謝晟偉

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

當(dāng)施工過程中對隧道圍巖土體造成干擾導(dǎo)致地層變形后，會對既有地鐵車站的安全造成一定危害。同時，若加固不及時，也可能加大沉降風(fēng)險，甚至造成難以挽回的損失?；诖?，該文擬定采取多種沉降預(yù)測方法，并提出對應(yīng)加固措施。

1 工程概況

以廣州地鐵3號線某區(qū)間工程為例，區(qū)間上行線長約1 274.6 m，下行線長約1 280.1 m[1]。區(qū)間結(jié)合地鐵實況及工程項目要求，盡可能合理地借助于圍巖的自承能力，避免盲目開挖后損壞圍巖穩(wěn)固性。用鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、鋼架進(jìn)行支護(hù)，用模筑鋼筋混凝土為二次襯砌。整體施工均做好統(tǒng)籌安排和現(xiàn)場指導(dǎo)，確認(rèn)按要求順利進(jìn)行。

1.1 地質(zhì)條件

工程項目涉及地段至隧道的地質(zhì)情況較復(fù)雜，分析該地段的地質(zhì)剖面可知最底層是粉質(zhì)黏土，從下至上有卵石、中粗砂、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、中粗砂、卵石、中粗砂、粉質(zhì)黏土、中砂、粉細(xì)砂、砂質(zhì)粉土，最上層是爐灰。

1.2 水文地質(zhì)

地層中粉質(zhì)黏土層、粉土層相對隔水，且區(qū)域性隔水層缺失。整體地下水分布連續(xù)，含水層滲透系數(shù)大，屬強(qiáng)透水層[2]。工程開挖段處于有水的位置，導(dǎo)致項目施工難度加大。局部地段存在上層滯水。

1.3 既有車站結(jié)構(gòu)

既有車站（1號線體育西站）站臺寬度13 m，全長約267 m，底板埋深14 m，車站頂板覆土約1.8 m。

2 工程沉降預(yù)測方法

2.1 經(jīng)驗公式法

2.1.1 Peck公式

Peck教授提出“地表沉降符合高斯分布”概念，其整體的沉降曲線如同正態(tài)分布。如今該公式早在世界范圍內(nèi)被廣泛使用，被看作是預(yù)測工程項目中沉降的有效方法[3]。該公式見式（1）、式（2）：

式中，S（x）——距隧道中心x的地表沉降（m）；Smax——位于隧道中心線上的沉降數(shù)；i——地表沉降槽的寬度；vi——在單位內(nèi)地層損失量（m3）；D——隧道的有效直徑（m）。

在上述兩項公式中，關(guān)于指標(biāo)i、Smax屬于最關(guān)鍵的指標(biāo)，且后者常常會受到地質(zhì)條件、水文、施工方法、技術(shù)水平、管理質(zhì)量等多個方面的影響。當(dāng)嚴(yán)格管理且整體施工技術(shù)水平較高的情況下，那么影響Smax指標(biāo)的最大因素，就是工程項目的地質(zhì)條件，通過總結(jié)經(jīng)驗分析公式，能夠?qū)こ淌┕ぬ峁﹨⒖糩4]。

2.1.2 Attewell及Faemer公式

同樣，學(xué)者Attewell及Faemer在不斷研究后，也針對此領(lǐng)域提出對應(yīng)的公式來作為參考（式3）。

式中，K——沉降槽寬度參數(shù)，它和土體性質(zhì)密切相關(guān)；Z0——垂直方向上，隧道軸線到地面的距離（m）；H——覆土寬度；R——隧道等效半徑；F——上覆土體平均內(nèi)摩擦角[5]。

如今，隨著我國相關(guān)學(xué)者對地表沉降的研究越發(fā)深入，有相關(guān)學(xué)者根據(jù)我國土地層的特點，對相關(guān)公式做出適當(dāng)調(diào)整和修改。通過結(jié)合上述相關(guān)公式依據(jù)，能夠預(yù)測出該工程項目的地表沉降值。

2.2 理論分析法

和經(jīng)驗分析法相對，理論分析法是基于感性認(rèn)知上結(jié)合理性思維后來認(rèn)識事物及其規(guī)律的分析方法。理論分析的前提在于：結(jié)合一定的理論指導(dǎo)，借助于邏輯方法，運用數(shù)學(xué)理論及方法等，最終經(jīng)過綜合分析得到結(jié)論，了解事物的規(guī)律。在基于鏡像法等有關(guān)理論知識、等效土體損失參數(shù)等指標(biāo)后，LOGANATHAN、POULOS提出“土體垂直位移計算公式”（如式4）。該公式基于諸多理論分析得出，相對復(fù)雜，

式中，X——距隧道軸線水平距離（m）；Z——垂直距離（m）；h——該工程項目中，隧道頂和地面的間距。

2.3 數(shù)值模擬法

其一，要構(gòu)建計算模型。利用有限元軟件設(shè)置計算模型，劃分出對應(yīng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，分析上邊界至地面、側(cè)邊界的距離。其二，數(shù)值模擬預(yù)測。

2.4 沉降預(yù)測結(jié)果

該次研究的地鐵施工項目的沉降預(yù)估結(jié)果如表1所示，施工技術(shù)人員可利用計算機(jī)軟件，針對所預(yù)測出的數(shù)值繪制走勢圖，分別標(biāo)注出三種不同方法的預(yù)測形勢。由結(jié)果可知：第一，三種方法間最終獲得的沉降預(yù)測情況間相差不大，為提升預(yù)測的工作效率，可選擇更便捷的公式經(jīng)驗法分析。第二，采取公式經(jīng)驗法分析后顯示，其沉降預(yù)測結(jié)果和水平軸線距離間為負(fù)相關(guān)聯(lián)系，軸線距離越大，計算結(jié)果越小。第三，若施工項目中地基未進(jìn)行加固，那么各節(jié)點處的沉降值可能會偏大，出現(xiàn)既有結(jié)構(gòu)的沉降、變形、裂縫的問題，影響地鐵運營安全，亟需引起重視。

表1 三種方法的沉降預(yù)測結(jié)果

3 工程施工加固措施

3.1 施工過程

3.1.1 施工總體部署

結(jié)合施工條件、安全要求及工期等指標(biāo)，可根據(jù)工程推進(jìn)順序應(yīng)用噴樁機(jī)等設(shè)備實施地基加固。施工場地布置合理即可。

3.1.2 施工流程

（1）超前支護(hù)。穿越既有車站前，要先在該車站的下方進(jìn)行加固，方法采取“超前深孔注漿法”，在縱向上將注漿劃分成兩次實施。第一次加固的范圍為縱向上的16 m，兩次注漿搭接范圍約2 m。所選擇的注漿漿液為水泥、水玻璃雙液漿，初始壓力維持在0.5～0.75 MPa，而后不斷調(diào)整，最終的壓力保持在1.0 MPa后停止。在整個需要加固的范圍內(nèi)全部注漿后，開始鉆孔對注漿的效果進(jìn)行檢驗，要所檢驗的樣本土體抗壓強(qiáng)度要在0.8 MPa及以上，方可證實注漿加固成功。

（2）初支施工。根據(jù)《廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)定》（GJB02—98）等規(guī)范文件作業(yè)，初次支護(hù)中進(jìn)行開挖時，選擇型鋼鋼架，沿著開挖縱向方向作業(yè)，每間隔1.5 m設(shè)置千斤頂（重量120 t），尤其是在既有車站側(cè)墻、反梁處均需設(shè)置。結(jié)束后，且初次支護(hù)封閉成環(huán)后，用千斤頂為其施加5 t的力，進(jìn)一步保障其貼合嚴(yán)密。施工過程中，要嚴(yán)格根據(jù)所監(jiān)測的情況來增加壓力，通常每等級均增加5 t，且加載要保持同步。型鋼的內(nèi)外側(cè)要增加縱向的連接筋，并將其與相鄰的格柵間相連。初襯完成后及時進(jìn)行背后注漿操作。將大斷面隧道分成左右兩個導(dǎo)洞，從局部來完成開挖。先在左邊的導(dǎo)洞上用小導(dǎo)管注漿，以此起到支護(hù)效果，并安排人員從不同的臺階（上、下臺階，間距約3～5 m）分別開挖，同時對相應(yīng)的部位加以支護(hù)。隨后對左邊導(dǎo)洞下方的隧道土方進(jìn)行開挖，且做好臨時支護(hù)。同樣，對右導(dǎo)洞上部的隧道拱部進(jìn)行小導(dǎo)管注漿，同樣分臺階進(jìn)行土體開挖。左右兩個導(dǎo)洞間的開挖的距離要保持15 m。操作時要注意：第一，把控好導(dǎo)洞開挖中線、尺寸，確保支護(hù)工具的安裝位置精準(zhǔn)無誤。第二，強(qiáng)化對施工的監(jiān)測工作，做好信息反饋，調(diào)整技術(shù)方案。第三，盡可能減少在局部施工的時間，以盡早完成初支階段，以防止圍巖出現(xiàn)變形，甚至是沉降。第四，因該流程中施工內(nèi)容多，工序復(fù)雜，因而要保障各環(huán)節(jié)操作正確，且格柵鋼架的連接質(zhì)量較好。

（3）平頂直墻二次襯砌。穿越既有車站的初期支護(hù)施工完成后，要注意仍然可能存在沉降的風(fēng)險。為此，要借助于二次施工來控制，不僅能減少施工時間，還能確保既有車站的安全運行。二次襯砌施工要點如下：第一，將所有中隔墻自仰拱向上1 m內(nèi)的混凝土進(jìn)行破除，制作止水鋼板。第二，進(jìn)行施工防水，并綁扎鋼筋、澆筑混凝土，盡可能保障一次性澆筑完成。第三，破除中隔板自側(cè)墻向內(nèi)1 m的混凝土，同樣保留工字鋼。第四，對側(cè)墻的鋼筋進(jìn)行綁扎，做好防水，并澆筑側(cè)墻的混凝土，共澆筑兩次。第五，圍繞中隔墻自頂板向下的混凝土，將1 m范圍內(nèi)的均加以破除，且后續(xù)步驟同上。第六，同樣是做好防水、綁扎，澆筑工作，注意此處的澆筑要分三段進(jìn)行。完成此程序后，為后續(xù)的注漿做準(zhǔn)備。

（4）初支與二襯間注漿。首先，要進(jìn)行注漿管埋設(shè)。在此環(huán)節(jié)中可選擇熱軋鋼管來注漿，由于二襯結(jié)構(gòu)的厚度存在差異，因而具體注漿情況要結(jié)合實際來確定。將注漿管設(shè)置在隧道拱頂處。橫向、縱向的間距分別是3 m、4 m。完成后先進(jìn)行埋設(shè)，并焊接穩(wěn)固。隨后，簡單用泡沫板加以封堵，要預(yù)防澆筑時不慎堵塞注漿管。其次，注漿。當(dāng)通過實驗測定混凝土的強(qiáng)度滿足條件（即為設(shè)計強(qiáng)度的75%及以上），此時可進(jìn)行注漿操作。在注漿前，提前清理好泡沫板等。注漿壓力需要嚴(yán)格控制在合理范圍，以免壓力過大導(dǎo)致漿液濺出后浪費。初始注漿的壓力控制在0.1 MPa，最后壓力維持在0.2 MPa。最后，封堵錨管。順利完成以上幾項步驟后，可選擇用細(xì)石混凝土進(jìn)行封堵，必要時可添加速凝劑來加快效率。

（5）旋噴樁加固。旋噴樁施工機(jī)械配備如表2。

表2 旋噴樁施工機(jī)械配備表

施工技術(shù)方案如下：第一，做好施工準(zhǔn)備。第二，準(zhǔn)備設(shè)備，調(diào)整好角度，提高儀器精度。第三，用封箱帶將噴氣孔進(jìn)行包扎，開機(jī)進(jìn)行鉆孔，直至和設(shè)計圖紙上的要求一致。第四，開啟后壓縮空氣、水。壓縮時壓力參數(shù)值為0.7 MPa，流量約2～3 m3/min。第五，漿液拌制、開啟、處理廢漿。漿液壓力3～5 MPa，流量70～80 L/min，噴嘴間隙2.0 mm，個數(shù)為3。第六，按既定參數(shù)將旋轉(zhuǎn)噴漿提升至樁頂。相關(guān)參數(shù)分別為：v=10～15 cm/min，r=12～14 r/min，水泥摻量720 kg/m3。加固后強(qiáng)度≥1.0 MPa。第七，回顧總結(jié)，排查。

（6）監(jiān)控測量。監(jiān)控的目的在于能夠及時了解施工過程中的風(fēng)險情況，及時分析及反饋，以此來指導(dǎo)后續(xù)施工，確保質(zhì)量及效率。合理設(shè)置監(jiān)測的節(jié)點，重點監(jiān)控的部位為“地表沉降”，控制值為30 mm，70%預(yù)警值為21.0 mm，80%預(yù)警值為24.0 mm。在進(jìn)行隧道開挖時按照一天一次的頻率對各個監(jiān)控點進(jìn)行測試分析，通過數(shù)據(jù)的反映來了解對地表沉降的影響情況。最終數(shù)據(jù)顯示，累積的沉降量并未超出預(yù)警的數(shù)值，因而整體安全性能較好。

（7）注意事項。注意在上述各過程中要明確兩項要點：一方面是材料供應(yīng)的保障，嚴(yán)格控制材料進(jìn)貨的渠道，由工程項目管理人員嚴(yán)格把控好材料關(guān)卡，做好質(zhì)量檢測。另一方面是施工中要強(qiáng)化環(huán)保意識，并連續(xù)對墻體的位移、沉降情況進(jìn)行觀測，提供數(shù)據(jù)、追蹤調(diào)查。必要時可調(diào)整施工順序、參數(shù)或采取其他措施，以減少影響。

3.2 技術(shù)參數(shù)

采取加固措施最根本的目的在于保障地鐵工程未來的運營安全。相關(guān)技術(shù)參數(shù)總結(jié)如下：

（1）超前深孔注漿加固，加固范圍囊括了隧道兩側(cè)開挖輪廓線，底板處向下方向、縱向均加固3 m。結(jié)束后進(jìn)行測定，保障無側(cè)限抗壓強(qiáng)度開挖面≥0.5 MPa，周邊≥1.0 MPa，靠近底板3 m范圍內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度要≤0.3 MPa。

（2）既有車站前、后10 m范圍內(nèi)，可利用“加密格柵鋼架”“縱向連接筋”加固，以提升加固效果。

（3）開挖掌子面時增設(shè)鎖腳錨管，注入漿液加固。該過程中的壓力約為0.5 MPa。

（4）進(jìn)行支護(hù)施工的前期，施工中拱部預(yù)埋背后注漿管，橫向保持間距約2 m，縱向保持3 m。形成閉環(huán)后于支護(hù)背后壓注水泥漿液，壓力控制大小同上。

（5）施工過程中要嚴(yán)格控制開挖的程序，嚴(yán)禁超過限制。

（6）在既有車站及其周圍設(shè)置監(jiān)測點，在隧道開挖時適當(dāng)提升監(jiān)測的頻率。所監(jiān)測出的數(shù)據(jù)要及時分析上報，根據(jù)結(jié)果對工程施工參數(shù)加以調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

（1）可利用公式經(jīng)驗法、理論分析法、數(shù)值模擬法等計算出相關(guān)數(shù)據(jù)，以此預(yù)測出沉降情況。從該次研究中的表1看出，三種方法間差異較小。

（2）可采取深孔注漿、小導(dǎo)管注漿等方式控制沉降值，為之后的施工操作提供參考。

（3）該次工程項目采取的施工流程、方法較可行，能夠有效預(yù)測地表沉降，實現(xiàn)土體加固，保障了行車運營安全，可大力推行。