复杂环境下暗挖车站近贴既有区间风险控制研究

徐福田

（中铁十六局集团地铁工程有限公司 北京 100124）

1 引言

随着城市地铁建设的不断推进，考虑到城市的既有建筑对空间的限制，新建地铁不可避免地与既有车站和区间形成上跨、下穿、侧穿、近接等位置关系［1-2］。如何做到在保持既有结构物稳定的情况下，完成新建车站的修建，从而实现地下大空间既有结构的网络化拓建是一个重难点［3-4］。城市轨道工程中，经常采用深孔注浆的方式进行地层加固，但是施工过程中却会因为不同地层的交替变化，导致注浆压力大小、注浆顺序等注浆参数的变化而降低注浆效果。为此，本文采用一种能够反复多次定量的低压注浆方式——袖阀管注浆，从而从定性和定量角度多次对既有结构进行保护。本文以北京地铁17号线东大桥站为依托，采用深孔注浆超前加固地层、多导洞错开安全步距开挖，以减少群洞开挖沉降叠加效应；袖阀管跟踪动态补偿注浆，自动化实时监测技术等多种措施相结合综合进行风险控制，做好对紧邻既有6号线区间的保护，从而保证既有结构和轨道的稳定及列车运行的安全。

2 工程概况

2．1 工程简介

北京地铁17号线东大桥站与既有6号线东大桥站呈“T”形通道换乘，并与28号线、正在规划的规划北线在此换乘连通。东大桥站位于东大桥路、工人体育场东路与朝阳门外大街、朝阳北路相交的五叉路口。周边建筑物有工人体育场东路小区、蓝岛大厦、百富国际大厦、东大桥东里小区等高层和老旧建筑。车站为岛式车站，总长336.8 m，高17.85 m，车站结构中心里程处单层结构覆土约15.18 m，车站有效站台中心处底板埋深约33.6 m。车站结构含暗挖双层双柱三跨结构、双层三柱四跨结构（长49.7 m）、暗挖单层单洞结构（长36.5 m）三种不同的结构形式。

本文主要是对新建车站施工紧邻既有6号线区间的10 m范围内进行地层加固，控制既有结构沉降。穿越既有区间的地面沉降控制值为30 mm，达到18 mm即为预警值；既有轨道的沉降控制值为3 mm。要求在紧邻既有区间的新建车站开挖时对既有轨道沉降控制标准为1 mm。二者的平面位置关系见图1所示。

图1 导洞与既有区间隧道平面位置关系（单位：mm）

既有6号线朝阳门站-东大桥站区间，采用单洞单线马蹄形断面，复合式衬砌。区间正线初期支护厚度为0.25 m，采用C20早强混凝土。区间二次衬砌厚度为0.3 m，采用C40、P10防水混凝土。区间隧道标准断面开挖高度为6.5 m，宽度为6.2 m。区间靠近东大桥站设置迂回风道，迂回风道采用拱顶直墙断面，断面净宽4.5 m，净高为3.6 m。区间正线及迂回风道均采用暗挖台阶法施工。

紧邻既有6号线的新建车站采用8导洞洞桩法施工，小导洞断面尺寸为5 m×4.6 m或5 m×5.6 m。每个小导洞喷射C20早强混凝土，初期支护厚度为0.35 m，拱部设DN25（φ32）×2.75 mm环向间距＠300 mm、长度L＝2 m的钢焊管，纵向每榀打设，钢格栅间距0.5 m。车站主体结构剖面如图2所示。

图2 紧邻既有区间的车站主体结构剖面（单位：mm）

2．2 工程地质及水文地质

新建车站范围内穿越的地层主要有：杂填土①1层、素填土①层、黏质粉土③层、粉质黏土③1层、粉细砂④3层、细中砂④4层、圆砾⑤层、粉质黏土⑥层、黏土⑥1层、黏质粉土⑥3层、中砂⑦1层、圆砾⑦层、粉质黏土⑧层、卵石⑨层。车站地处三层地下水，分别为层间潜水（三）层位于粉细砂④3层、细中砂④4层、圆砾⑤层、粉质黏土⑥层、黏土⑥1层，稳定水位埋深15.42 m；层间潜水～承压水（四）层主要位于结构开挖范围内，主要分布于⑥粉质土层、⑦层圆砾和⑧层粉质土层，含水层顶板为⑥粉质黏土，顶部隔水层局部缺失形成“天窗”，底板为⑧层粉质黏土，稳定水位埋深22.12 m；承压水（五）主要分布于⑧粉质土、⑨1中砂层、⑨卵石层中，含水层相对隔水层顶板为⑧层粉质黏土，稳定水位埋深22.12 m，测压水位位于结构底板以上约13.6 m。

3 工程难点

（1）距离既有线近

车站上、下导洞临近既有6号线区间隧道，最近水平距离约为3.0 m。上导洞高度与6号线区间隧道基本相同，而下导洞低于6号线区间隧道。导洞高5 m，导洞开挖对3倍导洞高度范围内的地层沉降影响显著。因此，导洞开挖若处理不当，易造成既有线隧道的不均匀沉降，影响其运营安全。

（2）导洞的群洞效应

已有的研究表明，当导洞的中心线间距离小于3D时，在导洞开挖过程中会引起相邻土体的多次扰动，从而导致相应位置沉降，即存在群洞效应［5-7］。本工程的导洞水平中心线间距为7.2～8.86 m，垂直高差为14.27 m，上导洞开挖宽4.7 m，下导洞开挖宽4.7～5.7 m。因此，导洞之间的距离都小于3D，开挖过程中相互影响较大。施工不采取有效措施，会造成地表沉降过大，引起既有结构的变形超标。

（3）市政管线多且近

车站穿越的地下管线种类繁杂、互相交叉。重要管线包括：横跨东大桥车站的2 000 mm×2 350 mm电力隧道、4 500×2 800 mm热力方沟、φ1 750 mm上水管、φ1 550 mm污水管、1 600×950 mm热力方沟、4根燃气管（φ300、φ400、φ406、φ508）、φ600 mm上水管及先平行车站后横跨车站交错于车站的4 500×3 000 mm雨水方沟等。施工中如何做到在保证管线安全的条件下，完成车站的施工是本工程的重难点。

4 施工方案比选

4．1 既有方案存在的问题

在临近既有区间的10 m范围内，需要对开挖区域的地层进行超前预加固。主要采用二重管深孔注浆，加固范围为开挖轮廓线外2 m及掌子面全断面，且在导洞开挖到设计位置后，打设DN25（φ32）×2.75 mm钢焊管，对区间隧道两侧面地层进行注浆加固。采用水泥-水玻璃双浆液，注浆压力不超过0.5 MPa。该加固措施能够将原有土体强度有效提高20%，有效增强加固土体的均匀性，减少施工过程中对土体的多次扰动，达到理想的开挖条件。

但是仅采用上述的加固措施存在以下主要问题：（1）不能保证深孔注浆后的浆液扩散性，加固范围不足，不能保证既有区间结构侧下方的土体得到有效加固；（2）这种加固方案经过模型计算后，可知既有轨道沉降变形控制值达到1.43 mm，临近既有区间施工引起既有结构轨道的沉降变形较大，占总变形沉降量（控制值3 mm）的47.7%，对后续下穿段的既有轨道变形沉降值（剩余沉降量1.67 mm）控制难度增大［8-9］。

4．2 施工方案的确定

针对上述问题，结合“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针原则，优化原有的施工方案，加大土体加固后的强度，即增加袖阀管注浆［10-11］，扩大了注浆范围，承担了对既有轨道施工保护的主要部分。具体见图3所示。

图3 导洞与既有区间加固范围剖面（单位：mm）

详细施工方案：

（1）小导洞采用台阶法施工，先上后下，先边后中。即先施工上导洞和边导洞，后施工下导洞和中导洞。为了减少群洞效应，上下及相邻导洞至少拉开15～20 m距离。

（2）上、下层导洞开挖至距离既有区间10 m段时，停止开挖，施作封端止浆墙。封端墙挂设双层φ6.5＠150×150 mm钢筋网片，喷射300 mm厚的C20早强混凝土。

（3）采用二重管后退注浆方式进行深孔注浆，注入水泥-水玻璃双液浆，注浆压力不超过0.5 MPa；注浆范围为上下导洞、横向导洞、扣大拱的全断面范围内及开挖轮廓线外2 m范围内。

（4）深孔注浆完成后，继续开挖上层导洞，到车站端头后，挂网喷射C20混凝土，进行封端处理，然后在上层导洞底板及侧墙内向斜下方打设φ42 mm的袖阀管，袖阀管长度9～12 m。对邻近既有区间隧道两侧及侧下方进行注浆加固，注入水泥-水玻璃浆液，控制好打设角度和注浆压力，避免既有区间的上浮。

（5）下层导洞开挖至车站端头后，对其进行封端处理，然后在导洞内向斜上方打设φ42 mm的袖阀管，对邻近既有区间隧道两侧及底部进行侧向补充注浆，进一步提高既有区间两侧土体的强度。

（6）经过多次注浆加固，将对既有区间轨道的变形影响控制在0.8 mm内，为后续车站下穿既有区间施工沉降控制指标留有充足的余量（后续沉降变形量2.4 mm）。

5 主要施工工艺

5．1 深孔注浆

本工程加固地层主要是在深孔注浆的基础上，辅以袖阀管注浆［12］。深孔注浆设置在小导洞距离既有区间10 m处，设置1道止浆墙。采用地质钻机成孔，注入水泥-水玻璃浆液，如图4所示。深孔注浆采用二重管后退式注浆，其施工工艺比较常见，在此不再赘述。

图4 深孔注浆范围（单位：mm）

5．2 袖阀管注浆

袖阀管注浆是一种比较先进的注浆方式，它能够定深、定量、分段、间歇、重复注浆，且能多角度、多方位注浆。其施工工艺见图5。

（1）袖阀管布置

车站主体断面沿横向每隔5 m做一次袖阀管的注浆。每个横断面上设置15根φ42 mm袖阀管，具体分布尺寸如下：上层导洞内打设7根袖阀管，以竖向为基准点，角度从小到大依次为0°、10°、19°、26°、35°、46°、59°；长度依次为11.5 m、11 m、12 m、12 m、12 m、9 m、9 m。下层导洞内打设8根袖阀管，角度依次为 0°、7°、13°、20°、43°、57°、68°、81°；长度依次为 6.5 m、6 m、5 m、4 m、4.5 m、4.5 m、4.5 m、4.5 m。袖阀管布置如图6所示。

图5 袖阀管注浆施工工艺

图6 袖阀管布置（单位：mm）

（2）钻孔

采用XY-100型探矿钻机钻孔，成孔直径为50 mm。施工前对孔位进行测量放线，用白色标记标出断面上孔位的具体位置，然后搭设钻机塔架，移动钻机至相应具体位置。

施工过程中按照隔两孔打一孔的方式打设，防止钻进过程中引发周边相邻孔位的坍塌。

（3）袖阀管安装

将袖阀管放入注浆钻孔中。施工过程中要不断量测注浆管，确保注浆管伸至孔底，并且高出孔位20 cm，以保证后续的注浆效果。

（4）下芯管注套壳料

待钻孔深度达到设计深度后，用清水洗孔，然后将黏土和水泥组成的套壳料通过钻杆泵送至孔底，待灌注的套壳料从管口溢出，且溢出的浆液经检测与配制的原料一致时，此工序完成。

（5）浆液制备及注浆

在施工前按照1∶0.8的比例配置好水泥-水玻璃浆液，通过双液注浆泵混合两种溶液，达到最佳效果，然后后退式分段注入浆液。注浆采用从上到下、从邻近段到远离段的顺序。

（6）提升芯管

注入浆液后，缓慢匀速地拔出芯管，每次拔出30～50 cm。

（7）注浆结束

当注浆压力达到0.5 MPa，继续注浆10 min，当注浆压力不再变化时，结束注浆。

6 施工监测

6．1 测点布置

为了监测紧邻既有区间段施工对周边地表、洞内轨道的变形情况，地面每隔5 m设置一排地表沉降点，在一个横断面上连续布置7～11个监测点。初支开挖期间设置收敛点、拱顶沉降点。

监测频率：在距开挖断面9.2 m范围内，一天监测1～2次；9.2～23 m范围内，两天监测1次；距离开挖断面大于23 m后，一周监测一次。当变形稳定后，监测频率调整为一个月一次。

6．2 监测曲线

根据施工进展，一个月内对紧邻既有区间段沉降进行监测，得出沉降数值，绘制沉降趋势图，如图7所示。

图7 既有隧道沉降趋势

6．3 沉降分析

搜集、分析整个施工过程中的监测数据，地表沉降值最大达到9.8 mm＜30 mm（标准值），同时也不超过18 mm的预警值（标准值的60%）；既有运营轨道的竖向沉降值最大达到0.8 mm＜1 mm（标准值）；带压管线的沉降值最大达到5 mm＜10 mm（标准值）。

7 结束语

施工中采用袖阀管注浆、深孔注浆、多导洞错开和沉降监测技术进行风险控制，有效地加固了地层。在既有区间和下穿段形成一个刚性结构，减少了下穿段开挖对既有轨道的扰动，促使既有轨道的变形在可控范围内，此方法可以在同类工程施工中推广应用。同时施工过程中要做好对袖阀管的定位工作，确保在打设和安装时不会对既有区间产生直接接触，重点是做好压力控制，避免压力过大引起既有区间轨道上浮。