砂土液化地層盾構(gòu)隧道加固設(shè)計(jì)研究

齊少軒 伍偉林 鄒育

摘 要：砂土液化地區(qū)盾構(gòu)隧道后期運(yùn)營(yíng)沉降量大、管片病害多、維修難度高，采用有效的地面加固形式有利于減少盾構(gòu)掘進(jìn)期間地層損失、土體固結(jié)造成的地面沉降及盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期間的病害。以佛山地鐵 2 號(hào)線工程為實(shí)例，基于連續(xù)介質(zhì)模型的基本原理，簡(jiǎn)化建立地層 - 結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型，計(jì)算分析盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)不同洞內(nèi)加固及地面加固形式對(duì)地面沉降的影響規(guī)律，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)采用洞內(nèi)加固及地面加固方案1時(shí)，能有效控制盾構(gòu)掘進(jìn)后管片的后期沉降，減少沉降率達(dá) 60% 及 83%;在砂土液化地層洞內(nèi)注漿時(shí)，注漿壓力需控制在 0.3～0.5MPa，注漿流量控制在10～15L/min。

關(guān)鍵詞：地鐵;砂土液化地層;盾構(gòu)隧道;加固設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U231.3

在動(dòng)荷載等外力作用下，飽和砂土的抗剪強(qiáng)度因振動(dòng)而喪失，造成下臥層基礎(chǔ)失效稱為砂土液化[1]。砂土液化常引起建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)下沉以及地下工程的沉降，最終導(dǎo)致地面下沉，地面建（構(gòu)）筑物傾斜破壞[2]。我國(guó)華東及珠三角區(qū)域以淤泥質(zhì)粉細(xì)砂< 2-2 >、松散狀粉細(xì)砂< 2-6-1 >等為代表的中等～嚴(yán)重砂土液化地層為該區(qū)域的典型不良地層[3]，該區(qū)域城市軌道交通中區(qū)間工程均以盾構(gòu)法為主要工法[4]。盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)超挖引起的地層損失所產(chǎn)生的短期沉降[5]以及開挖振動(dòng)引起的地層液化[6]會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)栽頭及地面沉降等病害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響周邊建（構(gòu)）筑物[7]。我國(guó)多采用洞內(nèi)注漿及地面加固措施，解決地層液化問題[8-9]。

目前，對(duì)砂土液化地層盾構(gòu)區(qū)間的洞內(nèi)及地面加固效果研究較少且主要以理論分析為主，基于既有理論，依托有限元計(jì)算分析和采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的分析方法甚少。本文以佛山地鐵2號(hào)線登—花區(qū)間工程為背景，基于理論數(shù)值分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)砂土液化地層盾構(gòu)隧道洞內(nèi)加固及地面加固效果進(jìn)行分析，提出加固方案，并通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證其有效性。

1 工程簡(jiǎn)介

佛山地鐵2號(hào)線工程登—花區(qū)間為全線第11個(gè)區(qū)間，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工（外徑6m），線路縱斷面為V形坡，最大坡度為27‰，隧頂覆土8.7～26.53m。隧道穿越砂土液化粉細(xì)砂層，從上至下依次為填土層<1-1>、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂<2-2>、粉細(xì)砂<3-1>，如圖1所示，其液化程度達(dá)到中等以上，標(biāo)準(zhǔn)貫入度僅為2～4 N。砂層平均厚約21 m，隧道覆土14～15.4 m，地下水位深2.8 m[10]。

為防止2號(hào)線盾構(gòu)隧道穿越砂土液化地層時(shí)出現(xiàn)過大沉降和在地鐵運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)差異沉降，從而引起道床與管片脫開、隧道縱縫張開、隧道滲漏水等問題，需提前對(duì)砂土液化地層進(jìn)行地面加固以及洞內(nèi)注漿加固[11]，以改善地層土體特性，提高其強(qiáng)度及剛度，確保地鐵運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

2 加固方案

2.1 洞內(nèi)加固

盾構(gòu)隧道在砂土液化地層中的洞內(nèi)注漿加固主要有3種方案：①方案1，結(jié)構(gòu)兩側(cè)外擴(kuò)3m，拱腰至隧底以下3 m;②方案2，結(jié)構(gòu)兩側(cè)外擴(kuò)3m，拱腰以上30°至隧底3 m;③方案3，結(jié)構(gòu)兩側(cè)外擴(kuò)3 m，拱腰至隧底0.5 m。其中，方案1為2號(hào)線方案，方案2、方案3為對(duì)比方案，如圖2所示。

2.2 地面加固

盾構(gòu)隧道在砂土液化地層中的地面加固主要有 2 種方案：①方案1，采用上部格柵+下部點(diǎn)陣的加固方式，垂直于線路方向的攪拌樁加固深度為地面至穩(wěn)定地層以下1m，平行于線路方向攪拌樁加固深度為拱腰以上1m至隧底以下3m;②方案2，砂土液化地段地面加固方式采用850 mm@600 mm三軸攪拌樁格柵式，兩側(cè)寬度約2.225m，豎向?qū)崢都庸躺疃葟墓把陨?m至進(jìn)入穩(wěn)定持力層。其中，方案1為2號(hào)線方案，方案2為對(duì)比方案，如圖3所示。

3 有限元數(shù)值計(jì)算分析

3.1 有限元模型

有限元建模過程中，管片采用殼單元，樁基、土體、加固體選用solid45三維實(shí)體單元模擬[12]。模型上邊界為地面，左、右、下邊界滿足與隧道凈距均≥3D（D為隧道直徑）要求，土體采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型，計(jì)算時(shí)考慮土體塑性及蠕變特性，以模擬隧道開挖后的變形狀態(tài)[13]，地面加固模型同理。有限元模型如圖4所示，土體及襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表1[10]。

模擬過程分為6步：①應(yīng)力不釋放;②洞周應(yīng)力釋放20%;③開挖土體，應(yīng)力不釋放;④應(yīng)力釋放100%，激活襯砌時(shí)同時(shí)注漿，不釋放應(yīng)力;⑤開挖完成，洞周應(yīng)力釋放20%;⑥洞內(nèi)注漿替換下方土體并對(duì)周圍土體施加注漿壓力，土體按照本構(gòu)模型塑性變形[14-15]。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 洞內(nèi)加固效果分析

圖5、圖6分別給出了不同洞內(nèi)加固方案下，地表沉降曲線及管片變形云圖，由圖5、圖6可見：

（1）未采取洞內(nèi)加固措施的區(qū)段，由于盾構(gòu)開挖后土體的固結(jié)沉降計(jì)算表現(xiàn)為土體本構(gòu)模型的塑性變形，引起的地面累計(jì)沉降約42 mm，管片最大沉降約 70 mm;

（2）洞內(nèi)加固方案3由于下臥層加固深度小，加固體承載力不足，導(dǎo)致盾構(gòu)管片在開挖后由于土體塑性變形沉降，管片沉降值達(dá)30 mm，引起的地表累計(jì)沉降約42 mm;

（3）方案1與方案2的管片在開挖后的累積沉降基本一致，分別為15 mm和12 mm，引起的地面累計(jì)沉降約8 mm和5 mm;

（4）比較洞內(nèi)加固及未加固，采取洞內(nèi)加固能有效抑制盾構(gòu)掘進(jìn)后管片的后期沉降，減少沉降率達(dá)60%;比較3種洞內(nèi)加固方案，加固方案1和加固方案2有效，管片及地面累計(jì)沉降小，但方案1加固體相較方案2少，因此，在同樣加固效果下方案1更優(yōu)。

3.2.2 地面加固效果分析

圖7、圖8分別給出了不同地面加固方案下，地表沉降曲線及管片變形云圖，由圖7、圖8可見：

（1）未采取地面加固措施的區(qū)段，由于盾構(gòu)開挖后土體的固結(jié)沉降計(jì)算表現(xiàn)為土體本構(gòu)模型的塑性變形，引起的地表累計(jì)沉降約30 mm，管片最大沉降約60mm;

（2）方案1與方案2的管片在開挖后的累積沉降基本一致，分別為10 mm和8 mm，引起的地表累計(jì)沉降約6 mm和5 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值7 mm基本一致;

（3）比較地面加固及未加固，采取地面加固能有效抑制盾構(gòu)掘進(jìn)后管片的后期沉降，減少沉降率達(dá)83%;比較2種地面加固方案，加固方案1和方案2的管片及地面累計(jì)沉降小，但方案1加固體相較方案2少，因此，在同樣加固效果下方案1更優(yōu)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

4.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向沿隧道中軸線布置，橫向以左、右隧道中軸線為中心等間距布置。本文主要對(duì)砂土液化3個(gè)典型斷面進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖9所示，洞內(nèi)監(jiān)測(cè)按照規(guī)范主要為盾構(gòu)凈空收斂、拱頂及仰拱沉降監(jiān)測(cè)。

4.2 監(jiān)測(cè)分析

4.2.1 時(shí)程沉降監(jiān)測(cè)分析

圖10給出了管片管底累積沉降時(shí)程曲線，由圖10可知：

（1）在砂土液化地層洞內(nèi)注漿加固，漿液能快速滲透砂層凝結(jié)，使管片基底加固體承載力較快地形成;地面加固由于未采用滿堂加固，加固空隙仍有砂土，管片基底承載力形成相對(duì)較慢;

（2）洞內(nèi)加固約1個(gè)月后，管片下沉趨于穩(wěn)定，管片下沉累計(jì)量約為30mm;地面加固段3個(gè)月后，管片下沉趨于穩(wěn)定，管片下沉累計(jì)量約為26mm;

（3）地面加固效果總體優(yōu)于洞內(nèi)加固且不會(huì)對(duì)管片產(chǎn)生二次影響。未加固地段則沉降持續(xù)增長(zhǎng)，但速率逐漸緩和，截止目前已沉降約80mm。

4.2.2 沉降分布監(jiān)測(cè)分析

圖11給出了管片管底累計(jì)沉降分布曲線，由圖11 可見：

（1）6環(huán)～28環(huán)間采用地面加固，28～120環(huán)由于砂層較?。?0m）未加固，120～145環(huán)洞內(nèi)加固。地面加固段管片后期沉降控制最好，但也引起加固與未加固交錯(cuò)段管片間錯(cuò)臺(tái)較大，導(dǎo)致管片角部出現(xiàn)破損。

（2）洞內(nèi)加固段由于加固深度有限，盾構(gòu)區(qū)間沿縱向又為柔性結(jié)構(gòu)，因此，從洞內(nèi)加固至未加固段管片破損情況相對(duì)較好。

5 結(jié)論及建議

（1）通過對(duì)比分析洞內(nèi)注漿方案，當(dāng)采用加固范圍3m，由拱底加固至拱腰的洞內(nèi)加固方案時(shí)，能有效控制盾構(gòu)掘進(jìn)后管片的后期沉降，減少沉降率達(dá)60%且加固體相較加固至拱腰以上方案加固量少。因此，在砂土液化地層中推薦采用方案1（2號(hào)線方案）的洞內(nèi)加固形式。

（2）通過對(duì)比分析地面加固方案，當(dāng)采用方案1時(shí)，地面加固能有效控制盾構(gòu)掘進(jìn)后管片的后期沉降，減少沉降率達(dá)83%且加固體相較方案2加固量少。因此，在砂土液化地層中推薦采用首次提出的三軸攪拌樁上部格柵+下部點(diǎn)陣地面加固形式。

（3）合適的洞內(nèi)加固及地面加固措施能有效控制盾構(gòu)掘進(jìn)后管片的累計(jì)沉降且地面加固更有優(yōu)勢(shì)，在未加固區(qū)段持續(xù)變形過大時(shí)也應(yīng)進(jìn)行洞內(nèi)加固，以減少加固與未加固區(qū)段較大的錯(cuò)臺(tái)及管片破損。

參考文獻(xiàn)

[1]張鳳祥，朱合華，傅德明. 盾構(gòu)隧道[M]. 北京：人民交通出版社，2004.

[2]段志宏. 水平深孔注漿在地鐵盾構(gòu)端頭加固中的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2010（10）：119-121.

[3]王小忠. 盾構(gòu)掘進(jìn)中地面塌陷加固技術(shù)[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2006（3）：45-47，71.

[4]裴子鈺，楊新安，邱龑，等. 砂-黏復(fù)合地層盾構(gòu)地表沉降分析及沉降槽寬度系數(shù)修正[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017（9）：111-115.

[5]任建喜，王金華，張引合，等. 黃土地層地鐵盾構(gòu)施工地表變形規(guī)律預(yù)測(cè)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，28（11）：93-97.

[6]殷凱. 軟土地層盾構(gòu)隧道沉降控制措施研究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（33）：120-122.

[7]陳中. 富水砂卵石地層盾構(gòu)施工引起地面塌陷的原因及建議[J]. 都市快軌交通，2014（6）：87-91.

[8]江玉生， 江華. 大直徑土壓平衡盾構(gòu)始發(fā)與到達(dá)端頭加固研究[J]. 都市快軌交通，2013（1）：93-96.

[9]李杰. 盾構(gòu)下穿高鐵橋群鉆孔灌注樁隔離加固技術(shù)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2018（1）：262-270.

[10] 中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司.佛山市城市軌道交通二號(hào)線地質(zhì)詳勘報(bào)告[R].四川成都：中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司，2014.

[11] 中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司.佛山市城市軌道交通二號(hào)線地下區(qū)間設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[R].四川成都：中鐵二院工程集團(tuán)責(zé)任有限公司，2017.

[12] 李圍，任立志，孟慶明，等. 盾構(gòu)區(qū)間重疊隧道下穿高速鐵路軌道群加固技術(shù)體系研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018（6）：191-196.

[13] ?JTG 3370.1-2018 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2018.

[14] 楊廣安，李之達(dá)，李艷芳，等. 圍巖物理參數(shù)對(duì)應(yīng)力釋放影響的研究[J].交通科技，2008（3）：35-37.

[15] GB 50911-2013 城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S]. 2013.

收稿日期 2020-05-14

責(zé)任編輯 朱開明