軟土地層盾構(gòu)隧道沉降控制措施研究

殷凱

摘 要：文章分析了城市軌道交通地鐵盾構(gòu)隧道軟土區(qū)域沉降的特點(diǎn)及原因，并結(jié)合武漢地鐵的經(jīng)驗(yàn)，提出了盾構(gòu)隧道底部軟土的判別原則；并綜合考慮軟土分布及周邊環(huán)境等因素，提出了地面加固、洞內(nèi)加固及地面加固與洞內(nèi)加固相結(jié)合的三種軟土處理措施，分析了其各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性；文章所提的盾構(gòu)隧道軟土判別原則及地層加固方式可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)隧道；軟土；地層加固

中圖分類號(hào)：U456 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0120-03

Abstract： This paper analyzes the characteristics and causes of soft soil regional settlement of shield tunnel in urban rail transit， and puts forward the discriminating principle of soft soil at the bottom of shield tunnel based on the experience of Wuhan Metro， and comprehensively considers the distribution of soft soil and the surrounding environment. Three soft soil treatment measures， ground reinforcement， hole reinforcement and combination of ground reinforcement and tunnel reinforcement， are put forward， and their respective advantages， disadvantages and applicability are analyzed. The principle of soft soil identification and the method of stratum reinforcement of shield tunnel mentioned in this paper can be used for reference for similar projects.

Keywords： subway； shield tunnel； soft soil； stratum reinforcement

1 概述

城市軌道交通地鐵盾構(gòu)隧道在軟土區(qū)域的沉降問題越來(lái)越受到關(guān)注。根據(jù)上海、杭州、武漢等地的監(jiān)測(cè)，處于軟土地層的盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)期沉降是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，其沉降往往需3～5年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期的沉降危害主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）長(zhǎng)期沉降尤其是不均勻沉降過大，會(huì)影響盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)安全性，造成管片開裂、掉塊等現(xiàn)象。（2）盾構(gòu)隧道沉降過大，會(huì)造成管片環(huán)縫或縱縫張開過大，進(jìn)而造成管片漏水，將影響隧道正常使用，甚至造成結(jié)構(gòu)耐久性不足的問題。（3）盾構(gòu)隧道沉降過大，可能會(huì)造成隧道限界不足，并造成內(nèi)部管線、接觸網(wǎng)等設(shè)施的安全問題，影響列車的安全運(yùn)營(yíng)。（4）一旦運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大沉降，所能采取的有效補(bǔ)強(qiáng)措施較為有限，其實(shí)施效果也較難保證；同時(shí)由于列車已經(jīng)處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，只能在夜晚列車停運(yùn)的天窗時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)施工，施工成本高昂，且對(duì)既有隧道運(yùn)營(yíng)會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)。

地鐵盾構(gòu)隧道的長(zhǎng)期沉降危害較大且處理難度大，因此應(yīng)需在運(yùn)營(yíng)前的隧道建設(shè)階段采取必要的處理措施，控制軟土地層隧道的長(zhǎng)期沉降。本文主要分析盾構(gòu)隧道軟土區(qū)域產(chǎn)生沉降的原因、軟土的判別及采取的工程處理措施。

2 沉降原因分析

根據(jù)武漢地鐵沉降數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)以及地質(zhì)水文資料的分析，造成盾構(gòu)隧道軟土區(qū)沉降的原因主要有以下三個(gè)方面：（1）軟土工程性質(zhì)較差。盾構(gòu)隧道施工過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)會(huì)對(duì)周邊地層造成擾動(dòng)并引起孔隙水壓的變化，而由于軟土的工程特性，會(huì)引起軟土顆粒結(jié)構(gòu)的破壞及重組，引起軟土區(qū)隧道的沉降。關(guān)于地鐵盾構(gòu)隧道底部軟土的判別將在下文進(jìn)行分析。（2）地鐵周邊頻繁建筑活動(dòng)。軌道交通工程往往位于城市繁華地帶，周邊物業(yè)及商業(yè)開發(fā)項(xiàng)目眾多，其施工過程尤其是地下室基坑的開挖及降水等過程會(huì)對(duì)地鐵隧道造成不利影響。（3）列車震動(dòng)。地鐵通車后行車密度較大，地鐵結(jié)構(gòu)、道床及下部軟土層長(zhǎng)期處于低頻連續(xù)振動(dòng)的環(huán)境下，導(dǎo)致軟土下臥層地基產(chǎn)生較大沉降。

3 盾構(gòu)隧道底部軟土判別

工程中的軟土是一個(gè)寬泛的概念，對(duì)于不同領(lǐng)域，由于其關(guān)注重點(diǎn)指標(biāo)的差異，具體的規(guī)定也有差異。一般而言，軟土具有以下特征：天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度高、擾動(dòng)性大、透水性差、土層層狀分布復(fù)雜、各層之間物理力學(xué)性質(zhì)相差較大等特點(diǎn)。

關(guān)于軟土，一般從孔隙比和天然含水量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)進(jìn)行定義是比較科學(xué)合理的。如建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)《軟土地區(qū)巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ83-2011）中規(guī)定，天然含水量大于或等于液限，且天然孔隙比大于或等于1.0的細(xì)粒土視作軟土；實(shí)際上符合以上指標(biāo)的土即為淤泥質(zhì)土或淤泥。武漢市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)頒布的《武漢市深厚軟土區(qū)域市政與建筑工程地面沉降防控技術(shù)導(dǎo)則》（2015），基本沿用了上述定義，但同時(shí)指出根據(jù)武漢市地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，地基承載力特征值不超過70kPa的土層應(yīng)判定為軟土。

根據(jù)武漢地鐵設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)的經(jīng)驗(yàn)，若完全按照以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，則只有淤泥或淤泥質(zhì)土符合軟土的定義；而根據(jù)實(shí)際的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，天然含水量與孔隙比未達(dá)到以上標(biāo)準(zhǔn)，但各項(xiàng)指標(biāo)較差的粘性土層，同樣存在后期沉降較大的情況，應(yīng)視作軟土進(jìn)行考慮。同時(shí)天然含水量與孔隙比指標(biāo)離散型較大，隨季節(jié)不同、測(cè)量方法不同而差別較大，存在不確定性。因此總結(jié)武漢地鐵的經(jīng)驗(yàn)，并征求武漢市相關(guān)專家的意見，總結(jié)出如下的軟土判別標(biāo)準(zhǔn)：（1）流塑狀的土層。（2）流塑～可塑的土層且其余地層指標(biāo)明顯較低。（3）地基承載力（fak）小于70kPa。（4）標(biāo)準(zhǔn)貫入度（N）小于6。（5）壓縮模量（Es）小于4.0MPa。（6）易液化或高靈敏度土。（7）單橋探頭比貫入阻力（Ps）小于0.8MPa。

若地層參數(shù)符合以上指標(biāo)要求，則可考慮將該土層判別為軟土；但在實(shí)際設(shè)計(jì)及施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)各種指標(biāo)體現(xiàn)出的特點(diǎn)不一致甚至矛盾的情況，則建議以單橋探頭比貫入阻力（Ps）及標(biāo)準(zhǔn)貫入度（N）為主進(jìn)行判斷。

需要說明的是，由于巖土工程的復(fù)雜性及較強(qiáng)的地域性，需結(jié)合具體地域特點(diǎn)及地層勘察的情況具體分析，不宜完全直接套用。

4 盾構(gòu)隧道底部軟土處理方案

若根據(jù)線路平縱斷面及地勘資料分析，盾構(gòu)隧道底部存在軟土，則應(yīng)首先應(yīng)研究車站方案及線路方案，優(yōu)先通過優(yōu)化線路縱斷面，使得盾構(gòu)隧道底部脫離軟土區(qū)或盡量減少盾構(gòu)隧道底部軟土的厚度，從而達(dá)到控制隧道運(yùn)營(yíng)期長(zhǎng)期沉降的目的。

若無(wú)法通過優(yōu)化線路解決隧道底部軟土問題，則需對(duì)軟土地層進(jìn)行預(yù)加固，提高其地層參數(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)目前的案例，并結(jié)合武漢地鐵的經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)隧道底部軟土加固措施主要分為地面加固、洞內(nèi)加固及地面與洞內(nèi)加固相結(jié)合的三種方式。加固方案的選擇需綜合考慮周邊環(huán)境條件、軟土分布范圍（沿線路方向）、隧底軟土厚度及工程造價(jià)等因素。

4.1 地面加固

地面加固指采用水泥攪拌樁或高壓旋噴樁從地面加固盾構(gòu)隧道底部范圍的軟土，該種加固形式需在盾構(gòu)隧道穿越前實(shí)施完畢。地面加固一般用于地面環(huán)境條件簡(jiǎn)單，軟土層分布范圍及厚度均較大的情況。

地面加固的平面范圍可按照盾構(gòu)隧道外側(cè)2m進(jìn)行，具體布置可結(jié)合所在城市采用管片幅寬設(shè)置，平面加固置換率按照35%～60%控制即可，加固土體應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8MPa；加固豎向范圍上部可加固至軌面高度（一般高于管片底部1.2m），下部要求加固至非軟土層深度不小于0.5m；根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料研究成果及理論分析，若軟弱地層厚度較大，加固至非軟土層造價(jià)過高時(shí)，可加固至不小于1倍洞徑深度范圍。地面加固方式見圖1、圖2。

地面加固的最大優(yōu)勢(shì)是加固效果較好，而且加固質(zhì)量可通過取芯等手段予以驗(yàn)收檢測(cè)；最大不足是加固過程受制于地面的環(huán)境條件，需遷改一定數(shù)量的管線并需進(jìn)行交通導(dǎo)改，若位于城市主干道上，則實(shí)施難度較大且費(fèi)用高昂；若位于建構(gòu)筑物下部，則地面加固可能不具備實(shí)施條件。

4.2 洞內(nèi)加固

洞內(nèi)加固是指盾構(gòu)隧道實(shí)施完成后，通過管片預(yù)留的注漿孔，采用注漿加固管片下部軟土地層的方式。洞內(nèi)加固在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)施工完成，軌道鋪設(shè)之前實(shí)施。洞內(nèi)加固適用于不具備地面加固條件，或盾構(gòu)底部軟土分布范圍及厚度較小的情況。

采用洞內(nèi)加固方式，盾構(gòu)管片應(yīng)增加預(yù)留注漿孔的數(shù)量，注漿管采用鋼花管進(jìn)行注漿，漿液采用水泥漿。下部3根注漿管要求伸入非軟土層深度不小于0.5m，若軟土層厚度較大，加固范圍不宜小于1倍洞徑。洞內(nèi)加固方式見圖3。

洞內(nèi)加固的最大優(yōu)點(diǎn)是基本不受地面環(huán)境的影響，在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)完成后施工。洞內(nèi)加固的不足是其加固效果的離散型較大，且驗(yàn)收檢測(cè)也較為困難，同時(shí)地層加固的鋼花管將留在地層中，會(huì)對(duì)后期穿越的工程造成不利影響，應(yīng)在后續(xù)工程規(guī)劃中引起高度重視。

4.3 地面與洞內(nèi)加固相結(jié)合

地面加固效果較好且質(zhì)量有保障，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)及施工過程中，盾構(gòu)隧道所處的環(huán)境條件往往十分復(fù)雜；若地面的管線密集，如燃?xì)狻⒂晁?、污水等管線遷改十分困難且工程費(fèi)用巨大，而且會(huì)極大地增加工期。若均采用洞內(nèi)加固，則加固效果難以得到有效保障，對(duì)施工提出較高要求。因此本文提出可采用地面加固與洞內(nèi)加固相結(jié)合的方式進(jìn)行盾構(gòu)隧道底部軟土加固。

地面加固與洞內(nèi)加固相結(jié)合的具體思路為：在不遷改地面管線或盡量少遷改重要管線的前提下，可每隔一段距離采用高壓旋噴樁實(shí)施一排地面加固（可按照10～15m控制），兩排地面加固之間進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固。地面與洞內(nèi)加固相結(jié)合加固方式見圖4。

每隔一定距離的地面旋噴加固可在軟土地層中形成固端支點(diǎn)，結(jié)合旋噴加固之間的洞內(nèi)加固，可有效減少盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期的沉降。

5 結(jié)論

（1）地鐵盾構(gòu)隧道底部軟土運(yùn)營(yíng)期沉降危害較大，處

理難度大、代價(jià)高昂且效果難以保證，應(yīng)在前期方案確定階段、設(shè)計(jì)及施工階段予以高度重視。（2）應(yīng)優(yōu)先通過優(yōu)化線路平縱斷面，使隧道底部避開軟土區(qū)域，若條件所限不能做到，則需采取必要的軟土加固措施。（3）軟土的判定應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)的地質(zhì)情況及經(jīng)驗(yàn)綜合確定，應(yīng)綜合考慮地基承載力、標(biāo)準(zhǔn)貫入度、壓縮模量、單橋探頭比貫入阻力及定性土層狀態(tài)指標(biāo)判別，建議以單橋探頭比貫入阻力與標(biāo)準(zhǔn)貫入度為主進(jìn)行判斷。（4）應(yīng)根據(jù)軟土性質(zhì)、分布范圍、厚度及周邊環(huán)境條件（含建構(gòu)筑物情況、管線分布情況及交通導(dǎo)改情況等）綜合選取軟土加固措施。當(dāng)軟土分布范圍及厚度較大且地面具備處理?xiàng)l件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇地面攪拌或高壓旋噴加固；當(dāng)軟土分布范圍較小、厚度較小或地面不具備條件時(shí)，可采取洞內(nèi)注漿加固的方案；當(dāng)軟土分布范圍及厚度分布較大，當(dāng)?shù)孛娌煌耆邆錀l件時(shí)，可考慮采取地面加固與洞內(nèi)加固相結(jié)合的方案。

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