密贴下穿既有车站超前注浆范围优化分析★

刘国龙

(中铁十四局集团隧道工程有限公司,山东 济南 250002)

0 引言

在城市土地资源日益紧缺的情况下,城市轨道施工越来越向着立体交叉式发展。新建结构密贴下穿既有结构工程越来越多,较近距离的施工会导致两结构间的土层完全破坏,需要采用注浆加固措施保证安全施工。

郑爱元[1]、严德添[2]依托区间隧道下穿既有车站的近接工程,提出短进尺CRD法开挖结合全断面注浆控制既有车站结构变形。曹德更等[3]根据地铁17号线东大桥站下穿既有6号线区间隧道工程,提出了全断面注浆结合洞桩法施工的方案。王力功[4]研究了徐州市2号线密贴下穿6号线市政府站工程,提出分区域注浆加固和分区域凿除地连墙技术,可用于解决支护结构加固盲区和既有车站变形大的问题。王建功等[5]针对京张高铁新八达岭隧道下穿既有青龙桥车站工程,提出三种变形控制技术:超大管棚注浆加固、扣轨加固和地表垂直袖阀管注浆加固。白鹏程[6]在成都西博城站超浅埋暗挖大跨隧道下穿既有隧道工程中提出采用旋喷桩、超前大管棚和超前小导管注浆技术。通过对新建隧道下穿既有隧道工程进行研究,陶连金等[7]提出锁扣管幕技术以及深孔注浆技术,通过实际工程应用情况得出这两种技术的控制沉降效果良好。谭忠宏[8]对盾构施工工序、注浆压力、顶推力以及注浆加固范围对变形的控制效果进行了研究。潘政[9]对下穿施工引起的地面建筑和地下构筑物的破坏机制进行了研究,简要总结了目前建构筑物的沉降控制技术,通过数值模拟深入研究了注浆加固影响地层变位的机制。王云博等[10]针对某地铁车站密贴下穿车站工程提出了注浆加固方案,对比了水泥-水玻璃双液浆和硫铝酸盐化学浆的优缺点,通过监测数据验证了注浆效果。

既有研究对于大断面新建车站密贴下穿既有车站的研究较少,该类工程两主体结构之间几乎为“0距离”,需要适用于密贴工程的超前注浆方案。

1 工程概况

北京地铁6号线苹果园站是换乘车站,分别与M1线和S1线换乘。车站为地下两层(局部三层)三跨岛式车站,主要分为标准段、下穿段及三层段。本文重点研究下穿段,下穿段为两层三跨框架结构下穿地铁1号线苹果园站。下穿段主体结构全长52.4 m,车站顶板覆土约11.759 m,底板埋深约27.029 m,车站断面宽23.5 m,车站高度14.9 m。工程采用暗挖PBA工法施工,斜向70°角密贴下穿既有M1线苹果园站主体结构,新建结构与既有结构之间的竖向净距为0.275 m～0.499 m,下穿段两端与带有换乘厅的三层三跨主体结构相连接,下穿段纵剖面及横断面如图1所示。

既有1号线建成于1966年,北京地铁运营公司要求,在导洞开挖阶段,轨道结构累计沉降量应当控制在3 mm以下;而在导洞开挖完成后,轨道结构累计沉降量应当控制在2 mm以下。为满足微小变形的要求,工程采用对周边环境影响较小的PBA工法施工。

2 超前注浆方案

本工程下穿段主体结构按照与既有车站位置关系可分为与一号线重叠区域和非重叠区域(见图2),由于新建车站与既有车站距离太近,所以不同的位置关系需采用不同的深孔注浆方案。

1)下穿段重叠区域深孔注浆方案:重叠区域深孔注浆方案如图3所示,加固区域为上导洞侧墙及底板外地层和下导洞全断面地层。

2)下穿段非重叠区域深孔注浆方案:非重叠区域深孔注浆方案如图4所示,加固区域为上导洞顶板外地层和下导洞全断面地层。

超前注浆需要注意以下三点:

1)先设置止浆墙。2)注浆加固后的土体需要确保其具有连续均匀的强度。3)需要控制注浆的压力。

3 超前注浆范围优化

3.1 数值模型

3.1.1 基本假定

1)假定土体中同一地层均匀、等厚且水平,对地层适当调整厚度简化模拟。2)土体单元遵循修正摩尔-库仑本构模型,结构单元遵循弹性本构模型。3)假定地层以及衬砌结构和梁、板、柱等结构在变形过程中均在其弹塑性形变范围内。4)由于地下水不影响车站主体施工,因此本次不考虑地下水的影响。5)在进行实际开挖过程中,小导洞一般采用台阶法开挖,在本文数值模拟中,对于导洞和扣拱开挖均采用全断面法施工,且不考虑循环进尺。

3.1.2 模型建立与边界条件

模型大小为160 m×60 m×20 m,新建车站与既有车站垂直,既有车站宽度取10 m。模型上表面为自由边界,施加20 kN/m2的均布荷载,其余表面施加法向约束,如图5所示。

3.1.3 材料参数

根据《北京地铁6号线西延工程勘察01合同段苹果园站主体岩土工程勘察报告》将地层简化为8层,并考虑模型建立的简化将部分土层厚度进行修正,修正后的地层参数见表1。

表1 数值模型地层参数

新建车站的边桩、钢管混凝土柱和既有车站柱均采用一维梁单元模拟。采用二维板单元模拟导洞初支和既有车站结构。其他结构单元采用实体单元,通过改变属性的方式进行模拟。既有车站的变形缝采用弹性连接。钢管混凝土柱的弹性模量和重度通过等效的方法进行计算,弹性模量利用抗压刚度相等进行计算。模型具体的结构参数见表2。

表2 结构参数

超前注浆遵循修正摩尔-库仑本构模型,采用更改属性方法实现,超前注浆能够改良土层原有的物理力学参数,通过查找相关文献资料,以注浆层土体的力学参数为基准,弹性模量设置为原来的1.5倍,黏聚力设置为原来的1.4倍,摩擦角增加3°,土体容重增加5%,泊松比设置为原来的0.8倍。

3.2 数值模拟结果分析

分别建立上方有、无既有车站的注浆加固模型,注浆加固范围分别为0 m,0.5 m,1 m,1.5 m,2 m,2.5 m。新建车站上方无既有车站时,不同注浆加固范围条件下因导洞开挖引起的地表沉降曲线图如图6(a)所示,施工完毕引起的地表沉降曲线图如图6(b)所示。

根据图6可知,0.5 m的注浆加固范围对地表沉降的影响并不明显,但是,当注浆范围增大到1 m,沉降量出现了明显的下降,随着注浆加固范围的不断增大,地表沉降逐渐减小。在导洞开挖完毕阶段,注浆加固1 m相比较无注浆加固地表沉降减小13%,注浆加固1.5 m得到的结果与注浆加固1 m相差不大,注浆加固2 m时,地表沉降减小17%,注浆加固2.5 m时,地表沉降减小18%。在施工完毕阶段,注浆加固1 m相比较无注浆加固地表沉降减小8%,注浆加固1.5 m,2 m,2.5 m时,地表沉降虽减小,但变化较小。

新建车站上方存在既有车站时,不同注浆加固范围条件下因导洞开挖引起的既有车站沉降曲线如图7(a)所示(结果提取位置位于既有车站侧墙底部),地表沉降曲线如图7(b)所示(结果提取位置为模型y=10 m处,即既有车站中心上方地表)。

由图7可知,注浆加固范围为0.5 m时,对沉降的控制效果不明显,当注浆加固范围增大到1 m时,既有车站沉降和地表沉降明显减小,随着注浆加固范围的不断增大,既有车站沉降和地表沉降基本呈减小趋势,但在加固范围为2.5 m时,既有车站沉降和地表沉降均较加固范围为2 m时大。观察图7(a)可知注浆加固1 m相比较无注浆加固既有车站沉降减小28%,由此可知,在导洞开挖前在导洞周围进行注浆加固可以有效减小导洞开挖带来的影响,注浆加固1.5 m,2 m对沉降减小效果不明显。观察图7(b),注浆加固1 m相比较无注浆加固地表沉降减小22.9%,注浆加固1.5 m地表沉降减小26.7%,注浆加固2 m和2.5 m地表沉降变化不大。

不同注浆加固范围条件下施工完毕引起的既有车站沉降曲线如图8(a)所示,地表沉降曲线如图8(b)所示。

由图8可知,注浆加固范围为0.5 m时,对沉降的控制效果不明显,当注浆加固范围增大到1 m时,两图显示的沉降均明显减小。加固范围继续增大,沉降继续减小,但加固范围为2.5 m时,既有车站和地表沉降均较加固范围为2 m时大。观察图8(a)可知注浆加固1 m相比较无注浆加固既有车站沉降减小11.7%,其他工况沉降减小效果不明显。观察图8(b)可知注浆加固1 m相比较无注浆加固地表沉降减小12%,注浆加固1.5 m地表沉降减小13.8%,其他工况沉降减小效果不明显。

综合上述沉降曲线进行分析,超前注浆可以对既有车站起到预抬升的作用,从而减小导洞开挖阶段引起的既有车站沉降,在整个施工过程中,起到了一定的控制沉降的效果。根据上文的分析可知注浆加固选取1 m～2 m之间适用于本工程,当新建车站上方存在既有车站时,加固范围为1.5 m较1 m对沉降的效果较为明显,所以综合考虑工程的安全性及经济性,选取导洞周围范围为1.5 m进行超前注浆加固。

3.3 超前注浆

建立超前注浆加固范围为1.5 m的PBA工法施工模型,对超前注浆加固的沉降控制效果进行分析,建立的模型如图9所示。提取导洞开挖阶段既有车站沉降值见表3。

表3 导洞开挖阶段既有车站沉降

由表3可知,超前注浆可以减小PBA工法导洞开挖引起的既有车站沉降,车站结构沉降减小约18%,轨道结构沉降减小约20%,说明超前注浆可以减小群洞效应。

4 结论

本文依托北京地铁6号线下穿段工程开展了超前注浆的研究,得出如下结论:1)密贴下穿工程需要根据新建车站与既有车站的空间位置关系设计超前注浆方案。2)所以综合考虑工程的安全性及经济性,本工程选取导洞周围范围为1.5 m进行超前注浆加固较为合理。3)超前注浆可以有效减小群洞效应。