地鐵隧道下穿淤泥地層工法比選及技術(shù)探討

樓朝偉，趙冬旭

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001)

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地鐵隧道下穿淤泥地層工法比選及技術(shù)探討

樓朝偉1，趙冬旭2

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001)

以廣州地鐵4號(hào)線南延段地鐵隧道下穿深厚淤泥層為背景，從方案論證、管片特殊設(shè)計(jì)以及軟基加固等幾個(gè)方面進(jìn)行比選和優(yōu)化，解決淤泥地層盾構(gòu)隧道偏心受壓和工后隧道沉降量大的問(wèn)題。得出如下結(jié)論：淤泥層區(qū)間設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先選用盾構(gòu)法，在淤泥層深厚區(qū)域結(jié)合周邊環(huán)境及車站選型選用大盾構(gòu)可降低總成本，減少后期地鐵保護(hù)難度；在欠固結(jié)、存在滑移趨勢(shì)的淤泥層中應(yīng)特別重視偏心受壓對(duì)盾構(gòu)管片的影響，可通過(guò)增加管片配筋提高抗彎、抗裂性能，通過(guò)增設(shè)變形縫提高結(jié)構(gòu)柔度等措施提高管片受力狀況及耐久性。

地鐵；深厚淤泥層；大盾構(gòu)；加固；偏心受壓；沉降

為了有效緩解城市公共交通問(wèn)題，中國(guó)已累計(jì)有26個(gè)城市建成投運(yùn)城軌線路116條，運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度3 612 km(含鄭州機(jī)場(chǎng)線、蘭州機(jī)場(chǎng)線)[1]，2015年新增15條運(yùn)營(yíng)線路，運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度438 km。伴隨著地鐵運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度的急速增長(zhǎng)，一系列相關(guān)問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)。自地鐵運(yùn)營(yíng)開始，由于地質(zhì)條件、外界環(huán)境、列車振動(dòng)等諸多因素的影響，運(yùn)營(yíng)期間區(qū)間隧道沉降量隨時(shí)間不斷增大并有逐漸惡化趨勢(shì)，圖1統(tǒng)計(jì)了某城市地鐵2002～2011年管片沉降變化趨勢(shì)。

圖1 某城市地鐵管片沉降隨時(shí)間變化曲線

較大的不均勻沉降將直接影響地鐵運(yùn)行安全，這種現(xiàn)象廣泛存在于埋設(shè)于軟土中的既有地鐵隧道，特別是沿江、沿海等淤泥層深厚城市[2-4]。為了更好地把握軟土隧道中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)律，對(duì)該地區(qū)軟土區(qū)間隧道的研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作顯得越來(lái)越具有實(shí)用性和指導(dǎo)作用。

1 廣州地鐵4號(hào)線南延段淤泥層介紹

廣州地鐵4號(hào)線南延段線路長(zhǎng)約12.6 km，全線6個(gè)區(qū)間、2條停車場(chǎng)出入線除金洲—金隆區(qū)間、東出入場(chǎng)線外，其余區(qū)間淤泥層均廣泛分布。沿線軟土層厚度變化大，大致為西出入場(chǎng)線靠寡涌、廣隆涌、廣隆—大涌區(qū)間靠大涌、塘坑—資訊園區(qū)間靠三勝圍，資訊園—南沙客運(yùn)港區(qū)間靠南沙客運(yùn)港站淤泥層分布較廣，埋深較深，其中南沙客運(yùn)港站附近軟土厚可達(dá)近30 m。

淤泥層主要為海陸交互相沉積層，分層及其特征如下。

〈2-1A〉淤泥：呈深灰色、灰黑色，主要由黏粒及有機(jī)質(zhì)組成，含較多粉砂及貝殼碎片，飽和，流塑，具臭味。含水量平均61%，孔隙比1.69。

〈2-1B〉淤泥質(zhì)土：灰色、黑色，飽和，流-軟塑，有腥臭味，以黏粒為主，局部含有腐植質(zhì)。局部分布，含水量平均49.7%，孔隙比1.28。

各區(qū)間軟土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各區(qū)間淤泥層物理力學(xué)指標(biāo)

表1中物理力學(xué)參數(shù)表明：相對(duì)于其他區(qū)間軟土，資訊園—南沙客運(yùn)港區(qū)間軟土分布更廣泛、含水量相對(duì)更高、壓縮模量更低、土體承載力更低、滲透性更差，屬于淤泥層中的力學(xué)性質(zhì)更差的特殊段，需考慮做特殊設(shè)計(jì)。

2 淤泥地層工法的比較

海陸交互相沉積淤泥層〈2-1A〉及淤泥質(zhì)土層〈2-1B〉具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高，靈敏度高的特點(diǎn)。隧道基底位于淤泥層，在上部荷載或振動(dòng)作用下易產(chǎn)生固結(jié)變形和不均勻沉降[5-7]。目前隧道周邊地塊尚未大規(guī)模開發(fā)，開發(fā)過(guò)程地下水位下降，孔隙水被擠出，軟土蠕動(dòng)變形將引起地面沉降及隧道單側(cè)偏壓[8-9]，從地鐵自我保護(hù)角度出發(fā)，區(qū)間隧道方案宜考慮深、厚淤泥層對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 一般段淤泥層工法比較

根據(jù)規(guī)劃、場(chǎng)地條件及工程地質(zhì)，區(qū)間隧道可供選擇的工法主要有淺埋明挖+地基加固、淺埋明挖地下橋、雙洞單線小盾構(gòu)、單洞雙線大盾構(gòu)。淺埋明挖隧道基底位于淤泥層，淤泥層承載力低，靈敏度高，在上部荷載或振動(dòng)作用下固結(jié)變形，沉降無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)要求，如采取地基加固，加固工程量大，不經(jīng)濟(jì)。采用地下橋可以解決隧道使用過(guò)程中沉降的問(wèn)題，基底采用工程樁，可減少加固工程量，經(jīng)濟(jì)上要優(yōu)于淺埋明挖+基底加固。但淤泥地層圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本高，施工期間交通疏解、管線遷移工作量大，不宜在城市道路下方實(shí)施。

盾構(gòu)中埋+局部地段地基加固方案可以減少交通疏解、管線遷移工作量，同時(shí)施工過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響相對(duì)較小，施工風(fēng)險(xiǎn)也顯著下降，對(duì)金隆—資訊園區(qū)段、西出入場(chǎng)線大部分區(qū)域淤泥層埋置深度不深，常規(guī)6 000 mm小盾構(gòu)可滿足受力需要，對(duì)盾構(gòu)中埋+局部基底加固方案與淺埋明挖地下橋方案對(duì)比如表2所示。

2.2 特殊段淤泥層工法比較

資訊園—南沙客運(yùn)港區(qū)間淤泥層深度普遍較深，尤其是區(qū)間后半段，靠珠江入?？?，淤泥層最深達(dá)30 m，軟土標(biāo)貫擊數(shù)和物理力學(xué)指標(biāo)也明顯較其他區(qū)間低，小盾構(gòu)中埋+基底加固方案基底加固深度深、范圍較大，結(jié)合南沙客運(yùn)港站遠(yuǎn)期與地鐵15號(hào)線換乘，從降低15號(hào)線建設(shè)難度出發(fā)，4號(hào)線南延段軌道層宜設(shè)置在地下負(fù)三層，這為采用單洞雙線大盾構(gòu)提供了條件。

目前國(guó)內(nèi)公路、市政雙向4車道盾構(gòu)外徑多在11.0～11.6 m，該尺寸盾構(gòu)機(jī)國(guó)內(nèi)保有量較大。φ11.0～11.6 m盾構(gòu)隧道限界能較好地適應(yīng)地鐵單洞雙線隧道，雖然資南區(qū)間大盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度不長(zhǎng)，但盾構(gòu)機(jī)無(wú)需定制，成本并不會(huì)很高。外徑11.3 m 大盾構(gòu)管片厚500 mm，隧道抗推剛度大，能更好地適應(yīng)周邊地塊開發(fā)過(guò)程中淤泥層蠕變、側(cè)向位移對(duì)隧道的影響[10-13]。大盾構(gòu)基底可基本避開淤泥層，減少了基底加固費(fèi)用，總體造價(jià)基本與小盾構(gòu)中埋+基底加固相當(dāng)。資訊園—南沙客運(yùn)港區(qū)間雙線盾構(gòu)方案與局部單洞雙線大盾構(gòu)方案綜合比選見表3。

表2 盾構(gòu)中埋方案與明挖淺埋方案綜合比選

表3 雙線盾構(gòu)與局部大盾構(gòu)綜合比選

3 針對(duì)淤泥地層盾構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)

淤泥地層盾構(gòu)的設(shè)計(jì)主要從提高管片自身抗彎、抗變形能力和改善盾構(gòu)周邊土體強(qiáng)度兩種途徑來(lái)減少淤泥層起對(duì)盾構(gòu)隧道的不利影響。

3.1 管片的特殊設(shè)計(jì)

3.1.1 提高管片自身抗彎能力

淤泥層抗剪強(qiáng)度低，水平及豎向土層地基系數(shù)僅6～7 MPa/m，約為其周邊土層地基系數(shù)的1/4～1/5，土側(cè)壓力系數(shù)高達(dá)0.75，遠(yuǎn)大于其他土層。盾構(gòu)下穿淤泥層承受更大的水土壓力，在土層分界面，盾構(gòu)變形不協(xié)調(diào)引起管片內(nèi)力局部偏大現(xiàn)象更為明顯。4號(hào)線南延段北側(cè)靠山，南側(cè)近海，淤泥層較厚區(qū)段線路基本為東西走向，根據(jù)勘測(cè)報(bào)告，左右線盾構(gòu)淤泥層埋深差異較大，淤泥層傾角局部近45°(圖2)，盾構(gòu)兩側(cè)位于不同地層，管片承受側(cè)向非對(duì)稱土壓力作用，土壓力及土抗力均差別較大，有必要對(duì)其受力變形特性進(jìn)行詳細(xì)分析。計(jì)算采用Midas/GTS三維巖土有限元分析軟件，按地層結(jié)構(gòu)模型模擬盾構(gòu)在淤泥層中的受力狀況。土層選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，管片選用各向同性彈性本構(gòu)模型，盾構(gòu)位于淤泥層與一般地層盾構(gòu)管片內(nèi)力[14-15]比較見圖3。

圖2 淤泥層橫斷面分布

圖3 淤泥層段與一般段盾構(gòu)管片內(nèi)力比較

計(jì)算結(jié)果表明：管片在偏壓荷載作用下內(nèi)力分布圖發(fā)生了明顯變化。一般地層的管片彎矩、軸力沿管片中軸線對(duì)稱分布，最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在側(cè)墻；淤泥地層盾構(gòu)隧道在承受偏壓作用下，管片內(nèi)力圖雖仍對(duì)稱，但對(duì)稱軸基本與淤泥層分界線垂直。在同等埋深工況下，一般地層管片每延米最大負(fù)彎矩82.87 kN·m，最大正彎矩86.23 kN·m；淤泥層管片最大負(fù)彎矩99.85 kN·m，最大正彎矩114.10 kN·m。負(fù)彎矩較一般段大約20.5%，正彎矩較一般段大約32.3%，有必要增強(qiáng)管片配筋以提高結(jié)構(gòu)抗彎能力。

3.1.2 提高隧道變形能力

車站和區(qū)間結(jié)構(gòu)剛度的差異，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)連接的薄弱部位容易產(chǎn)生較大變形，甚至出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形[16-17]。同時(shí)，區(qū)間大盾構(gòu)直徑較大，拼裝誤差容易造成管片張口較大，區(qū)間管片之間的防水主要通過(guò)三元乙丙彈性密封墊等防水材料通過(guò)壓縮變形以達(dá)到密封防水效果，若采用與小盾構(gòu)一樣的密封墊厚度容易引起壓縮不密實(shí)，為保證區(qū)間大盾構(gòu)在與車站連接處的防水性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在連接部位的柔度，提高隧道變形能力，在區(qū)間與車站銜接位置設(shè)置變形縫。變形縫處加厚防水材料，做法為：在三元乙丙彈性密封墊普通橡膠環(huán)框的環(huán)面上加貼3 mm×32 mm矩形遇水膨脹橡膠條；在遇水膨脹橡膠密封墊環(huán)框的環(huán)面上加貼3 mm厚遇水膨脹橡膠條。變形縫設(shè)置在始發(fā)、到達(dá)加固區(qū)邊緣，每道變形縫連續(xù)設(shè)置兩環(huán)。大盾構(gòu)與車站連接處變形縫特殊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 大盾構(gòu)與車站連接處變形縫特殊設(shè)計(jì)

3.2 淤泥地層的加固設(shè)計(jì)(圖5)

為減少地鐵運(yùn)營(yíng)區(qū)間不均勻沉降，提高隧道抗推及自我保護(hù)能力，保證地鐵運(yùn)營(yíng)期間安全，對(duì)盾構(gòu)基底軟弱地層進(jìn)行加固。

加固采用格柵布置φ850@600 mm三軸攪拌樁地面加固[18-19]，涉及管線施工困難區(qū)域采用格柵布置φ800@600 mm雙管旋噴樁替代加固。加固橫向至盾構(gòu)外側(cè)2.8 m，底部穿透〈2-1A〉淤泥層、〈2-1B〉淤泥質(zhì)土層進(jìn)入下部土層0.5 m。加固后，大、小盾構(gòu)加固體面積置換率均取盾構(gòu)基底范圍內(nèi)加固體，面積置換率均為0.577，對(duì)有黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)7.1.5-2條進(jìn)行計(jì)算。

0.8(1-0.577)×65=166 kPa

式中fspk——復(fù)合地基承載力特征值；

λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值；

m——面積置換率；

Ra——單樁承載力特征值，kN；

Ap——樁截面積，m2；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。

地基加固后的復(fù)合地基承載力特征值理論計(jì)算值為166 kPa，滿足承載力要求。

圖5 三軸攪拌樁加固平面布置(單位：mm)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地鐵4號(hào)線南延段隧道下穿淤泥層工法技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析及對(duì)管片數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于周邊環(huán)境復(fù)雜，淤泥層埋深較淺地段，相比于明挖法和地下橋方案，小盾構(gòu)中埋方案管線遷改、交通疏解難度小，工程造價(jià)低，通過(guò)合理選擇持力層、優(yōu)化管片配筋輔以局部加固，可滿足受力及工后沉降的要求，可實(shí)施性強(qiáng)。

(2)對(duì)于地質(zhì)條件較差、淤泥層深厚區(qū)域，相比小盾構(gòu)中埋方案，在區(qū)間線路條件允許的情況下，采用單洞雙線大直徑盾構(gòu)方案可減少加固工程量、降低施工及后期地鐵保護(hù)難度，利于運(yùn)營(yíng)維護(hù)，方案的選擇應(yīng)結(jié)合相鄰車站選型、周邊建筑物情況及工程總體造價(jià)綜合考慮。

(3)在欠固結(jié)、存在滑移趨勢(shì)的淤泥層中應(yīng)特別重視偏心受壓對(duì)盾構(gòu)管片的影響，可通過(guò)增加管片配筋提高抗彎、抗裂性能、增設(shè)變形縫提高結(jié)構(gòu)柔度等措施提高管片抗變形能力及耐久性。

(4)根據(jù)上海、廣州建成盾構(gòu)隧道監(jiān)測(cè)結(jié)果，淤泥層失水固結(jié)易引起隧道沉降，在條件允許的情況下建議適當(dāng)加大盾構(gòu)內(nèi)徑，為后期調(diào)線預(yù)留條件。

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Comparison of Constructive Method and Technological Discussion on Metro Tunnel in Silt Layer

LOU Chao-wei1， ZHAO Dong-xu2

(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China;2.Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Hefei 230000， China)

Based on the southern extension of line 4 of Guangzhou subway， the main aim of this paper is to solve the eccentric compression and after-construction settlement of the shield tunnel in silt layer by means of comparison and optimization of construction method， special design of segments and soft foundation consolidation. The results show that shield tunnel should be selected preferentially for tunnels in silt layer; where the silt layer is very deep， large diameter shield tunnel can be best selected to lower the cost and reduce the difficulties in later metro protection; where located in less consolidated soil with potential slippage， the segments are likely to suffer eccentric compression， which can be avoided by adding more reinforcing bar to improve bending and cracking resistance and by setting additional deformation joints to improve segment stress condition and durability.

Metro; Deep silt layer; Large diameter shield tunnel; Reinforcement; Eccentric compression; Settlement

2016-03-01；

2016-05-30

樓朝偉(1981—)，男，高級(jí)工程師，2003年畢業(yè)于華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail：chaoweilou@qq.com。

1004-2954(2016)12-0099-05

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.022