翟慶生，黃明利，潘 政

（北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市交通堵塞、土地緊張、環(huán)境惡化等問題日益凸顯，地下空間的開發(fā)和地鐵的修建已成為解決上述問題的重要手段.地鐵隧道一般處于城區(qū)，周邊建筑密集，施工中常會(huì)遇到緊鄰或穿越既有建筑物或構(gòu)筑物的情況，因此，穿越施工的變形及風(fēng)險(xiǎn)控制已成為目前的研究熱點(diǎn)[1-7]，尤其對(duì)施工環(huán)境復(fù)雜、控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的地鐵穿越施工，變形控制技術(shù)和注漿方法還有待進(jìn)一步研究.

注漿能有效控制地層和既有結(jié)構(gòu)變形，在地下工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.目前多采用單一強(qiáng)度的漿液加固地層，而單一強(qiáng)度漿液的注漿加固效果有待提高，基于地層協(xié)調(diào)變形理論，借鑒采煤巷道不均勻支護(hù)[8-10]，針對(duì)地鐵穿越施工，提出采取多種漿液注漿的新注漿方法——非等強(qiáng)注漿.

1 非等強(qiáng)注漿加固

1.1 非等強(qiáng)注漿加固原理

在對(duì)隧道開挖引起地層變位的機(jī)制進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍巖中含有橫向不均勻地層（如左邊黏土、右邊砂土）時(shí)，隧道開挖引發(fā)的地表沉降曲線不再是Peck公式表述的正態(tài)分布曲線，而呈現(xiàn)出不對(duì)稱性，即非正態(tài)分布，見圖1.在某橫向不均勻地層隧道施工引起沉降槽兩側(cè)的沉降值和沉降影響范圍不再相等，距隧道中線兩側(cè)相同位置地表點(diǎn)的沉降值也不相同，左側(cè)砂土地層沉降槽比右側(cè)黏土地層的影響范圍更大，表明Peck公式呈對(duì)稱性的前提是地層在水平方向上均勻分布.為解決由于地層橫向不均勻分布引起的非均勻沉降問題，采用非均勻、非等強(qiáng)度注漿的方法改變地層參數(shù)，使其橫向均勻分布，沉降曲線恢復(fù)均勻?qū)ΨQ、正態(tài)分布，實(shí)現(xiàn)地層的均勻沉降和協(xié)調(diào)變形.

圖1 地表沉降Fig.1 surface settlemen

非等強(qiáng)注漿可定義為不同注漿區(qū)域采取不同強(qiáng)度漿液、不同注漿方式、不同注漿體量中的一種或多種注漿手段，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域注漿體強(qiáng)度不同.非等強(qiáng)注漿在地下工程領(lǐng)域尤其是地鐵穿越施工進(jìn)行注漿加固時(shí)對(duì)施工影響顯著區(qū)、圍巖最薄弱處等土體擾動(dòng)大、易產(chǎn)生差異變形，通過混合漿液注漿、改變注漿方式和注漿體量等方法，使薄弱部位加強(qiáng)注漿，并同周邊圍巖一起協(xié)調(diào)變形，從而有效地控制差異變形，使地層和既有結(jié)構(gòu)達(dá)到均勻、協(xié)調(diào)變形的效果，確保新建工程順利實(shí)施和既有結(jié)構(gòu)安全.例如在暗挖隧道穿越或臨近既有建（構(gòu)）筑物施工時(shí)，隧道下穿既有線正下方處及臨近施工隧道的土體受隧道開挖的擾動(dòng)程度較大，而遠(yuǎn)離隧道開挖處的土體受擾動(dòng)程度較小，在注漿方案設(shè)計(jì)時(shí)，采用非等強(qiáng)注漿，對(duì)地層劃分區(qū)域，不同區(qū)域采取不同強(qiáng)度的漿液、不同類型的注漿方式，通過混合漿液、改變注漿體量參數(shù)等手段提出不同注漿方案，經(jīng)過計(jì)算，選用滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求、造價(jià)較低且能確保既有結(jié)構(gòu)安全的最佳方案.

1.2 非等強(qiáng)注漿加固效果

以某圓形暗挖隧道下穿既有建筑物注漿施工為背景，將注漿層劃為3個(gè)不同的注漿結(jié)構(gòu)體，每個(gè)區(qū)域可采取不同強(qiáng)度漿液，通過調(diào)整各注漿體的物理力學(xué)參數(shù)、尺寸大小實(shí)施非等強(qiáng)注漿，注漿結(jié)構(gòu)模型見圖2.

圖2 非等強(qiáng)注漿層結(jié)構(gòu)模型Fig.2 schematic model of non-equal strength grouting

建立4種工況：工況Ⅰ為未注漿；工況Ⅱ?yàn)榈葟?qiáng)度注漿，3個(gè)注漿結(jié)構(gòu)體均采用相同強(qiáng)度漿液，彈性模量為50 MPa；工況Ⅲ為非等強(qiáng)注漿1，中間強(qiáng)，彈性模量為60 MPa，兩邊弱，彈性模量為 50 MPa；工況Ⅳ為非等強(qiáng)注漿2，中間強(qiáng)彈性模量為70 MPa，兩邊弱，彈性模量為50 MPa.

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同工況的地表最大沉降、基礎(chǔ)差異沉降等相關(guān)參數(shù)，用Peck公式對(duì)沉降槽曲線進(jìn)行線性擬合，高斯曲線的幅值與地表沉降槽寬度系數(shù)之比定義為沉降槽形狀系數(shù)，研究表明該系數(shù)越小，沉降槽曲線越平緩.4種工況的沉降值和沉降槽形狀系數(shù)見圖3、表1.

表1 不同注漿強(qiáng)度地表沉降相關(guān)參數(shù)Tab.1 surface settlement parameters of different grouting strength

圖3 不同注漿強(qiáng)度的地表沉降Fig.3 surface settlement of different grouting strength

如圖3、表1所示，4種方案的地表沉降均呈正態(tài)分布，隧道軸線上方的地表沉降最大，向兩側(cè)逐漸減??；非等強(qiáng)注漿方案的地表沉降最大值、基礎(chǔ)差異沉降和沉降槽形狀系數(shù)比未注漿和等強(qiáng)注漿時(shí)顯著降低，沉降槽的形狀由“窄深”變得“寬淺”，表明與單一強(qiáng)度注漿相比，非等強(qiáng)注漿在一定程度上減小地表沉降，能增加沉降槽形狀的改變量，減小差異沉降、實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)變形.

1.3 非等強(qiáng)注漿參數(shù)對(duì)變形的影響

考慮注漿結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度、注漿區(qū)的空間結(jié)構(gòu)和注漿范圍等因素，采用數(shù)值分析的方法，從地表最大沉降、基礎(chǔ)差異沉降和沉降槽曲線形狀系數(shù)3個(gè)指標(biāo)分析注漿加固對(duì)地表及建筑物基礎(chǔ)變形的影響.

（1）注漿結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度對(duì)變形的影響

如圖3所示，注漿結(jié)構(gòu)體的強(qiáng)度越高，對(duì)沉降的控制效果越好，隨著注漿結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度的提高，地表最大沉降減小，沉降槽曲線變平緩，基礎(chǔ)的差異沉降變小，起到了很好的均勻變形作用.

（2）注漿結(jié)構(gòu)體寬度對(duì)變形的影響

為研究注漿結(jié)構(gòu)體寬度對(duì)沉降的影響，對(duì)2種工況進(jìn)行分析.工況Ⅰ為3個(gè)注漿結(jié)構(gòu)體的寬度均取10 m；工況Ⅱ?yàn)?個(gè)注漿結(jié)構(gòu)體的寬度分別取7.5 m、15 m、7.5 m，見圖4.這2種工況的沉降值和沉降槽形狀系數(shù)見表2.由圖4和表2可知，增加注漿層中央注漿體寬度可以減小地表沉降，更好地控制差異沉降.

圖4 不同注漿結(jié)構(gòu)體寬度的地表沉降Fig.4 surface settlement of different grouting structure body width

表2 不同工況地表沉降相關(guān)參數(shù)Tab.2 relevant parameters of surface settlement under different working conditions

（3）注漿厚度對(duì)地表沉降的影響

為研究注漿層厚度對(duì)地表沉降的影響，注漿層厚度分別選取2.0 m、4.0 m、6.0 m和8.0 m，沉降值和相關(guān)參數(shù)見圖5和表3.由圖5和表3可知，地表沉降隨著注漿層厚度的增加而逐漸減??；隨著注漿層厚度的增大，差異沉降值和沉降槽形狀系數(shù)逐漸減小，表明垂直方向上注漿范圍越大，沉降槽曲線越平緩，差異沉降越小.

圖5 不同注漿厚度的地表沉降Fig.5 surface settlement of different grouting thickness

表3 不同注漿厚度地表沉降相關(guān)參數(shù)Tab.3 surface settlement parameters of different grouting thickness

通過隧道上覆注漿層對(duì)地表沉降影響的數(shù)值計(jì)算分析，表明注漿體強(qiáng)度、中央注漿體寬度和注漿厚度與變形、差異變形、沉降槽曲線形狀系數(shù)成反比.

2 非等強(qiáng)注漿加固實(shí)際應(yīng)用

以北京地鐵16號(hào)線紅蓮南里站側(cè)穿蓮花河跨河橋橋樁工程為依托，說明非等強(qiáng)注漿應(yīng)用情況.

2.1 工程概況

紅蓮南里站位于蓮花河?xùn)|側(cè)路與紅蓮南路交叉路口，為地下雙層三跨島式車站，全長為262.7 m，車站主體結(jié)構(gòu)寬22.4 m.車站中心里程處軌面埋深為26.71 m，車站主體結(jié)構(gòu)暗挖下穿南馬連道蓮花河跨河橋，車站拱頂初支結(jié)構(gòu)與橋樁底部的最短距離僅為0.6 m，在暗挖車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中保證蓮花河跨河橋的安全性極為關(guān)鍵.

南馬連道蓮花河跨河橋位于紅蓮南路（南馬連道）跨越蓮花河處，建于1998年，為三跨簡支預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)，支座形式為板式橡膠支座.上部結(jié)構(gòu)端面為3 m×13 m簡支預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板；下部結(jié)構(gòu)的墩臺(tái)由柱接蓋梁組成，圓形墩柱直徑為1 m，蓋梁截面為1.2 m×1.2 m，橋梁基礎(chǔ)均采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m.車站跨路口段主體結(jié)構(gòu)平行下穿橋梁東側(cè)一排，共3根橋樁.

車站標(biāo)準(zhǔn)段覆土厚度為13 m，跨路口段覆土厚度為14 m.根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，工程范圍內(nèi)地層由上至下依次為人工填土層、新近沉積層、第4紀(jì)晚更新世沖洪積層，車站主體結(jié)構(gòu)拱頂主要位于卵石層.工程范圍內(nèi)主要分布地下水類型為潛水，水位埋深為23.00～24.17 m，水位標(biāo)高為21.46～ 19.43 m，抗浮設(shè)防水位取40.00 m，施工導(dǎo)洞及扣拱初襯開挖范圍未進(jìn)入地下潛水位以下.

2.2 實(shí)際應(yīng)用

為克服單一強(qiáng)度漿體加固地層的不足，充分考慮差異沉降和結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形等方面的影響，應(yīng)用非等強(qiáng)注漿對(duì)地層進(jìn)行超前預(yù)加固處理，在劃分注漿區(qū)域時(shí)采用了2種不同強(qiáng)度的注漿：①超前深孔注漿.臨近橋樁一側(cè)的土體，由于其距離橋樁較近，洞樁法（PBA法）車站開挖造成的地層擾動(dòng)對(duì)橋樁產(chǎn)生較大影響，在對(duì)最左側(cè)邊導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞周圍土體進(jìn)行注漿預(yù)加固處理時(shí)，采用深孔注漿的方式，注漿層較厚，厚度為導(dǎo)洞初支外2.5 m，一次注漿深度為10 m，采用高強(qiáng)度漿液注漿.②導(dǎo)洞注漿.遠(yuǎn)離橋樁一側(cè)的土體，由于其距離橋樁較遠(yuǎn)，地下式蓋挖法對(duì)車站開挖造成的地層擾動(dòng)比最左側(cè)邊導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞對(duì)橋樁產(chǎn)生的影響小，在對(duì)最右側(cè)邊導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞周圍土體進(jìn)行注漿預(yù)加固處理時(shí)，采用小導(dǎo)管超前預(yù)注漿的方式，注漿層厚度為1 m，一次注漿深度為3 m，采用低強(qiáng)度的漿液注漿，注漿范圍定為小導(dǎo)洞拱部以上小于180°.通過數(shù)值計(jì)算和方案對(duì)比，最終確定超前深孔的注漿方式.采用高強(qiáng)度漿液注漿（彈性模量80 MPa），導(dǎo)洞注漿采用相對(duì)較低強(qiáng)度的漿液注漿（彈性模量60 MPa），該方案能夠滿足變形控制和安全施工的要求.

4號(hào)樁及3號(hào)樁樁頂部、樁底部的豎向位移，以及每排樁之間的不均勻沉降，見表4、表5.由表4、表5可知，無論是4號(hào)橋臺(tái)樁還是3號(hào)橋墩樁，其蓋梁（樁頂部）及樁基（樁底部）的均勻沉降均在控制值5 mm以下.其中4號(hào)橋臺(tái)樁蓋梁最大沉降發(fā)生在樁4-3頂部處，為2.735 mm；3號(hào)橋墩樁蓋梁最大沉降發(fā)生在樁3-3頂部處，為1.660 mm；4號(hào)橋臺(tái)樁樁基最大沉降發(fā)生在樁4-3底部處，為2.965 mm；3號(hào)橋墩樁樁基最大沉降發(fā)生在樁3-3底部處，為1.429 mm；同時(shí)，4號(hào)橋臺(tái)樁及3號(hào)橋墩樁蓋梁（樁頂部）及樁基（樁底部）不均勻沉降值也均在控制值2 mm以下.無論橋臺(tái)樁還是橋墩樁，在隧道開挖方向上樁基和蓋梁的均勻沉降值均逐漸減小，這是由于隧道開挖的原因?qū)?-3和樁4-3處土體產(chǎn)生多次擾動(dòng)，豎向位移最大.

表4 4號(hào)橋樁豎向位移Tab.4 vertical displacements of No. 4 bridge piles

表5 3號(hào)橋樁豎向位移Tab.5 vertical displacements of No. 3 bridge piles

樁4-2及樁3-2頂部縱向和橫向水平位移，見表6.既有橋樁橫向及縱向水平位移均很小，在5 mm以下，表明PBA法車站施工主要對(duì)橋樁的沉降產(chǎn)生較大影響，由于地層缺失對(duì)橋樁施加的附加載荷并不太大，其水平位移并未超限.由于橋臺(tái)樁4-2距離車站較近，受地鐵開挖對(duì)土體擾動(dòng)的程度較大，其縱向水平位移和橫向水平位移均大于遠(yuǎn)離車站的橋墩樁3-2的.

表6 既有橋樁水平位移Tab.6 horizontal displacement of existing bridge piles

通過對(duì)導(dǎo)洞貫通后現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到墩柱的傾斜、水平位移、豎向位移及地表沉降等各項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)值均小于控制值，表明非等強(qiáng)注漿方法在本工程是可行的，在施工過程中能起到控制墩柱變形的作用，能確保橋樁及臨近建構(gòu)筑物的安全.

除此之外，非等強(qiáng)注漿方法還在北京趙登禹路熱力管線下穿古舊建筑物、北京地鐵16號(hào)線國家圖書館站至二里溝站區(qū)間下穿既有4號(hào)線國家圖書館站至動(dòng)物園站區(qū)間等穿越工程中被廣泛應(yīng)用.趙登禹路熱力管線工程已竣工多年，未發(fā)現(xiàn)存在有質(zhì)量問題，地鐵16號(hào)線兩處穿越工程中應(yīng)用非等強(qiáng)注漿，變形和不均勻沉降也均控制在沉降標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期的工程效果.

3 結(jié)論

（1）通過注漿效果分析表明非等強(qiáng)注漿方法能更好地控制既有結(jié)構(gòu)變形及差異沉降，與等強(qiáng)度注漿方法相比，控制差異沉降能力更強(qiáng).

（2）非等強(qiáng)注漿有關(guān)參數(shù)對(duì)變形的影響規(guī)律的研究表明，注漿體強(qiáng)度、中央注漿體寬度和注漿厚度與變形、差異變形、沉降槽曲線形狀系數(shù)成反比.

（3）在地鐵車站側(cè)穿橋樁的工程中，應(yīng)用非等強(qiáng)注漿加固方法.在臨近既有橋樁較近的一側(cè)采用注漿范圍大、注漿強(qiáng)度高的超前深孔注漿；在遠(yuǎn)離既有橋樁的一側(cè)采用注漿范圍小、注漿強(qiáng)度低的小導(dǎo)管注漿.這種非等強(qiáng)的注漿加固方法，能夠很好地控制既有橋樁變形及地面沉降.