臨近地鐵隧道加固施工非原位試驗(yàn)分析研究

張 程

（上海匯谷巖土工程技術(shù)有限公司，上海 201108）

0 引言

在臨近城市地鐵隧道區(qū)域開展工程建設(shè)，往往由于施工擾動(dòng)隧道圍巖土體導(dǎo)致隧道發(fā)生變形，主要體現(xiàn)在隧道收斂、沉降、位移，如果變形較大會(huì)影響軌道交通的運(yùn)行安全[1-2]。

目前大多數(shù)城市在臨近地鐵隧道區(qū)域施工均會(huì)在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)采取土體加固措施，加固方法多以MJS、SMW 三軸攪拌為主。三軸攪拌加固是以三軸型鉆掘攪拌機(jī)向一定深度進(jìn)行鉆掘，同時(shí)在鉆頭處噴出水泥漿與地基土反復(fù)混合攪拌，形成具有一定強(qiáng)度和剛度且連續(xù)完整的土體[3-6]，但是三軸攪拌加固施工會(huì)對周圍土體及鄰近隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，施工過程中孔隙水壓力明顯增大，土體抗剪強(qiáng)度減小，周圍土體存在一定程度上的變形[7-13]，朱 蕾[14]通過SMW 工法樁施工期間相鄰隧道的變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，土體加固會(huì)導(dǎo)致相鄰隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起或沉降，文新倫[15]通過緊鄰地鐵隧道的三軸攪拌樁施工原位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌樁施工過程中地鐵隧道最大隆起量為2.62 mm，亦進(jìn)行了非原位測試，但測試時(shí)間跨度較小，且主要采集隧道的變形，未能反映出加固開始前到土體強(qiáng)度增長后土體的連續(xù)變形情況；趙 偉等[16]研究表明水泥攪拌樁施工的橫向影響范圍約6 m，最大位移發(fā)生在地表位置。

本文針對上海軌道交通2 號線某地鐵上蓋項(xiàng)目采用三軸攪拌加固隧道圍巖，進(jìn)行了工前非原位測試，結(jié)合場地實(shí)際情況對地鐵隧道周邊土體變形進(jìn)行分析研究，以期獲得更為完整的測試數(shù)據(jù)，為臨近地鐵隧道土體加固工程提供參考。

1 工程背景

某綜合發(fā)展項(xiàng)目位于上海市靜安區(qū)，該項(xiàng)目地塊被吳江路分為南北兩區(qū)，其中北區(qū)地塊范圍內(nèi)有2 號線地鐵運(yùn)營隧道從場地東西方向穿越，區(qū)間隧道直徑為6.2 m，管片壁厚度350 mm，隧道頂埋深約9.0 m。

北區(qū)地塊基坑面積約3810 m2，開挖深度3.95～4.55 m，坑底距離隧道頂約4.45 m，位于基坑正下方的地鐵隧道區(qū)間長度約為102 m。采用φ850 三軸攪拌樁對隧道周圍土體進(jìn)行加固，加固區(qū)域?yàn)榈罔F隧道正上方及兩側(cè)，隧道正上方加固深度7.5 m，隧道兩側(cè)加固深度17.8 m，加固區(qū)為“門”式加固（見圖1）。

圖1 地鐵隧道與加固區(qū)域剖面關(guān)系（單位：mm）

為了降低三軸攪拌加固施工對地鐵隧道的影響，在正式施工前，于北區(qū)地塊內(nèi)進(jìn)行了非原位試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)情況與擬加固區(qū)相同，通過試驗(yàn)優(yōu)化并確定施工參數(shù)，減小三軸攪拌施工對周圍土體的影響，以達(dá)到在正式施工中減小對地鐵隧道的影響，滿足對地鐵隧道的保護(hù)要求，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

垂直于三軸攪拌樁走向，在距離每根試樁中心1.5 m、3.0 m 位置處設(shè)置土體測斜管，測點(diǎn)數(shù)量為6 孔，測孔深度30 m（最深加固深度17.8 m），以孔底為測試基準(zhǔn)，輔以孔口修正，試驗(yàn)測點(diǎn)布置見圖2。

圖2 試驗(yàn)攪拌樁與土體測斜孔位置關(guān)系（單位：mm）

試驗(yàn)控制值為變形量不超過2 mm，以滿足地鐵隧道變形控制要求。試樁施工順序?yàn)?SZ1 和SZ3（第一次）-SZ2（第二次），兩次施工間隔三天。第一次施工試樁SZ1 和SZ3，重點(diǎn)監(jiān)測測點(diǎn)Z1、Z2、Z5、Z6；第二次施工試樁SZ2，重點(diǎn)監(jiān)測測點(diǎn)Z3、Z4。在每根樁施工時(shí)，在不同的攪拌深度監(jiān)測該樁對應(yīng)測斜孔處的深層土體側(cè)向變形。攪拌樁試樁施工參數(shù)見表1。

表1 攪拌樁試樁施工參數(shù)

土體測斜孔在開始試驗(yàn)前15 天埋設(shè)，成孔孔徑130 mm，為確保回填密實(shí)效果，采用1（水泥）∶2.5（水）∶5（膨潤土）配置漿液置換護(hù)壁泥漿進(jìn)行回填，后期上部孔隙采用膨潤土球進(jìn)行多次少量回填密實(shí)，在測試前3 天，每天測試2 次，判斷測斜管埋設(shè)是否已穩(wěn)定，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)按變形速率不大于0.3 mm/d設(shè)定。

當(dāng)測斜管穩(wěn)定后，試驗(yàn)開始實(shí)施。在攪拌樁施工前2 h，連續(xù)測得兩次數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，初讀數(shù)取兩次測量之平均值。

每根樁在施工期間測試3 次，測試節(jié)點(diǎn)為：攪拌樁開始下沉?xí)r測1 次，下沉至設(shè)計(jì)深度（17.8 m）時(shí)測1 次，提升至地表時(shí)測1 次；試樁完成后每天測2 次，持續(xù)測試3 天，共計(jì)試樁期間測試11 次（不含穩(wěn)定性測試）。

2.2 試驗(yàn)過程

第一階段（測斜管穩(wěn)定性測試）：在測斜管埋設(shè)后7 天，土體深層水平向位移一般為0.5～0.6 mm，埋設(shè)后12 天，土體深層水平向位移一般在0.2～0.3 mm，判斷土體測斜管已穩(wěn)定。

第二階段（施工階段）：

（1）施工試樁 SZ1 和SZ3，重點(diǎn)測試 Z1、Z2、Z5、Z6

試樁開始施工時(shí)測試一組，攪拌下沉至設(shè)計(jì)深度后測試一組，提升至地表后測試一組對應(yīng)測斜孔的土體深層變形數(shù)據(jù)；試樁施工時(shí)間持續(xù)約4 h，施工完成后，分別于完成后6 h、14 h 再次測試；試樁完成后每天測2 次，持續(xù)測試3 天。

（2）施工試樁SZ2，重點(diǎn)測試 Z3、Z4

開始施工時(shí)測試一組，攪拌下沉至設(shè)計(jì)深度后測試一組，提升至地表后測試一組對應(yīng)測斜孔的土體深層變形數(shù)據(jù)；試樁施工98 min，施工完成后，分別于完成后6 h、14 h 再次測試；試樁完成每天測后2 次，持續(xù)測試3 天。

3 試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)按照既定試驗(yàn)要求完成試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，三軸攪拌施工機(jī)械組裝，導(dǎo)致地面荷載增大，在此期間進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，淺部土體（最大影響深度約為15 m 左右）水平向位移明顯，變形峰值為2.5 mm；重型施工機(jī)械拼裝完成后3～4 天，在管口以下10.0～25.0 m 之間，土體水平向位移一般在 0.5 mm以內(nèi)，土體水平向位移基本得到控制，測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

各測點(diǎn)施工過程中的變形峰值及最終變形最大值見表2、表3，代表性土體變形曲線見圖3。

圖3 代表性土體變形曲線

表2 施工過程中試驗(yàn)土體變形峰值統(tǒng)計(jì)

表3 試驗(yàn)土體最終變形最大值統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)分析：

（1）根據(jù)測試結(jié)果，最終變形量滿足地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)要求的變形量，達(dá)到部分試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

（2）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在施工過程中對周邊土體的影響較大，當(dāng)三軸攪拌下沉至設(shè)計(jì)深度時(shí)，土體變形出現(xiàn)峰值，距離試樁中心1.5 m 處土體的變形約為3 m 處土體變形的2 倍，第一次試驗(yàn)試樁施工順序?yàn)镾Z1-SZ3，對應(yīng)土體變形由于施工影響疊加，Z5、Z6 峰值變形數(shù)據(jù)明顯大于Z1、Z2，峰值變形深度下移至隧道底部，疊加影響變形量約為Z1、Z2 變形量的2 倍。

（3）變形峰值均出現(xiàn)在下沉至隧道底后，此階段對地鐵隧道存在較大影響，成樁3 h 后，變形峰值開始回落，此時(shí)隨著三軸攪拌樁施工噴漿壓力的消失和水泥土逐步產(chǎn)生強(qiáng)度，周邊土體的變形逐步回彈并最終穩(wěn)定。

（4）本次試驗(yàn)地坪為原狀土鋪設(shè)鋼板，在機(jī)械進(jìn)場及拼裝和拆除過程中，引起地面荷載變化，數(shù)據(jù)顯示對周邊土體的變形影響范圍及影響程度較大（最大影響深度約14 m，引起的最大變形峰值約 4.0 mm），在后續(xù)施工中，應(yīng)鋪設(shè)鋼筋混凝土地面降低因大型機(jī)械走行或材料堆放引起的集中荷載對周邊土體的影響。

（5）成樁后64.5 h，周圍土體變形已基本穩(wěn)定，最大變形數(shù)據(jù)均在1～2 mm，距離試樁中心1.5 m 和3 m處土體變形大部分集中在淺部，少部分存在于中部。

4 結(jié)論

根據(jù)前述地鐵隧道深層攪拌加固工前試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）三軸攪拌施工擾動(dòng)下，周邊土體側(cè)向位移的變形呈現(xiàn)“近大遠(yuǎn)小、淺大深小”的趨勢，本次試驗(yàn)中水平距離1.5 m 和3 m 處土體側(cè)向位移差約為2 倍關(guān)系，最終變形最大值大部分集中在淺部3 m以內(nèi)。

（2）在加固影響范圍內(nèi)土體側(cè)向位移變形會(huì)受到施工疊加影響，在水平方向上出現(xiàn)變形峰值增大，影響深度下移趨勢。

（3）成樁3 h 后，隨著加固土體強(qiáng)度的增長及噴漿壓力的消散，土體側(cè)向位移開始逐步回彈，64.5 h后回彈至最大變形峰值的43%～50%，最終變形滿足地鐵隧道保護(hù)要求。

（4）三軸攪拌機(jī)械施工荷載對加固場地土體側(cè)向位移影響較大，本次試驗(yàn)中影響深度約14 m，建議正式施工時(shí)對場地進(jìn)行硬化處理。