陈 城，彭丽云,乔红军,李广兵

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

受工程地质及水文地质条件影响，北京大部分地区分布多个含水层[1]。随着北京地铁的不断发展，在富水地层中开挖修建的隧道会越来越多。若采用传统方法大幅度降水，则会引起周边地面下陷、管线破裂、房屋沉降开裂甚至倒塌[2]。因此，开挖隧道过程中对地下水的处理是设计和施工中需要重点解决的问题。

目前国内外学者对于地下水的处理进行了大量研究。文献[3-4]通过数值模拟分析富水砂土地层中采用和不采用管棚注浆情况下围岩的位移情况，发现在不降水的情况下管棚注浆预支护可有效控制富水砂层的沉降。文献[5]结合一周围建筑物较多但工程需要降水的基坑工程，分析得出采用隔水帷幕+井点降水+增设内支撑的方法可满足工程降水需求，保证基坑顺利开挖。文献[6]对一基坑工程采取坑内降压+周边设置隔水帷幕方案达到了很好的止水效果且产生的地表沉降较小。文献[7]针对杭州地铁6号线河山路站车站存在无隔水层的承压水，采用了地下连续墙作为支护结构和止水帷幕。文献[8]通过注浆法控制了地下水进入Botniabanan铁路隧道，达到了设计要求的施工条件。文献[9-11]针对一砂卵石地层地铁车站基坑工程，通过注浆加固防止了地下水涌入基坑。文献[12]通过采取地下连续墙有效降低了富水红砂岩地层地铁车站深基坑潜水水位。

上述研究大多根据勘察报告中的地下水位情况进行地下水处理，但在实际情况下地下水水位并非一成不变。降雨、施工等都会引起地下水位发生变化，进而对工程造成影响。本文依据北京新建地铁8号线木樨园桥南站—大红门站区间隧道下穿地铁10号线大红门站—石榴庄站区间隧道工程，研究隧道开挖过程中不同水位条件下地下水对既有结构的影响，并对实际工程中的2种加固措施进行对比分析，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 新建地铁车站位置

新建地铁车站(以下简称新建车站)基坑距既有车站47.1 m处，距离既有隧道右线最小水平距离26.4 m，最近处距既有车站出入口水平距离10.3 m,距既有隧道最小垂直距离2.5 m。新建车站、新建隧道与既有隧道位置关系如图1所示。

1.2 工程地质、水文情况

本次勘探最大孔深57 m，该深度范围内地层分为人工堆积层、第四系沉积层、冲洪积层3大层。拟建场地内主要赋存有上层滞水、潜水、承压水。既有隧道土层由上而下依次为杂填土层、粉细砂②层、卵石③层、粉质黏土④层、粉细砂④层、卵石⑤层、粉质黏土⑥层、粉土⑥层及卵石⑦层。新建隧道地层主要在卵石⑤层内，并且部分位于潜水层(3)，如图2所示。

图2 水文地质剖面

从图2可以看出:新建隧道位于富水砂卵石地层，由于潜水层(3)水量丰富流速较快，且隧道底部存在承压水层在开挖过程中易产生突涌现象。砂卵石层松散，黏聚力小，在开挖过程中易引起隧道掌子面坍塌。此外，新建隧道与既有隧道垂直距离很小，属于特级风险源。穿越施工难度极大，对地层的加固要求很高。北京市自2003年开始对地下直接降水施工进行了严格规定，并且该施工地点位于商业区附近。经过对各种施工工艺的比较研究发现，采用注浆加固方法既可以有效加固地层，减小土体沉降，又无需直接降水。

1.3 施工监测情况

为确保穿越工程的安全，参照DB11/490《地铁工程监控量测技术规程》的要求，在既有隧道两侧布设监测断面，每个断面取9个测点，间距10～20 m，在穿越过程中对既有结构的沉降进行全程监测。数值模拟时也采用相同的监测点进行分析。监测断面(Ⅰ—Ⅳ)及测点布设见图3。

图3 沉降监测点布设(单位：m)

2 计算模型及参数选取

2.1 模型的建立

根据设计图纸及相关资料，考虑到新建车站对既有车站的影响，模型尺寸取116 m(x方向，沿既有隧道)×266 m(y方向，沿新建隧道)×43 m(z方向，自地表向下)。

2.2 土层参数

表1 土体物理力学参数

土体、既有车站结构及注浆加固部分采用实体单元模拟，既有隧道支护采用Shell单元模拟，顶面为自由面，其他界面采用法向约束。地下水压力利用水头压力进行模拟。

2.3 注浆加固参数

表2 注浆后土体物理力学参数

开挖段四周的加固范围如图4所示。

图4 注浆加固范围示意(单位：m)

3 计算结果及分析

3.1 既有隧道沉降模拟值与实测值对比

由开挖完成后竖向位移云图可以得出既有隧道4个断面(参见图3)相应监测点的沉降值。将既有隧道沉降数值模拟曲线与实测曲线对比，见图5。

图5 既有隧道沉降数值模拟曲线与实测曲线对比

从图5可以看出:①数值模拟曲线与实测曲线规律一致，曲线的峰值均大致位于新建隧道左右线的中心处，数值差别较小; ②各断面最大沉降均小于控制值(3 mm)，各断面最大沉降数值模拟值和实测值误差分别为3.8%，6.8%，5.3%和5.0%，证明选取的模型及各参数适合于本工程。

3.2 不同水位下新建隧道施工对既有隧道的影响

施工时间是6月份，北京地区刚刚进入雨季。由于潜水的补给主要依靠大气降水和地表渗水，此时潜水水位处于上升期。等进入旱季潜水水位又会下降，如此反复进行。同时由于施工过程中会对地下水的渗流产生影响，从而改变地下水的水位。故通过FLAC 3D软件对不同水位条件下隧道施工过程进行数值模拟，分析不同水位条件下新建隧道施工对既有隧道的影响。

1)原注浆方案

新建隧道高度6.5 m，宽度6.2 m，潜水水位高于新建隧道底板3 m，隧道底板以下为不透水层。初始水位与新建隧道位置关系见图6。本文选取S-2，S-1，S，S+1，S+2 m 共5种水位(“S”为初始水位，“-”表示降低，“+”表示升高)进行模拟计算。

图6 初始水位与新建隧道位置关系

由不同水位下沉降云图可以得出各断面相应监测点的沉降值。每种水位对应4个断面的沉降值，限于篇幅，只选取每种水位下沉降值最大的那个监测断面绘制沉降变化曲线，见图7(a)。

图7 既有隧道最大沉降断面沉降变化曲线

图8 扩大注浆加固范围示意

从图7(a)可以看出：水位下降时既有隧道各断面的沉降值均小于控制值3 mm；水位上升1 m和2 m时最大沉降值分别为3.13,3.56 mm，均超过了控制值。最大沉降点均位于既有隧道穿越段中心处，这是因为既有隧道穿越段中心处下方的土体未得到注浆加固(参见图4)，所以开挖后土体抗沉降能力较弱。

2)新注浆方案

在原注浆方案的基础上对新建隧道左线和右线中间土体进行注浆加固(如图8所示)，模拟计算不同水位下新建隧道开挖对既有隧道的影响。

既有隧道最大沉降断面沉降变化曲线参见图7(b)。可以看出：扩大了注浆范围后，既有隧道穿越段中心处的沉降发生了明显变化，各监测点的沉降值均小于规定值。说明地下水位上升时通过扩大注浆范围可减小既有结构的沉降,还需根据工程的实际情况确定注浆范围。

4 结论

1)隧道开挖完成后既有隧道各监测点都有不同程度的沉降，沉降曲线的峰值均大致位于新建隧道左右线中心处。

2)沉降数值模拟值和实测值差别较小，两者的变化趋势也一致，验证了所选取的模型及参数合理。

3)原注浆方案下初始水位上升1 m和2 m时，既有隧道监测点的最大沉降值分别为3.13,3.56 mm，超过了控制值。对原注浆范围扩大后，既有隧道各监测点的沉降值均小于控制值。因此，在实际施工中必须密切监测地下水水位的变化，及时作出应对措施，保证工程的施工安全。