真空預(yù)壓加固軟土地基對淺埋軌道交通盾構(gòu)隧道的影響

馬馳

鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東深圳518034

我國東部沿海地區(qū)，部分軌道交通線路位于新填海場地。新填海場地內(nèi)廣泛分布著海相、湖相沉積的軟弱黏土層，具有高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性等特點，在填土、車輛、建（構(gòu)）筑物等荷載作用下會產(chǎn)生較大的沉降，地基承載力和穩(wěn)定性差。在填海場地修建道路、機(jī)場等，應(yīng)進(jìn)行軟土地基處理，有效消除軟土的沉降變形，提高地基承載力和穩(wěn)定性，以滿足工程建設(shè)的需要。

淺埋軌道交通隧道上方進(jìn)行軟土地基處理工程時，地下水位變化、卸載、加載等會造成隧道變形，對隧道安全產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)斐绍壍雷冃纬瑯?biāo)，盾構(gòu)隧道出現(xiàn)裂縫、漏水，甚至影響地鐵運(yùn)營，給人民生命財產(chǎn)造成損失。丁加亮、張明遠(yuǎn)、石國偉、張國亮、李宇升等［1-5］研究了緊鄰地鐵基坑開挖對隧道的影響，劉浩、康佩、樓曉明等［6-8］研究了樁基礎(chǔ)施工、上部高層建筑對軌道交通隧道的影響，而有關(guān)真空預(yù)壓、復(fù)合地基等軟土地基處理工法對軌道交通隧道的影響研究較少。

本文結(jié)合軟土性質(zhì)、地鐵變形控制指標(biāo)等因素，研究真空預(yù)壓加固軟土地基對軌道交通隧道的影響，對于合理確定軟土地基處理方法，保障軌道交通設(shè)施安全，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 真空預(yù)壓分析方法

對真空預(yù)壓加固軟土地基機(jī)理的認(rèn)識存在一定的分歧，主要有兩種觀點［9-12］：

1）等效荷載理論，認(rèn)為把膜內(nèi)外壓差即“真空度”作為等效荷載作用在地基土上，加固機(jī)理同堆載預(yù)壓，如圖1中紅色箭頭所示。

2）負(fù)壓固結(jié)理論，抽真空后的地基土處于大氣壓力小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的作用下，即處于所謂的負(fù)壓作用下，由于抽真空作用導(dǎo)致邊界上的氣壓或者孔隙水壓力降低，造成地基內(nèi)孔隙水勢的不平衡。若將大氣壓看作邊界，則在負(fù)壓作用下的基本原理和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作用下的基本原理相同。在負(fù)壓條件下的土體受到三向壓應(yīng)力，如圖1中藍(lán)色箭頭所示。

根據(jù)真空預(yù)壓加固機(jī)理，真空預(yù)壓加固軟土地基對隧道的影響分析可采用兩種方法計算：

1）單向加載、卸載

真空壓力視為豎向加載，對真空處理層之下會造成附加應(yīng)力，計算的隧道沉降偏大（參見圖1）。停止抽真空時，真空處理層的附加應(yīng)力消失，隧道會發(fā)生較大的反彈。

2）三向加載、卸載

真空壓力造成的土體附加應(yīng)力為體應(yīng)力。對真空處理層形成三向壓力，不會對真空處理層以下的土層產(chǎn)生附加應(yīng)力。抽真空、停止抽真空過程中對真空處理層以下的土層影響較小。

等效荷載理論由于沒有考慮到真空預(yù)壓荷載的復(fù)雜性，計算的隧道變形偏大。故本文采用負(fù)壓固結(jié)理論，按照三向加載、卸載分析真空預(yù)壓加固軟土地基對隧道的影響。

2 真空預(yù)壓試驗段

深圳地鐵11號線、穗莞深城際穿過深圳機(jī)場T4航站區(qū)，地處淤泥下臥的粉質(zhì)黏土層。為了研究真空預(yù)壓加固軟土地基對隧道的影響，在深圳機(jī)場T4航站區(qū)選擇典型的地段進(jìn)行現(xiàn)場試驗，面積1萬m2，如圖2所示。

圖2 真空預(yù)壓試驗段

試驗段土層自上而下有淤泥層、中粗砂層、粉質(zhì)黏土層，其中淤泥層是真空預(yù)壓處理的對象，隧道處于粉質(zhì)黏土層中。各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

試驗段采用真空預(yù)壓處理：在現(xiàn)狀泥面清表后鋪設(shè)1層土工布、0.3 m厚砂墊層；采用輕型插板機(jī)打設(shè)塑料排水板；邊界開挖壓膜溝，鋪設(shè)真空管系、保護(hù)土工布、密封膜等；抽真空，滿載時間3個月；真空預(yù)壓施工期間，對隧道、軌道的變形進(jìn)行自動化監(jiān)測，累積變形超過報警值時停止施工，查明導(dǎo)致變形過大的主要原因，制定有針對性的控制措施后方可繼續(xù)施工。

3 數(shù)值計算結(jié)果

采用PLAXIS有限元計算軟件對真空預(yù)壓加固軟土地基引起的隧道變形進(jìn)行計算，模型如圖3所示。土的本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型，強(qiáng)度指標(biāo)采用固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖3 真空預(yù)壓計算模型（單位：m）

真空預(yù)壓期間，盾構(gòu)隧道變形數(shù)值計算結(jié)果見圖4?？芍何ψ畲笾禐?0.64 kN∕m2，最小值為0。真空預(yù)壓后隧道水平位移最大值為0.14 mm，最小值為-0.16 mm。真空預(yù)壓后隧道豎向位移最大值為1.00 mm，最小值為-0.70 mm。隧道的水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移，說明真空預(yù)壓加固軟土地基對隧道的變形影響以豎向位移為主。

圖4 真空預(yù)壓后吸力分布及隧道位移

經(jīng)計算可知，隧道頂部下沉1.0 mm，隧道底部下沉約0.7 mm，隧道頂部豎向位移略大于底部。

4 軌道交通隧道實測變形

真空預(yù)壓過程中，沿隧道縱向每隔50 m設(shè)置1個變形監(jiān)測斷面（圖5），選用自動監(jiān)測設(shè)備觀測隧道結(jié)構(gòu)的水平位移、豎向位移以及軌道高低、軌向變形，按每天不少于3次的頻率監(jiān)測各變形項目。

圖5 監(jiān)測斷面示意

選取右線隧道實測值進(jìn)行分析，隧道變形情況見圖6和圖7。

圖6 右線隧道頂端豎向位移和兩側(cè)水平位移

圖7 右線隧道軌道板處豎向位移

由圖6可知：右線隧道頂端豎向位移實測最大值約為1.0 mm，與計算的最大值1.0 mm基本保持一致；右線隧道右側(cè)水平位移實測最大值約為0.4 mm，大于計算的最大值0.1 mm。由圖7可知，右線隧道軌道板處左側(cè)和右側(cè)豎向位移實測最大值分別約為0.6、0.8 mm，與計算值基本一致。

總體來講，采用三向加載方式模擬的隧道變形與實測值基本上一致，故采用負(fù)向固結(jié)理論模擬的真空預(yù)壓影響符合實際情況。

5 結(jié)論

本文依托深圳機(jī)場T4航站區(qū)真空預(yù)壓試驗段工程，根據(jù)實際施工情況以及有限元模擬分析，提取真空預(yù)壓期間隧道實測變形，重點分析了真空預(yù)壓對隧道變形的影響。得到以下結(jié)論：

1）在淺埋盾構(gòu)隧道上方采用真空預(yù)壓處理軟土地基，對地鐵隧道的影響較小，隧道變形可控。

2）采用負(fù)壓固結(jié)理論分析計算的隧道變形與本工程的實際監(jiān)測結(jié)果較吻合。

3）隧道變形對應(yīng)于真空預(yù)壓加載有一定的滯后性；隧道豎向變形大于隧道橫向變形，真空預(yù)壓對隧道的變形影響以豎向變形為主；隧道頂部沉降略大于隧道底部沉降。