地铁隧道穿越既有车站的沉降预测及加固措施分析

谢晟伟

（广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510000）

0 引言

当施工过程中对隧道围岩土体造成干扰导致地层变形后，会对既有地铁车站的安全造成一定危害。同时，若加固不及时，也可能加大沉降风险，甚至造成难以挽回的损失。基于此，该文拟定采取多种沉降预测方法，并提出对应加固措施。

1 工程概况

以广州地铁3号线某区间工程为例，区间上行线长约1 274.6 m，下行线长约1 280.1 m[1]。区间结合地铁实况及工程项目要求，尽可能合理地借助于围岩的自承能力，避免盲目开挖后损坏围岩稳固性。用钢筋网、喷混凝土、钢架进行支护，用模筑钢筋混凝土为二次衬砌。整体施工均做好统筹安排和现场指导，确认按要求顺利进行。

1.1 地质条件

工程项目涉及地段至隧道的地质情况较复杂，分析该地段的地质剖面可知最底层是粉质黏土，从下至上有卵石、中粗砂、粉质黏土、砂质黏土、中粗砂、卵石、中粗砂、粉质黏土、中砂、粉细砂、砂质粉土，最上层是炉灰。

1.2 水文地质

地层中粉质黏土层、粉土层相对隔水，且区域性隔水层缺失。整体地下水分布连续，含水层渗透系数大，属强透水层[2]。工程开挖段处于有水的位置，导致项目施工难度加大。局部地段存在上层滞水。

1.3 既有车站结构

既有车站（1号线体育西站）站台宽度13 m，全长约267 m，底板埋深14 m，车站顶板覆土约1.8 m。

2 工程沉降预测方法

2.1 经验公式法

2.1.1 Peck公式

Peck教授提出“地表沉降符合高斯分布”概念，其整体的沉降曲线如同正态分布。如今该公式早在世界范围内被广泛使用，被看作是预测工程项目中沉降的有效方法[3]。该公式见式（1）、式（2）：

式中，S（x）——距隧道中心x的地表沉降（m）；Smax——位于隧道中心线上的沉降数；i——地表沉降槽的宽度；vi——在单位内地层损失量（m3）；D——隧道的有效直径（m）。

在上述两项公式中，关于指标i、Smax属于最关键的指标，且后者常常会受到地质条件、水文、施工方法、技术水平、管理质量等多个方面的影响。当严格管理且整体施工技术水平较高的情况下，那么影响Smax指标的最大因素，就是工程项目的地质条件，通过总结经验分析公式，能够对工程施工提供参考[4]。

2.1.2 Attewell及Faemer公式

同样，学者Attewell及Faemer在不断研究后，也针对此领域提出对应的公式来作为参考（式3）。

式中，K——沉降槽宽度参数，它和土体性质密切相关；Z0——垂直方向上，隧道轴线到地面的距离（m）；H——覆土宽度；R——隧道等效半径；F——上覆土体平均内摩擦角[5]。

如今，随着我国相关学者对地表沉降的研究越发深入，有相关学者根据我国土地层的特点，对相关公式做出适当调整和修改。通过结合上述相关公式依据，能够预测出该工程项目的地表沉降值。

2.2 理论分析法

和经验分析法相对，理论分析法是基于感性认知上结合理性思维后来认识事物及其规律的分析方法。理论分析的前提在于：结合一定的理论指导，借助于逻辑方法，运用数学理论及方法等，最终经过综合分析得到结论，了解事物的规律。在基于镜像法等有关理论知识、等效土体损失参数等指标后，LOGANATHAN、POULOS提出“土体垂直位移计算公式”（如式4）。该公式基于诸多理论分析得出，相对复杂，

式中，X——距隧道轴线水平距离（m）；Z——垂直距离（m）；h——该工程项目中，隧道顶和地面的间距。

2.3 数值模拟法

其一，要构建计算模型。利用有限元软件设置计算模型，划分出对应的网格结构，分析上边界至地面、侧边界的距离。其二，数值模拟预测。

2.4 沉降预测结果

该次研究的地铁施工项目的沉降预估结果如表1所示，施工技术人员可利用计算机软件，针对所预测出的数值绘制走势图，分别标注出三种不同方法的预测形势。由结果可知：第一，三种方法间最终获得的沉降预测情况间相差不大，为提升预测的工作效率，可选择更便捷的公式经验法分析。第二，采取公式经验法分析后显示，其沉降预测结果和水平轴线距离间为负相关联系，轴线距离越大，计算结果越小。第三，若施工项目中地基未进行加固，那么各节点处的沉降值可能会偏大，出现既有结构的沉降、变形、裂缝的问题，影响地铁运营安全，亟需引起重视。

表1 三种方法的沉降预测结果

3 工程施工加固措施

3.1 施工过程

3.1.1 施工总体部署

结合施工条件、安全要求及工期等指标，可根据工程推进顺序应用喷桩机等设备实施地基加固。施工场地布置合理即可。

3.1.2 施工流程

（1）超前支护。穿越既有车站前，要先在该车站的下方进行加固，方法采取“超前深孔注浆法”，在纵向上将注浆划分成两次实施。第一次加固的范围为纵向上的16 m，两次注浆搭接范围约2 m。所选择的注浆浆液为水泥、水玻璃双液浆，初始压力维持在0.5～0.75 MPa，而后不断调整，最终的压力保持在1.0 MPa后停止。在整个需要加固的范围内全部注浆后，开始钻孔对注浆的效果进行检验，要所检验的样本土体抗压强度要在0.8 MPa及以上，方可证实注浆加固成功。

（2）初支施工。根据《广州地区建筑基坑支护技术规定》（GJB02—98）等规范文件作业，初次支护中进行开挖时，选择型钢钢架，沿着开挖纵向方向作业，每间隔1.5 m设置千斤顶（重量120 t），尤其是在既有车站侧墙、反梁处均需设置。结束后，且初次支护封闭成环后，用千斤顶为其施加5 t的力，进一步保障其贴合严密。施工过程中，要严格根据所监测的情况来增加压力，通常每等级均增加5 t，且加载要保持同步。型钢的内外侧要增加纵向的连接筋，并将其与相邻的格栅间相连。初衬完成后及时进行背后注浆操作。将大断面隧道分成左右两个导洞，从局部来完成开挖。先在左边的导洞上用小导管注浆，以此起到支护效果，并安排人员从不同的台阶（上、下台阶，间距约3～5 m）分别开挖，同时对相应的部位加以支护。随后对左边导洞下方的隧道土方进行开挖，且做好临时支护。同样，对右导洞上部的隧道拱部进行小导管注浆，同样分台阶进行土体开挖。左右两个导洞间的开挖的距离要保持15 m。操作时要注意：第一，把控好导洞开挖中线、尺寸，确保支护工具的安装位置精准无误。第二，强化对施工的监测工作，做好信息反馈，调整技术方案。第三，尽可能减少在局部施工的时间，以尽早完成初支阶段，以防止围岩出现变形，甚至是沉降。第四，因该流程中施工内容多，工序复杂，因而要保障各环节操作正确，且格栅钢架的连接质量较好。

（3）平顶直墙二次衬砌。穿越既有车站的初期支护施工完成后，要注意仍然可能存在沉降的风险。为此，要借助于二次施工来控制，不仅能减少施工时间，还能确保既有车站的安全运行。二次衬砌施工要点如下：第一，将所有中隔墙自仰拱向上1 m内的混凝土进行破除，制作止水钢板。第二，进行施工防水，并绑扎钢筋、浇筑混凝土，尽可能保障一次性浇筑完成。第三，破除中隔板自侧墙向内1 m的混凝土，同样保留工字钢。第四，对侧墙的钢筋进行绑扎，做好防水，并浇筑侧墙的混凝土，共浇筑两次。第五，围绕中隔墙自顶板向下的混凝土，将1 m范围内的均加以破除，且后续步骤同上。第六，同样是做好防水、绑扎，浇筑工作，注意此处的浇筑要分三段进行。完成此程序后，为后续的注浆做准备。

（4）初支与二衬间注浆。首先，要进行注浆管埋设。在此环节中可选择热轧钢管来注浆，由于二衬结构的厚度存在差异，因而具体注浆情况要结合实际来确定。将注浆管设置在隧道拱顶处。横向、纵向的间距分别是3 m、4 m。完成后先进行埋设，并焊接稳固。随后，简单用泡沫板加以封堵，要预防浇筑时不慎堵塞注浆管。其次，注浆。当通过实验测定混凝土的强度满足条件（即为设计强度的75%及以上），此时可进行注浆操作。在注浆前，提前清理好泡沫板等。注浆压力需要严格控制在合理范围，以免压力过大导致浆液溅出后浪费。初始注浆的压力控制在0.1 MPa，最后压力维持在0.2 MPa。最后，封堵锚管。顺利完成以上几项步骤后，可选择用细石混凝土进行封堵，必要时可添加速凝剂来加快效率。

（5）旋喷桩加固。旋喷桩施工机械配备如表2。

表2 旋喷桩施工机械配备表

施工技术方案如下：第一，做好施工准备。第二，准备设备，调整好角度，提高仪器精度。第三，用封箱带将喷气孔进行包扎，开机进行钻孔，直至和设计图纸上的要求一致。第四，开启后压缩空气、水。压缩时压力参数值为0.7 MPa，流量约2～3 m3/min。第五，浆液拌制、开启、处理废浆。浆液压力3～5 MPa，流量70～80 L/min，喷嘴间隙2.0 mm，个数为3。第六，按既定参数将旋转喷浆提升至桩顶。相关参数分别为：v=10～15 cm/min，r=12～14 r/min，水泥掺量720 kg/m3。加固后强度≥1.0 MPa。第七，回顾总结，排查。

（6）监控测量。监控的目的在于能够及时了解施工过程中的风险情况，及时分析及反馈，以此来指导后续施工，确保质量及效率。合理设置监测的节点，重点监控的部位为“地表沉降”，控制值为30 mm，70%预警值为21.0 mm，80%预警值为24.0 mm。在进行隧道开挖时按照一天一次的频率对各个监控点进行测试分析，通过数据的反映来了解对地表沉降的影响情况。最终数据显示，累积的沉降量并未超出预警的数值，因而整体安全性能较好。

（7）注意事项。注意在上述各过程中要明确两项要点：一方面是材料供应的保障，严格控制材料进货的渠道，由工程项目管理人员严格把控好材料关卡，做好质量检测。另一方面是施工中要强化环保意识，并连续对墙体的位移、沉降情况进行观测，提供数据、追踪调查。必要时可调整施工顺序、参数或采取其他措施，以减少影响。

3.2 技术参数

采取加固措施最根本的目的在于保障地铁工程未来的运营安全。相关技术参数总结如下：

（1）超前深孔注浆加固，加固范围囊括了隧道两侧开挖轮廓线，底板处向下方向、纵向均加固3 m。结束后进行测定，保障无侧限抗压强度开挖面≥0.5 MPa，周边≥1.0 MPa，靠近底板3 m范围内，其抗压强度要≤0.3 MPa。

（2）既有车站前、后10 m范围内，可利用“加密格栅钢架”“纵向连接筋”加固，以提升加固效果。

（3）开挖掌子面时增设锁脚锚管，注入浆液加固。该过程中的压力约为0.5 MPa。

（4）进行支护施工的前期，施工中拱部预埋背后注浆管，横向保持间距约2 m，纵向保持3 m。形成闭环后于支护背后压注水泥浆液，压力控制大小同上。

（5）施工过程中要严格控制开挖的程序，严禁超过限制。

（6）在既有车站及其周围设置监测点，在隧道开挖时适当提升监测的频率。所监测出的数据要及时分析上报，根据结果对工程施工参数加以调节。

4 结论

（1）可利用公式经验法、理论分析法、数值模拟法等计算出相关数据，以此预测出沉降情况。从该次研究中的表1看出，三种方法间差异较小。

（2）可采取深孔注浆、小导管注浆等方式控制沉降值，为之后的施工操作提供参考。

（3）该次工程项目采取的施工流程、方法较可行，能够有效预测地表沉降，实现土体加固，保障了行车运营安全，可大力推行。