軟土地區(qū)大面積堆載致盾構(gòu)隧道變形及其整治技術(shù)分析

曾華蔚 （1. 上海地鐵監(jiān)護管理有限公司， 上海 00070；. 上海巖土與地下空間綜合測試工程技術(shù)研究中心， 上海00030）

上海的淺層土總體為軟弱土層，存在著大量的飽和高壓縮性軟黏土層、飽和含水含砂土層?；诖讼忍觳涣嫉刭|(zhì)條件，再加上在地鐵運營期間盾構(gòu)隧道易受運營環(huán)境和周邊情況等因素的影響[1-3]，盾構(gòu)隧道更易出現(xiàn)整體沉降、不均勻沉降[4]和橫向收斂變形等結(jié)構(gòu)變形[5-6]，嚴重時會引發(fā)滲漏水等病害，甚至對地鐵運營造成一定威脅。

本文擬結(jié)合實際工程案例，充分考慮特殊性和復雜性，詳述大面積堆載影響下的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形及其整治方案。最后以實測數(shù)據(jù)對整治過程中隧道結(jié)構(gòu)的變化情況和整治效果進行研究，并分析微擾動注漿技術(shù)的整治機理，以揭示出盾構(gòu)隧道橫向變形特征和規(guī)律。

1 工程案例

1.1 項目概況

小黃浦河橋位于上海市浦東新區(qū)前灘地區(qū)，平家橋路以西、高青西路兩側(cè)附近，臨近軌道交通 M 號線，且距離地鐵車站約 700 m，如圖 1 所示。高青西路小黃浦橋引橋南、北兩側(cè)地面標高在 4.0～6.0 m，原設(shè)計標高基本在 3.9 m。由于區(qū)間隧道埋深范圍內(nèi)土層地質(zhì)情況及上部堆土過多，導致下臥區(qū)間隧道部分區(qū)域管片收斂變形與設(shè)計比值較大，并伴隨結(jié)構(gòu)滲漏水等病害。其中，上行線 S 250 環(huán)和 S 255 環(huán)處的隧道收斂變形與設(shè)計值相比差值更是 ＞ 9 cm。

圖 1 項目平面圖

1.2 整治方案

鑒于隧道結(jié)構(gòu)病害較為嚴重且相對集中，易導致突變影響地鐵 M 號線的正常運營，因此該區(qū)段急需進行綜合治理。根據(jù)注漿等施工因素引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)外壁的附加荷載 ≤ 20 kPa 的相關(guān)要求，按照“對癥下藥、綜合治理”的原則，采用“消除病源，治理病癥，恢復功能”的方式，最終制訂“上部卸載→微擾動注漿→EPS換填”三階段整治對策。同時，為保證施工的安全性和科學性，在整治作業(yè)的過程中對相應(yīng)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)（上行線 S 180 環(huán)～S 320 環(huán)）進行嚴密監(jiān)測，并確保數(shù)據(jù)的準確性和及時性。

（1）第一階段：上部卸荷。針對高青西路小黃浦河橋引橋南側(cè)綠化前期堆土嚴重的問題，對東至地鐵隧道外邊線20.0 m、西至河邊的范圍進行上部卸土卸荷，直至場地標高為 + 4.0 m。同時嚴格控制卸荷過程，減少多次施工擾動。

（2）第二階段：微擾動注漿。對堆載嚴重影響范圍內(nèi)的隧道管片（上行線 S 205 環(huán)～S 265 環(huán)）進行微擾動注漿，注漿范圍為隧道底標高以上 5.2 m，共設(shè)置 4 排注漿孔，即隧道兩側(cè)距離隧道邊線 3.0 m、3.6 m 處各設(shè)置 2 排注漿孔。注漿時優(yōu)先對變形量較大的位置進行注漿，對隧道收斂進行控制，確保隧道結(jié)構(gòu)安全，其次對收斂變形較小的區(qū)域進行注漿。微擾動注漿與地鐵盾構(gòu)隧道相對位置關(guān)系如圖 2所示。

圖 2 注漿相對位置關(guān)系

（3）第三階段：EPS換填。針對小黃浦河橋東側(cè)引橋53.0 m 范圍（位于 M 號線隧道正上方）內(nèi)，利用 EPS（聚苯乙烯泡沫）進行換填，以減少隧道正上方荷載，恢復引橋作用，確保今后道路在正常運營過程中，上部覆土和車輛等荷載不至于對下埋隧道產(chǎn)生過大的影響。其中，EPS 相關(guān)物理參數(shù)如表 1 所示。

表 1 EPS 物理參數(shù)

2 整治過程分析

2.1 第一階段分析

第一階段整治（約 7 d）上行隧道變形累計曲線如圖 3所示，即上部卸荷之后 M 號線上行線對應(yīng)區(qū)間的隧道結(jié)構(gòu)垂直位移累計變形曲線和收斂累計變形曲線。

圖 3 卸荷階段上行隧道變形累計曲線

由圖 3 可知，當卸土至場地標高為 +4.0 m 時，由于隧道正上方荷載的減少，隧道結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)出抬升的現(xiàn)象，其中，最大抬升變化量（上行線 S 260 環(huán)處）約 3.58 mm。此外，沉降累計變形曲線呈中間高、兩頭低的類正態(tài)分布。與此同時，隧道結(jié)構(gòu)水平直徑也稍有減小，呈現(xiàn)整體收斂現(xiàn)象，最大收斂變化量（上行線 S 262 環(huán)處）約 6.10 mm。從變形曲線兩端的趨勢分析，開挖卸荷區(qū)域外的隧道結(jié)構(gòu)并未受到過多擾動，從而證明該區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)沉降是由上部卸載卸荷所引起。

經(jīng)分析可知，隧道正上方卸載使地層應(yīng)力得到釋放，從而使得一定范圍內(nèi)場地地層發(fā)生回彈，而地層的回彈對下部既有隧道產(chǎn)生上浮的作用，使其產(chǎn)生豎向的抬升變形以及橫向的收斂變形。這也證明，隧道上部荷載的超限是造成隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降和收斂的重要因素。此外，由數(shù)據(jù)可知，沉降與收斂變化最大處比較接近，說明兩者在一定程度上存在相互耦合影響。

2.2 第二階段分析

第二階段整治即微擾動注漿階段。M 號線上行線對應(yīng)區(qū)間的隧道結(jié)構(gòu)變化情況如圖 4 所示。

圖 4 注漿階段上行隧道變形累計曲線

由圖 4 可知，在該階段治理病癥的過程中，注漿范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)呈明顯上抬，最大抬升變化量（上行線 S 255 環(huán)處）達 18.26 mm，沉降累計變形曲線形似駝峰狀，即在 S 240 環(huán)處出現(xiàn)一個沉降變形“小漏斗”。這是由于在微擾動注漿過程中，注漿管打設(shè)深度的偏差—注漿管只打至隧道腰部位置處，使得漿液未能注到隧道底標高，抬升作用相對較小。隧道結(jié)構(gòu)收斂變化量普遍超過 30.00 mm，水平直徑也明顯減小。不僅如此，隨著漿液的不斷注入，盾構(gòu)隧道周邊土體的密實度和彈性模量等物理性能不斷增大，隧道兩側(cè)約束也增加，即隧道側(cè)向抗力急劇增加，可改善隧道的“橢圓度”，隧道橫向收斂變形得到有效控制。

為確保微擾動注漿整治效果保持良好，在注漿結(jié)束之后的一段時間內(nèi)，不宜立即進行 EPS 換填施工，需要對盾構(gòu)隧道進行持續(xù)跟蹤監(jiān)測和觀測，待穩(wěn)定后方可進行換填。注漿后盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形如圖 5 所示。

圖 5 觀測期上行隧道變形累計曲線

由圖 5 可知，在微擾動注漿區(qū)域內(nèi)仍存在一定抬升量。隧道收斂變形的增加亦使得盾構(gòu)隧道附近的孔隙水壓力增加，在停止注漿后，一部分超孔隙水壓力會逐漸消散，進一步使隧道橫向收斂變形又有所增加，出現(xiàn)變形“回彈”現(xiàn)象。

2.3 第三階段分析

第三階段整治即 EPS 換填階段。M 號線上行線對應(yīng)區(qū)間的隧道結(jié)構(gòu)變化情況如圖 6 所示。

由圖 6 可知，在此階段中，盾構(gòu)隧道收斂變形量并不大，整體較為穩(wěn)定。只有局部區(qū)段出現(xiàn)上抬，而此處剛好位于引橋處，即 EPS 換填區(qū)域。在換填施工時，需要將原有一定厚度覆土換為輕質(zhì)材料 EPS（本工程中所用 EPS 密度為 36.7 kg/m3，僅為普通土的 1/40），使得隧道上覆荷載又減少較多，地層應(yīng)力狀態(tài)也相應(yīng)發(fā)生變化。

圖 6 EPS 換填階段上行隧道變形累計曲線

3 結(jié) 語

結(jié)合該實際工程案例，針對軟土地區(qū)堆載引起的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形做出整治方案，分析研究了微擾動注漿技術(shù)和隧道整治效果，最終得到以下結(jié)論。

（1）大面積堆載容易對下臥盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大橫向收斂變形，嚴重時會導致結(jié)構(gòu)滲漏水等病害，因此在對于綠化、道路等工程需特別注意場地標高。

（2）在整治由堆載引起的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形時，首先需及時對超載覆土進行卸載，從根源上解決問題。

（3）微擾動注漿可以有效整治軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的橫向收斂變形，且整治效果顯著。

（4）通過 EPS 換填有效減小了盾構(gòu)隧道上部荷載，且綜合整治后期隧道變形趨勢穩(wěn)定，又保留了引橋道路的運輸功能。

經(jīng)過卸載、注漿整治、換填最終使得該項目對應(yīng)區(qū)段的隧道結(jié)構(gòu)變形安全可控。該案例的成功整治可為今后類似情況和整治對策研究提供重要的參考。