的降低。其中，彈性模量提高到原來(lái)的1.25～1.56倍，而黏聚力則有10倍以上的提高，內(nèi)摩擦角和容重一般變化不大。

圖6 新建隧道與既有車(chē)站相對(duì)位置關(guān)系

模型中，隧道初支、二次襯砌、仰拱以及既有車(chē)站底板、頂板、側(cè)墻、中樓板均采用二維板單元模擬，既有站柱采用一維線單元模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。地層參數(shù)及模型材料力學(xué)參數(shù)如表2所示。模型頂部為自由邊界面，對(duì)底面及側(cè)面均施加法向約束，限制其產(chǎn)生位移。

表2 地層參數(shù)及模型材料力學(xué)參數(shù)

4.2 施工步序

根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料，可將隧道截面進(jìn)行如圖7所示的劃分。

圖7 隧道截面劃分示意

模型共設(shè)置58個(gè)施工步驟。大體可劃分為如下7個(gè)階段。

階段1(步序1)：設(shè)置初始應(yīng)力場(chǎng)并位移清零；

階段2(步序2～步序10)：進(jìn)行下穿段區(qū)間正線B型隧道1、2號(hào)導(dǎo)洞的開(kāi)挖并及時(shí)施作初支；

階段3(步序11～步序19)：進(jìn)行下穿段區(qū)間正線B型隧道左線二襯施作；

階段4(步序20～步序29)：進(jìn)行下穿段區(qū)間正線B型隧道3、4號(hào)導(dǎo)洞的開(kāi)挖并及時(shí)施作初支；

階段5(步序30～步序38)：進(jìn)行下穿段區(qū)間正線B型隧道右線二襯施作；

階段6(步序39～步序48)：進(jìn)行下穿段區(qū)間正線B型隧道5、6號(hào)導(dǎo)洞及出入段左右線7、8、9、10號(hào)導(dǎo)洞的開(kāi)挖并及時(shí)施作初支；

階段7(步序49～步序58)：進(jìn)行下穿段區(qū)間正線B型隧道中線及出入段左右線二襯施作。下穿施工完成如圖8所示。

圖8 階段7完成圖

4.3 模型驗(yàn)證

新建區(qū)間隧道中線開(kāi)挖及初期支護(hù)施作完成后其拱頂沉降的模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖9所示。下穿施工完成后既有站底板沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖10所示。

圖9 隧道拱頂變形模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

圖10 既有站底板變形模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比曲線

從圖9、圖10可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果稍大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值。圖9中誤差最大的實(shí)測(cè)值為相應(yīng)模擬值的64%[18]，圖10中模擬值與實(shí)測(cè)值誤差最大為8%[19]。兩者數(shù)值雖不完全一致，但誤差在可接受范圍內(nèi)，且具有一致的變化趨勢(shì)?？紤]到實(shí)際施工的復(fù)雜性，影響變形的因素眾多，可認(rèn)為利用Midas/GTS能較好反映實(shí)際情況。

4.4 結(jié)果分析

為了得到下穿施工過(guò)程中既有站底板的沉降變形特征，在既有站底板選取截面A和B作為典型截面進(jìn)行重點(diǎn)研究，其位置如圖11所示。其中，截面A為區(qū)間正線隧道中線在既有站底板對(duì)應(yīng)位置，截面B為既有站縱向中位線。點(diǎn)A為圖示兩截面在既有站底板上的交點(diǎn)。

圖11 典型截面位置示意

4.4.1 注漿加固范圍

為研究不同注漿加固范圍下既有結(jié)構(gòu)的沉降變形規(guī)律，設(shè)置如表3所示的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖12為下穿施工過(guò)程中，上述6個(gè)工況下A點(diǎn)的沉降變化曲線。

表3 注漿加固范圍工況

圖12 不同注漿范圍既有站底板沉降變化曲線

由圖12可看出，下穿施工所有步驟完成，即B隧道中線、左右出入線二襯施作完成后，A點(diǎn)沉降值最大。且在施工過(guò)程中，既有結(jié)構(gòu)沉降隨著土體開(kāi)挖逐漸減小，隨著二襯施作逐漸增大。分析其原因是土體開(kāi)挖過(guò)程中及時(shí)施作的初期支護(hù)與圍巖形成了剛度較大、力學(xué)上穩(wěn)定的地下體系，使得土體沉降趨于穩(wěn)定且略有回升。然而，二襯施作過(guò)程中臨時(shí)仰拱及臨時(shí)中隔壁的拆除，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度迅速下降而引起周?chē)馏w產(chǎn)生較大沉降變形[20]。

對(duì)比不同工況下沉降變化曲線，6種工況下既有結(jié)構(gòu)具有大致相同的變化趨勢(shì)。工況1(不進(jìn)行注漿加固)引起A點(diǎn)的沉降最大，且沉降值隨著注漿加固范圍的增大而減小。然而，工況4、5、6引起的既有結(jié)構(gòu)沉降值相差不大。分析其原因應(yīng)是注漿加固范圍在隧道輪廓線外2 m以上時(shí)，隧道周?chē)_(kāi)挖影響范圍內(nèi)卵石圓礫孔隙基本被漿液填滿，兩者形成了相對(duì)穩(wěn)固的、致密的共同體。

取A點(diǎn)為零點(diǎn)，在A點(diǎn)左右兩側(cè)各取一系列測(cè)點(diǎn)，對(duì)其沉降變形進(jìn)行分析研究。圖13為下穿施工完成后截面A沉降曲線。

圖13 施工完成不同注漿范圍A沉降槽

分析圖13可知，截面A沉降槽近似呈“W”形，當(dāng)區(qū)間中線，出入段左、右線二襯施工完成后，沿隧道開(kāi)挖方向既有結(jié)構(gòu)的最大沉降出現(xiàn)在A點(diǎn)左右兩側(cè)16 m位置附近，最小沉降值出現(xiàn)在A點(diǎn)附近。對(duì)比不同工況下的沉降曲線，6種工況的沉降槽具有一致的變化趨勢(shì)。如果按照工況1(不進(jìn)行注漿加固)施工，則既有結(jié)構(gòu)的最大沉降超過(guò)3 mm的限值，因此，為控制既有結(jié)構(gòu)的沉降變形，必須對(duì)隧道圍巖進(jìn)行注漿加固。隨著注漿加固范圍的增大，既有結(jié)構(gòu)的沉降值越來(lái)越小，最小為1.83 mm(工況6)但工況4、5、6引起的既有結(jié)構(gòu)沉降值相差不大。

同理，取A點(diǎn)為零點(diǎn)，垂直于隧道開(kāi)挖方向在A點(diǎn)兩側(cè)選取一系列測(cè)點(diǎn)，對(duì)其在區(qū)間中線及出入段左、右線二襯施作完成后既有結(jié)構(gòu)的沉降變形進(jìn)行分析研究。圖14為下穿施工完成后截面B沉降曲線。

圖14 施工完成不同注漿范圍B沉降槽

分析圖14可得，與常見(jiàn)的單峰拋物線形沉降槽不同，B截面沉降槽更像是正弦曲線的一部分。從左到右，曲線的3處“波谷”在既有站底板上對(duì)應(yīng)位置分別為出入段右隧道中線、區(qū)間隧道中線、出入段左隧道中線。3處“波谷”代表的最大沉降值大致相等，出現(xiàn)沉降是既有站下方土體卸荷導(dǎo)致底板相應(yīng)位置失去支撐所致。同時(shí)，曲線上還出現(xiàn)了兩處“波峰”，“波峰”的出現(xiàn)是由于其對(duì)應(yīng)既有站底板位置下方土體并未被挖除，但受到兩側(cè)開(kāi)挖的擾動(dòng)而產(chǎn)生了一定的沉降。值得注意的是，工況5、6曲線的“波峰”處既有站底板甚至出現(xiàn)了隆起變形。分析其原因是注漿范圍較大而導(dǎo)致既有站底板被輕微頂起。工況6產(chǎn)生的沉降變形最大，既有結(jié)構(gòu)的沉降變形隨著注漿范圍的增大而減小，但工況4、5、6引起的既有結(jié)構(gòu)的沉降變形相差不大。分析其原因是注漿加固范圍為2 m以上時(shí)，隧道開(kāi)挖影響范圍內(nèi)卵石圓礫孔隙基本上被漿液填滿，兩者形成了相對(duì)穩(wěn)定的、致密的共同體。

4.4.2 注漿加固強(qiáng)度

為研究注漿強(qiáng)度對(duì)于既有結(jié)構(gòu)的影響，將注漿加固后地層視為等代層，在控制注漿加固范圍不變的前提下，通過(guò)改變其彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角來(lái)模擬不同的注漿強(qiáng)度[21]。設(shè)置如表4所示的不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表4 注漿加固強(qiáng)度工況

圖15為下穿施工過(guò)程表4中4種工況下A點(diǎn)的沉降變化曲線。

圖15 不同注漿強(qiáng)度既有站底板沉降變化曲線

由圖15可知，下穿施工所有步驟完成，即B隧道中線、左右出入線二襯施作完成后，A點(diǎn)沉降值最大。對(duì)比不同工況下沉降變化曲線，4種工況下既有結(jié)構(gòu)具有大致相同的變形趨勢(shì)。隨著注漿強(qiáng)度的增大，既有結(jié)構(gòu)的沉降變形逐漸減小。

圖16為下穿施工完成后截面A沉降曲線。

圖16 施工完成不同注漿強(qiáng)度A沉降槽

分析圖16可知，當(dāng)區(qū)間中線、出入段左、右線二襯施工完成后，沿隧道開(kāi)挖方向既有結(jié)構(gòu)的最大沉降出現(xiàn)在A點(diǎn)左右兩側(cè)18 m位置附近，最小沉降值出現(xiàn)在A點(diǎn)左側(cè)4 m位置附近。對(duì)比不同工況下的沉降曲線，4種工況的沉降槽具有一致的變化趨勢(shì)。上述所有工況下既有結(jié)構(gòu)的最大沉降都未超過(guò)相關(guān)限值，說(shuō)明注漿加固在下穿工程中可以有效控制既有結(jié)構(gòu)的沉降變形。且隨著注漿強(qiáng)度的逐漸增大，既有結(jié)構(gòu)的沉降變形逐漸減小。

圖17為下穿施工完成后截面B沉降曲線。

圖17 施工完成不同注漿強(qiáng)度B沉降槽

分析圖17可知，上述4種工況的B截面沉降槽具有相同的變化趨勢(shì)，大致以B隧道中線所在直線為對(duì)稱軸左右對(duì)稱，B隧道中線在既有站底板對(duì)應(yīng)位置處沉降值最大。既有結(jié)構(gòu)沉降變形隨注漿強(qiáng)度的增大逐漸減小，且注漿強(qiáng)度越大，既有站相應(yīng)位置的隆起值越大。

5 結(jié)論

(1)土體開(kāi)挖過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)沉降逐漸回升，這是及時(shí)施作的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖形成的支護(hù)體系有效抑制了土體沉降變形所致。二襯施作過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)沉降迅速增大，這是臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的拆除導(dǎo)致支護(hù)體系剛度迅速下降所致。

(2)隧道開(kāi)挖前對(duì)地層進(jìn)行注漿預(yù)加固，可以確保既有結(jié)構(gòu)沉降變形小于3 mm的限值。

(3)注漿加固范圍越大，既有結(jié)構(gòu)沉降變形越小。

當(dāng)注漿范圍大于2 m后，其加固效果相差不大，綜合考慮施工安全與成本控制，注漿加固范圍選取隧道輪廓線外2 m為宜。

(4)注漿加固強(qiáng)度越大，既有結(jié)構(gòu)沉降變形越小。同時(shí)，注漿強(qiáng)度越大，既有站相應(yīng)位置處隆起變形越大。在控制既有結(jié)構(gòu)沉降方面，增大注漿加固范圍比增大注漿加固強(qiáng)度更有效。