佛山地鐵盾構(gòu)隧道深厚軟土地層預(yù)處理方法探究

朱建峰

(佛山市鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東 佛山 528000)

0 引言

城市軌道交通具有安全、快捷、準(zhǔn)時(shí)、大運(yùn)能、綠色環(huán)保等突出特點(diǎn)，對(duì)推進(jìn)城市現(xiàn)代化進(jìn)程、改善交通運(yùn)輸環(huán)境、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間布局、帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新發(fā)展發(fā)揮了巨大推動(dòng)作用。截至2018年底，我國(guó)內(nèi)地累計(jì)35個(gè)城市開(kāi)通了城市軌道交通系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)線路185條，總里程5 761.4 km；已有53個(gè)城市開(kāi)工建設(shè)軌道交通，在建線路258條(段)，總計(jì)6 374 km，可研批復(fù)投資額累計(jì)42 688.5億元。目前，我國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路規(guī)模、在建線路規(guī)模和客流規(guī)模均居全球第一，我國(guó)已成為名副其實(shí)的“城軌大國(guó)”[1]。隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，線路病害越來(lái)越多，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全造成重大影響，尤其是穿越深厚軟土地層的盾構(gòu)隧道，投入了巨額費(fèi)用進(jìn)行病害治理。由于軟土地層具有高壓縮性、固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)等特性，在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下，飽和淤泥質(zhì)土?xí)霈F(xiàn)軟化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土體承載能力降低，疊加周邊環(huán)境變化影響，對(duì)穿越此類地層的盾構(gòu)隧道造成不均勻沉降、結(jié)構(gòu)變形超限、滲漏水、局部結(jié)構(gòu)劣化等病害，影響隧道結(jié)構(gòu)全壽命使用功能[2]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)及設(shè)計(jì)多以盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后引起的地表沉降及建(構(gòu))筑物變形為切入點(diǎn)進(jìn)行研究。梁劍雄[3]提出了采用水泥攪拌樁對(duì)盾構(gòu)隧道周邊深厚軟土進(jìn)行地基處理，解決了新光快速路在地鐵隧道上方地層處理問(wèn)題。王先仁[4]使用高壓旋噴樁對(duì)地鐵基坑軟基進(jìn)行加固處理，介紹其施工原理，并提出技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)。武有根[5]在施工場(chǎng)地比較狹小和地下管線復(fù)雜的情況下，將SMW工法應(yīng)用于加固某盾構(gòu)隧道出洞時(shí)的周圍軟土地層，取得了良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益。已有文獻(xiàn)對(duì)影響盾構(gòu)隧道自身結(jié)構(gòu)全壽命周期使用功能的問(wèn)題研究較少。本文以佛山地鐵3號(hào)線軟土地層盾構(gòu)區(qū)間工程為例，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)條件，通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)研、數(shù)值分析及工程類比，提出在盾構(gòu)施工前，對(duì)軟弱地層采取針對(duì)性預(yù)處理的思路與措施，保證軟弱地層盾構(gòu)隧道的安全施工及隧道結(jié)構(gòu)的全壽命周期使用功能。

1 工程概況

佛山地鐵3號(hào)線線路全長(zhǎng)約69.5 km，其中高架段約8.7 km，過(guò)渡段約1.3 km，地下段約59.5 km；共設(shè)37座車站。線路沿線廣泛分布第四系海陸交互相淤

泥〈2-1A〉和淤泥質(zhì)土層〈2-1B〉，厚度0.60～45.0 m。3號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道全斷面穿越軟弱土層區(qū)段所占比例如圖1所示，隧道全斷面軟土區(qū)段長(zhǎng)度占區(qū)間全長(zhǎng)比例超過(guò)60%的區(qū)間有7個(gè)，有5個(gè)區(qū)間甚至達(dá)到100%。經(jīng)調(diào)研佛山與典型軟土地區(qū)軟土層的物理力學(xué)特性及厚度分布對(duì)比(見(jiàn)表1)，與上海等典型軟土地區(qū)的土層相比，佛山地鐵3號(hào)線所涉及的軟土地層含水量更高、壓縮模量更低。如： 南京典型軟土層平均含水量為41.3%，上海地區(qū)淤泥質(zhì)軟土層平均含水量為49.8%，寧波地區(qū)淤泥質(zhì)軟土層平均含水量為47.8%等。從盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)控制和運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)服役性能維持的角度分析，佛山地鐵3號(hào)線面臨的問(wèn)題更加嚴(yán)峻。建設(shè)過(guò)程中應(yīng)充分吸取類似工程的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，根據(jù)周邊環(huán)境及施工條件，在盾構(gòu)掘進(jìn)前對(duì)深厚軟弱層區(qū)段進(jìn)行預(yù)加固，且有效控制加固效果，降低隧道后期產(chǎn)生變形和病害的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1佛山地鐵3號(hào)線各區(qū)間全斷面穿越軟弱土層區(qū)段比例直方圖

Fig. 1 Proportional histogram of sections with full-section crossing soft soil of Foshan Metro Line No. 3

表1 佛山與典型軟土地區(qū)軟土層的物理力學(xué)特性及厚度分布對(duì)比

2 地基加固方法比選

目前，地鐵盾構(gòu)隧道工程常用的地層加固法主要有攪拌樁法、旋噴樁法、注漿法、SMW工法樁以及凍結(jié)法等[6-10]，綜合對(duì)比分析見(jiàn)表2。每種加固方法均有其適用條件，根據(jù)佛山地鐵3號(hào)線沿線軟弱土層廣泛分布的特點(diǎn)，從適用性、工程效率和投資等方面綜合考慮，在淤泥地層中推薦采用三軸深層水泥攪拌樁工法[11]處理淤泥地層。

表2 軟土地層土體加固方法綜合對(duì)比分析

3 地基加固方案研究

據(jù)Winkler假定，抗力系數(shù)與土的軟硬程度有關(guān)，土層越堅(jiān)硬，能提供的抗力越大。工程實(shí)踐也表明，當(dāng)隧道兩側(cè)有較大抗力時(shí)，可以減小橫向變形和拱腰處的彎矩，提高隧道長(zhǎng)期使用性能[12-14]。在進(jìn)行盾構(gòu)隧道軟土地層加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確定加固區(qū)合理的寬度與深度。針對(duì)佛山地鐵3號(hào)線深厚軟土區(qū)間，通過(guò)對(duì)多種三軸攪拌樁布置方案的比選，確定對(duì)2種地層加固方案進(jìn)行深入研究。

方案Ⅰ(見(jiàn)圖2)： 采用φ850@600三軸深層水泥攪拌樁加固，攪拌樁布置形式為格柵狀，橫向三軸水泥攪拌樁的間距在靠近隧道中心為1.8 m、兩側(cè)為2.4 m，縱向三軸水泥攪拌樁間距為2.4 m。豎向加固深度為隧道頂部以上3 m，穿透淤泥層，深入土性較好的土層中0.5 m；或豎向加固深度為隧道頂部以上3 m至隧道底部以下3 m。

方案Ⅱ(見(jiàn)圖3)： 將隧道范圍內(nèi)三軸水泥攪拌樁間距由1.8 m增加至2.4 m，并在隧道拱腰位置加設(shè)1排三軸水泥攪拌樁，其他同方案Ⅰ。

首先，采用二維有限元模型計(jì)算確定合理的地基加固范圍，驗(yàn)證2種方案加固范圍的合理性；其次，基于格柵式加固方式，建立三維有限元模型，分析2種方案中管片內(nèi)力與收斂變形差異，確定最優(yōu)方案，同時(shí)檢驗(yàn)格柵式加固是否會(huì)造成管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象而不利于結(jié)構(gòu)安全。

(a) 三軸攪拌樁加固平面圖 (b) 2-2剖面圖 (c) 1-1剖面圖

圖2加固方案Ⅰ示意圖(單位： mm)

Fig. 2 Reinforcement scheme Ⅰ(unit： mm)

(a) 三軸攪拌樁加固平面圖 (b) 2-2剖面圖 (c) 1-1剖面圖

圖3加固方案Ⅱ示意圖(單位： mm)

Fig. 3 Reinforcement scheme Ⅱ(unit： mm)

3.1 地基加固范圍研究

為驗(yàn)證方案中地基加固范圍的合理性，建立二維有限元模型，采用地層分析法將隧道和地層視為共同受力的統(tǒng)一體系，計(jì)算土和結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，計(jì)算中通過(guò)位移協(xié)調(diào)條件使地層應(yīng)力與襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力保持平衡。土體采用15節(jié)點(diǎn)平面單元及摩爾-庫(kù)侖(理想彈塑性)材料模型來(lái)模擬。

選取3號(hào)線某區(qū)間全斷面穿越〈2-1B〉淤泥質(zhì)土層且下覆淤泥質(zhì)土層最厚處作為計(jì)算典型斷面。盾構(gòu)隧道采用6.0 m內(nèi)徑、管片厚度350 mm、寬度1.5 m的錯(cuò)縫拼裝管片，6塊式。隧道中心埋深21 m，土層由上至下的地層分布以及計(jì)算選用的土層參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.1.1 加固寬度研究

二維有限元模型如圖4所示，土體寬80 m，深54 m，模型底部固定，兩側(cè)施加豎向約束。為研究不同加固范圍對(duì)盾構(gòu)隧道附加變形的影響，橫向加固范圍分別取為隧道左右兩側(cè)3、4、6、8 m，并計(jì)算不加固條件下的橫斷面收斂變形以進(jìn)行比對(duì)[15]。

圖5示出當(dāng)加固寬度為隧道左右兩側(cè)3、4、6、8 m時(shí)，不同加固寬度對(duì)隧道水平收斂變形的影響。相較于未加固地層，當(dāng)加固寬度為3 m時(shí)，隧道橫向收斂變形減小約25%，再繼續(xù)增加加固寬度，地層加固對(duì)隧道變形的控制不明顯，故將加固寬度控制在3 m左右。

(a) 加固模型

(b) 未加固模型

圖4加固與未加固二維有限元模型

Fig. 4 Two-dimensional finite element models of reinforced and unreinforced soil

圖5 加固寬度對(duì)隧道水平直徑變化量的影響

Fig. 5 Effect of different reinforcement widths on variation of tunnel horizontal diameter

3.1.2 加固深度研究

為驗(yàn)證加固深度的合理性，分別取0.5、1、2 m作為模型中加固區(qū)深入持力層的深度(見(jiàn)圖6)。圖7示出當(dāng)加固寬度為隧道左右兩側(cè)3 m、加固深度為從淤泥土頂部至底部以下0.5 m、1 m及2 m時(shí)，得到不同加固深度對(duì)隧道水平收斂變形的影響。加固深度從淤泥質(zhì)土層以下0.5 m提高到1 m甚至2 m時(shí)，隧道的水平直徑變化量基本保持不變，說(shuō)明當(dāng)將軟弱層貫穿后，增加加固深度不能明顯提高隧道周圍土體的支撐能力。

圖6 改變加固區(qū)深度

圖7 加固深度對(duì)隧道水平直徑變化量的影響(加固寬度3 m)

Fig. 7 Effect of reinforcement depth on variation of tunnel horizontal diameter (horizontal diameter of 3 m)

綜合盾構(gòu)始發(fā)/接收端頭加固經(jīng)驗(yàn)及上述計(jì)算結(jié)果： 地基豎向加固范圍應(yīng)滿足隧道拱頂以上3 m至隧道底以下一定深度。對(duì)于深厚軟弱土層，理論上有必要將三軸水泥攪拌樁打入下部較好的土層中，考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性，加固深度至隧道底部0.5D～1.5D(D為隧道外徑)是可行的，可根據(jù)沉降控制的實(shí)際要求進(jìn)行調(diào)整；對(duì)于下臥軟弱土層較薄的，將三軸水泥攪拌樁打入下部較好持力層中，深度0.5 m左右。

3.2 管片內(nèi)力計(jì)算

三維有限元模型尺寸為40 m×7.5 m×54 m，隧道環(huán)寬1.5 m，包含5環(huán)管片。根據(jù)加固設(shè)計(jì)方案Ⅰ、Ⅱ，建立不同格柵狀加固體模型，并在盾構(gòu)開(kāi)挖前激活，同時(shí)建立不加固模型用于對(duì)比，如圖8所示。選取第3環(huán)管片中心斷面(位于樁間土處)作為內(nèi)力對(duì)比參照，結(jié)果如圖9所示。

(a) 方案Ⅰ

(b) 方案Ⅱ

(c) 未加固

(a) 方案Ⅰ

(b) 方案Ⅱ

(c) 未加固

計(jì)算結(jié)果表明： 未加固時(shí)，隧道頂部、底部受壓，拱腰部分受拉；而在格柵加固作用下，全斷面彎矩具有以下特征。1)在格柵加固攪拌樁的作用下，彎矩出現(xiàn)波動(dòng)，但無(wú)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；方案Ⅰ最大彎矩為123.51 kN·m，彎矩總體減小約45.11%；方案Ⅱ最大彎矩為127.76 kN·m，彎矩總體減小約43.22%。2)隧道結(jié)構(gòu)受到兩側(cè)攪拌樁約束，側(cè)向彎矩將減小，同時(shí)由于有較大的側(cè)向抗力，使得隧道頂、底部不會(huì)出現(xiàn)受拉的情況，全環(huán)呈現(xiàn)整體受壓狀態(tài)。2種加固方案中，隧道結(jié)構(gòu)均無(wú)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.3 管片收斂變形

提取上述模型的橫向與豎向收斂變形進(jìn)行分析，見(jiàn)表4。根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定： 隧道徑向收斂的控制值應(yīng)小于20 mm，取隧道直徑的收斂變形限值為20 mm。隧道未加固時(shí)橫向收斂變形超限。相比于未加固方案，方案Ⅰ和方案Ⅱ隧道兩側(cè)土體抗力均有提高，隧道斷面變形減小較多。其中，方案Ⅰ橫向收斂變形相比于未加固時(shí)減小35.04%，豎向收斂變形相比于未加固時(shí)減小32.16%；方案Ⅱ橫向收斂變形相比于未加固時(shí)減小42.74%，豎向收斂變形相比于未加固時(shí)減小35.68%。根據(jù)隧道橫斷面變形量值的比較，方案Ⅱ在控制變形的能力上較優(yōu)。

表4不同加固方案的隧道橫斷面變形

Table 4 Cross-sectional deformation of tunnels with different reinforcement schemes mm

綜上，從改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力、減小結(jié)構(gòu)變形的角度，方案Ⅰ與方案Ⅱ的加固效果均較為明顯，且程度相近，均不會(huì)在隧道結(jié)構(gòu)中造成明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但方案Ⅰ拱腰位置的1排三軸水泥攪拌樁外邊界與隧道管片外邊界重合，在結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)區(qū)域未提供有效的保護(hù)，而且隧道中心線附近的三軸水泥攪拌樁布置密度大于拱腰兩側(cè)，不具科學(xué)性且稍顯浪費(fèi)；同時(shí)，拱腰兩側(cè)附近加固寬度不足，當(dāng)周邊存在擾動(dòng)時(shí)，在拱腰薄弱位置無(wú)法提供足夠的側(cè)向抗力，隧道的橫向變形以及拱腰的彎矩相對(duì)更易增大[16]。方案Ⅱ?qū)⑺淼婪秶鷥?nèi)三軸水泥攪拌樁間距由1.8 m增加至2.4 m，并在隧道拱腰位置加設(shè)1排三軸水泥攪拌樁，使隧道側(cè)部約68°左右的結(jié)構(gòu)襯砌位于抗力區(qū)內(nèi)，弱化隧道中線附近的加固密度并相對(duì)增強(qiáng)拱腰位置及外側(cè)區(qū)域的加固范圍，使隧道兩側(cè)的加固區(qū)寬度延伸接近3.0 m，控制變形能力優(yōu)于方案Ⅰ。綜合考慮將方案Ⅱ定為實(shí)施方案。

4 地基加固方案實(shí)施效果監(jiān)測(cè)分析

施工現(xiàn)場(chǎng)采用方案Ⅱ?qū)Ψ鹕降罔F3號(hào)線軟弱區(qū)間從地面進(jìn)行預(yù)加固，目前已經(jīng)順利實(shí)現(xiàn)6個(gè)區(qū)間隧道貫通。在隧道施工期間，于全斷面每組布置4個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和8個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖10)。根據(jù)目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，彎矩最大為139.8 kN·m，隧道累計(jì)變形量均控制在±12 mm以內(nèi)。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步進(jìn)行擬合分析，分析結(jié)果顯示，在格柵攪拌樁加固作用下，無(wú)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道頂、底部沒(méi)有出現(xiàn)受拉的情況，呈現(xiàn)整體受壓的狀態(tài)。

圖10 隧道內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位： cm)

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)佛山地鐵3號(hào)線盾構(gòu)隧道深厚軟弱土層加固深入研究，結(jié)合目前施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論如下：

1)佛山地區(qū)淤泥、淤泥質(zhì)土具有明顯的含水量高、靈敏度大、壓縮性高、長(zhǎng)距離分布、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)前采取三軸攪拌樁預(yù)加固措施，對(duì)保證盾構(gòu)安全施工具有重要意義，對(duì)保持隧道全壽命周期服役能力的作用有待進(jìn)一步的實(shí)踐檢驗(yàn)。

2)根據(jù)數(shù)值分析，盾構(gòu)隧道穿越深厚淤泥層時(shí)的加固寬度宜不小于拱腰外側(cè)3 m，深度應(yīng)進(jìn)入下部較好持力層0.5 m左右或隧道底部0.5D～1.5D。

3)采用格柵式加固，有針對(duì)性地弱化隧道中線附近的加固密度并相對(duì)增強(qiáng)拱腰位置外側(cè)區(qū)域的加固范圍，可進(jìn)一步提高隧道變形控制能力。

目前本項(xiàng)目已列為科研攻關(guān)課題，監(jiān)測(cè)工作將持續(xù)至開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后5年，下一步將根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及運(yùn)營(yíng)狀況對(duì)隧道服役性能進(jìn)行跟蹤評(píng)估分析。