地鐵隧道縱向變形影響因素與控制對策研究

呂錦凡

（浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000）

傳統(tǒng)的交通方式與地鐵相比，似乎顯得“笨重、繁瑣、不環(huán)?！?，而地鐵的建設(shè)和發(fā)展也與我國可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保理念不謀而合。但行業(yè)從業(yè)者需要意識到的一點是：在地鐵隧道項目中，最為重要的就是建設(shè)過程的穩(wěn)定性和科學(xué)性，而更為重要的一點則是項目投入使用后對人們出行的安全是否有保障——這同時也是城市居民最為擔(dān)心的一點。不難看出，在該工程中，縱向變形問題對于安全的影響很大，行業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)不斷完善質(zhì)量管理體系，引進(jìn)更多先進(jìn)的科學(xué)手段解決這一問題，為促進(jìn)地鐵行業(yè)健康發(fā)展、推動交通事業(yè)快速上升提供幫助。

1 地鐵隧道縱向變形影響因素

1.1 施工期遺留問題

1.開挖面底層出現(xiàn)土體擾動問題。

2.盾構(gòu)技術(shù)實施時，盾尾后沒有及時完成充分的壓漿工作。

3.在盾構(gòu)技術(shù)實施時，超挖情況出現(xiàn)在了曲線推進(jìn)、糾偏推進(jìn)過程中。

4.隧道工程周邊的土體與盾殼之間出現(xiàn)了摩擦和剪切，此時工程周邊的土體會受到擾動。

5.盾構(gòu)法技術(shù)實施到擠壓推進(jìn)過程時，土體受到擾動。[1]

1.2 不均勻沉降的底層土體

1.盾構(gòu)施工技術(shù)可能對周邊土體產(chǎn)生擾動。這種擾動在埋深差異上并沒有明顯區(qū)別。擾動主要體現(xiàn)在下臥土層的回彈量、總沉降時間、沉降速率的變化當(dāng)中，這一系列變化與土體本身的性質(zhì)也有一定的關(guān)系。如果下臥層土體特性與分層不均勻的現(xiàn)象相互結(jié)合，出現(xiàn)在隧道周邊及沿線地段時，隧道就會出現(xiàn)不均勻的沉降現(xiàn)象。

2.使用盾構(gòu)施工技術(shù)，還可能造成另外一種形式的土體擾動，即當(dāng)被擾動的土體對外界影響較為敏感且自身具有較低的壓縮模量時，這一飽和黏土類型的下臥層會因為受到巨大的土體擾動造成周邊土體的沉降時間被進(jìn)一步拉長。與之相反的，如果下臥層土體自身壓縮模量較高，并且對外界環(huán)境相對沒有那么敏感時，其對于盾構(gòu)施工技術(shù)的應(yīng)激反應(yīng)相對沒有那么大，沉降速度較為穩(wěn)定，沉降現(xiàn)象相對來說處于可控范圍內(nèi)。[2]

1.3 隧道成型后受外部施工影響

區(qū)間線路通常位于城市區(qū)域，隧道在貫通之后隨著沿線商業(yè)、地產(chǎn)項目開發(fā)，隧道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)會出現(xiàn)多個涉及地下室基坑施工項目，深基坑施工中涉及圍護(hù)樁（墻）施工、土方開挖等作業(yè)對成型后的隧道結(jié)構(gòu)變形影響較大。

隧道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的鉆孔灌注樁施工會對臨近土體產(chǎn)生擾動影響，保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的土方開挖作業(yè)會直接影響隧道臨近區(qū)域土體受力狀態(tài)，打破土體影響平衡，從而直接導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)明顯變形，常見的位于隧道上方基坑開挖會引起隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)隆起變形，側(cè)方基坑施工往往會引起隧道結(jié)構(gòu)水平位移及豎向變形。

此外，受保護(hù)區(qū)內(nèi)的深基坑施工影響，在隧道結(jié)構(gòu)最終變形量超過控制標(biāo)準(zhǔn)后，地鐵隧道主管部門要求該地保項目業(yè)主對隧道進(jìn)行修復(fù)或整治，常見隧道整治方式有MJS 工法樁整治、微擾動注漿整治等。隧道整治施工是通過注漿等措施直接改變臨近土體性能及應(yīng)力狀態(tài)，達(dá)到控制控制隧道變形及減小隧道前期變形量目的。

1.4 振動和地震破壞

除了上述在工程項目施工時可能遇到的不可抗力因素外，地鐵隧道項目出現(xiàn)縱向變形的原因還可能是其在被投入使用后出現(xiàn)的。例如：地鐵運營過程中，列車在行進(jìn)時，會產(chǎn)生振動波。[3]這一振動波不僅會讓隧道的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定，還可能會導(dǎo)致隧道出現(xiàn)共振效應(yīng)，從而引發(fā)縱向變形問題。

與此同時，地鐵隧道項目所處區(qū)域為地下，當(dāng)發(fā)生地震時，該工程會直接受到影響?？v向變形也可能是地震中的余震等原因造成的。除此之外，每個區(qū)域的工程建設(shè)環(huán)境差異較大，但地鐵隧道項目在建設(shè)過程中的設(shè)計軸線是具有統(tǒng)一性的，當(dāng)出現(xiàn)分布不均勻的震波時，其統(tǒng)一性會遭受破壞，出現(xiàn)不均勻變形的現(xiàn)象[4]。

對于地鐵運行自身產(chǎn)生的振動和地震帶來的外力影響的分析，需要研究和技術(shù)人員從多方考慮，采取較為先進(jìn)和合理的技術(shù)手段對其進(jìn)行控制。

2 針對地鐵隧道縱向變形的有效對策

地鐵隧道建設(shè)項目具有一定的特殊性，其在施工過程中很可能被不可抗力因素影響，因此，針對這些多變的、復(fù)雜的因素造成的縱向變形現(xiàn)象，施工單位會通過提高外壁承受荷載的能力、加固隧道的底層土體等形式提高工程的總體質(zhì)量，減少工程事故數(shù)量。本文對于解決這一問題給出的有效對策會穿插部分廣東省案例和行業(yè)條例。

2.1 加固土體

如果把地鐵隧道項目比作生日蛋糕上的“奶油”，那么該項目下部和周邊的土體就是“蛋糕胚”。當(dāng)“蛋糕胚”的穩(wěn)定性出現(xiàn)問題時，奶油也會“東倒西歪”，甚至從蛋糕上滑落。而在地鐵隧道中，“蛋糕胚”最容易出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象就是不均勻的沉降問題。面對這一問題，行業(yè)給予了足夠的重視，并根據(jù)行業(yè)發(fā)展情況選擇相應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)救，對隧道底層的土體進(jìn)行加固，為保障項目的安全性和穩(wěn)定性打下堅實的基礎(chǔ)。此處對加固底層土體的實踐工作進(jìn)行介紹，文中可能會穿插一些廣東省的規(guī)范和案例。

實踐工作展開時，項目技術(shù)人員會對項目區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件進(jìn)行充分調(diào)研，并以此為基礎(chǔ)選擇正確的施工技術(shù)。針對底層土體擾動、回彈等可能發(fā)生在盾構(gòu)施工中的問題，技術(shù)人員會通過利用一系列的防護(hù)技術(shù)對其進(jìn)行加固，確保該區(qū)域受力均勻。需要注意的是，加固位置一般為隧道和站點的連接之處。這種加固技術(shù)不僅可以避免該區(qū)域底層土體出現(xiàn)不均勻的沉降，還可以進(jìn)一步避免隧道結(jié)構(gòu)因為這種不均勻沉降現(xiàn)象出現(xiàn)變形或產(chǎn)生裂縫等問題的出現(xiàn)。通過提高施工技術(shù)的科學(xué)水平，有效提高我國地鐵隧道項目的施工和工程水平，對人們的出行有著直接保障，也間接促進(jìn)了城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。[5]

據(jù)筆者了解，行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員已經(jīng)將底層土體不均勻沉降的問題作為地鐵隧道項目質(zhì)量管理工作的重點和難點之一。這種現(xiàn)象會引起隧道的縱向變形，對項目安全來說是一個較為嚴(yán)重的隱患。實踐工作展開時，技術(shù)人員通常會利用最新的科學(xué)技術(shù)對其進(jìn)行完善和優(yōu)化，例如：使用國內(nèi)較為先進(jìn)的灌漿技術(shù)，完成隧道下臥土體結(jié)構(gòu)的加固處理工作。利用這一先進(jìn)技術(shù)，可以幫助下臥土體的相關(guān)參數(shù)達(dá)到項目控制要求，為改善隧道縱向變形現(xiàn)象提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。與此同時，該技術(shù)的實踐和應(yīng)用，也為其他地鐵隧道項目提供了可借鑒的案例。

在廣東省的地鐵隧道項目建設(shè)過程中，技術(shù)人員正是使用了這一先進(jìn)技術(shù)解決了地層結(jié)構(gòu)中的粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土含量過高的現(xiàn)象，有效提升土體的穩(wěn)定性，使得待建區(qū)域滿足施工要求，有效加快項目施工進(jìn)度。不難看出，這一技術(shù)的實施為全國很多的地鐵隧道提供了建設(shè)思路，對提升和完善我國地鐵項目施工技術(shù)水平和體系有著顯著作用。在一部分地鐵隧道項目的施工階段，樁基結(jié)構(gòu)如果長時間處于沉降狀態(tài)，那么整個地鐵隧道項目的穩(wěn)定性也會受到不利影響。這一施工問題其實在行業(yè)中是難點，也是“痛點”，對此，項目技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)做好結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。具體如，廣東省的地鐵隧道項目中，針對該問題的解決措施為：結(jié)合盾構(gòu)擠壓施工法對隧道周邊進(jìn)行了技術(shù)加固，完善了隧道結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其構(gòu)成體系，提升了隧道內(nèi)部的綜合穩(wěn)定性，為隧道內(nèi)部抵抗樁基沉降帶來的應(yīng)力效應(yīng)提供了幫助。

2.2 特殊土層處理措施

針對特殊土層的隧道施工技術(shù)來說，具有較高的技術(shù)要求，在不同的土層施工過程當(dāng)中存在圍巖軟、開挖斷面大、含水量較高等多種問題。在施工過程中，就可采取上部弧形導(dǎo)坑開挖模式，左右側(cè)中臺階開挖模式，上中下臺階開挖模式，隧底開挖等多種施工方式。同時還應(yīng)當(dāng)完善初期之后作業(yè)，以提升施工開挖以后周圍為嚴(yán)的自然承載力。還可以使用仰拱及襯砌施工作業(yè)方式，采用全幅分段施工，保證仰拱安全距離，減少坍塌現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 成型隧道變形控制

技術(shù)人員需要重視安全控制措施在改善隧道縱向變形工作中的重要性，并嚴(yán)格管控施工和建設(shè)過程中的作業(yè)環(huán)境的實際情況，提高現(xiàn)場施工管理和施工技術(shù)的融合程度，并盡可能引入最新的施工技術(shù)，提高施工的穩(wěn)定性，可以通過規(guī)范條文規(guī)定來規(guī)范相關(guān)施工人員的施工技術(shù)，確定施工規(guī)范和要求等。還需要進(jìn)行地保項目前期安全評估工作，以保證施工成果符合相關(guān)即使要求和使用標(biāo)準(zhǔn)。同時還需要加強(qiáng)施工過程當(dāng)中的質(zhì)量控制內(nèi)容，具體如優(yōu)化相關(guān)設(shè)計方案，保證施工設(shè)計符合建設(shè)要求，同時因地制宜，不斷優(yōu)化施工方案，促使相關(guān)施工方案能夠更好地實施。在完成相關(guān)施工工作之后，還需要加強(qiáng)對于基礎(chǔ)基坑和隧道施工的質(zhì)量監(jiān)測。通過相關(guān)監(jiān)測活動的開展及時發(fā)現(xiàn)建設(shè)問題所在，并糾正不規(guī)范施工行為和結(jié)果，促使地鐵施工高質(zhì)量地完成。例如：在盾構(gòu)擠壓推進(jìn)工作的實踐環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到工作重點為提高隧道外壁的受力強(qiáng)度，具體實踐的工作依據(jù)和原則應(yīng)當(dāng)為技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。首先，工作人員需要控制好隧道周邊的基坑的挖掘工作的有序性，防止不正確的挖掘技術(shù)的實施為隧道外壁增加額外的、不必要的載荷，這種附加載荷很可能造成隧道出現(xiàn)縱向變形。在廣東省出臺的隧道安全控制工作規(guī)定條例中，明確寫道：任何項目規(guī)劃和施工都不允許出現(xiàn)在地鐵隧道項目邊線向外劃定3m 的界限內(nèi)，此舉對于保護(hù)隧道外壁不受到其他載荷壓力有著重要作用。與此同時，在該省的技術(shù)保護(hù)規(guī)范中，還明確規(guī)定了：隧道外壁附加載荷不應(yīng)該因為地鐵周邊建筑施工工作或降水等原因大于20kpa。如果該數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)，則地鐵隧道項目的安全性無法被保障，因為建筑垂直載荷對地鐵隧道項目的影響十分不利。這一技術(shù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)對于提高居民日常出行的安全性也有著顯著成效。

2.4 隧道施工變形控制措施

在施工過程當(dāng)中，為了有效控制隧道變形現(xiàn)象的發(fā)生，首先需要做好前期的地質(zhì)勘探工作，針對施工所在地的地質(zhì)情況進(jìn)行全面的勘查。其次，根據(jù)勘探結(jié)果進(jìn)行盾構(gòu)選型，選擇最符合當(dāng)?shù)厥┕l件的盾構(gòu)類型[6]。再次，需要根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的姿態(tài)進(jìn)行科學(xué)的控制，以保證掘進(jìn)姿態(tài)科學(xué)、合理，促使掘進(jìn)工作有序地開展下去。最后，在注漿過程當(dāng)中，也應(yīng)當(dāng)注重控制好注漿的速度以及時長等重要因素，以保證注漿成果安全可靠，滿足后續(xù)的建設(shè)使用需求。只有做好上述相關(guān)的施工步驟，同時針對施工過程當(dāng)中存在的問題及時地進(jìn)行解決和糾正，打好建設(shè)基礎(chǔ)，才能夠保證地鐵隧道施工變形問題得以減少[7]。此處仍然以廣東省地鐵建設(shè)項目作為案例進(jìn)行介紹：在該工程中，技術(shù)人員將防震技術(shù)、加固技術(shù)運用到了站點和隧道的建設(shè)過程中。[8]與此同時，針對項目中所有較為脆弱的連接部分，技術(shù)人員都采用了相應(yīng)的技術(shù)手段完成了該施工部分的管控工作，從細(xì)節(jié)處入手，“兩手抓”項目的安全性和可靠性。可以說，這一技術(shù)應(yīng)用舉措在行業(yè)內(nèi)部是“領(lǐng)軍”行為，為行業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)了巨大的力量。

3 結(jié)語

筆者通過廣東省的地鐵隧道建設(shè)案例闡述了盾構(gòu)施工技術(shù)的重要性，并強(qiáng)調(diào)了在改善縱向變形問題中，注重改善外壁建設(shè)環(huán)境、項目周邊土體穩(wěn)定性和樁基建設(shè)情況的價值與功能。與此同時，合理選取科學(xué)措施，引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)隧道施工技術(shù)并且保證樁基結(jié)構(gòu)具有長期穩(wěn)定性，是實現(xiàn)項目具有安全性的重要方式之一。改善地鐵隧道項目的縱向變形等工程問題，對于提升此類建設(shè)項目整體穩(wěn)定性和安全性有著重要意義，這類技術(shù)實踐對于引領(lǐng)行業(yè)健康發(fā)展、為居民出行營造良好環(huán)境以及助力城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著重要價值。