城市軌道交通盾構(gòu)隧道變形超限的壁后注漿加固治理技術(shù)

顧志敏 吳 哲

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運營一分公司，215101，蘇州∥第一作者，高級工程師)

城市軌道交通發(fā)展有效地提高了地下空間利用率，改善了城市交通擁堵狀況。但是也帶來了另一個不可避免的問題，就是運營隧道變形超限而引發(fā)的結(jié)構(gòu)問題。現(xiàn)有的隧道加固方式無法克服施工難度大、作業(yè)時間短等問題；同時，現(xiàn)有隧道加固手段受施工經(jīng)驗影響較大，對其中各種參數(shù)的控制無明確的規(guī)范要求，無法實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的控制加固。因此，對于存在大變形的運營隧道結(jié)構(gòu)，多點、多次、適量壁后注漿可在一定程度上起到隧道結(jié)構(gòu)補強和變形糾偏的作用。三維激光掃描技術(shù)已廣泛應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測中，可較為全面了解隧道結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)病害等。將三維激光掃描技術(shù)與隧道結(jié)構(gòu)超限變形壁后注漿加固方法相結(jié)合，可極大提高注漿效果和精確性。

1 盾構(gòu)隧道常見變形分析

1.1 盾構(gòu)隧道裝配特點分析

蘇州軌道交通的隧道結(jié)構(gòu)分為盾構(gòu)隧道區(qū)間和明挖隧道區(qū)間兩部分。盾構(gòu)隧道主要采用裝配式管片結(jié)構(gòu)錯縫拼裝而成，縫隙較長，結(jié)構(gòu)柔性較好，可根據(jù)地質(zhì)情況及時調(diào)整管片姿態(tài)，更好地利用圍巖，適應(yīng)軟弱地層。盾構(gòu)隧道管片布置如圖1所示。砌管片分為6塊：3塊標(biāo)準(zhǔn)管片(A1、A2、A3型)、2塊鄰接管片(B1、B2型)和1塊封頂管片(K型)。襯砌環(huán)間采用錯縫拼裝，標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)環(huán)寬為1 200 mm，錯縫角度為22.5°。環(huán)與環(huán)之間設(shè)16個縱向連接螺栓，沿圓周均勻布置。環(huán)向相鄰兩塊管片間連接設(shè)2個螺栓，每環(huán)共設(shè)12個環(huán)向螺栓?？v向、環(huán)向螺栓形式采用彎螺栓。襯砌環(huán)預(yù)制管片混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級為P10；鋼筋采用HPB300和HRB400鋼。連接螺栓為材料性能等級5.8級的C級螺栓。環(huán)向螺栓固定，大大提高了管片橫向剛度。

圖1 盾構(gòu)隧道管片襯砌圓環(huán)布置圖Fig.1 Layout of shield tunnel segment lining ring

與部分地區(qū)采用通縫拼接不同，蘇州軌道交通盾構(gòu)隧道采用錯縫拼接，可使結(jié)構(gòu)縱向剛度有所加強，從而增強縱向結(jié)構(gòu)抗性。但由于環(huán)縫位置可能位于拱底，整體道床進(jìn)行澆筑時，極有可能使道床位于管縫之上，以至于環(huán)縫密封墊失效時，滲漏水會隨道床管片結(jié)構(gòu)接縫涌出，在震動作用下，極易造成道床脫空和部分排水溝伸縮縫的翻漿冒泥。

通過裝配式管片壓密處理和螺栓固定鏈接，使得管片整體剛度提高，抵抗外荷載作用抗力增加，但由于管片剛度不均勻，且外界應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，使得隧道結(jié)構(gòu)穿越軟弱地層時，極易出現(xiàn)拉壓扭轉(zhuǎn)等多種受力狀態(tài)，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)變形；同時，外部地質(zhì)條件、裝配時的施工質(zhì)量、施工擾動、內(nèi)外荷載變化、列車發(fā)車密度和周邊工程施工影響等因素都會造成管片變形超限。

1.2 盾構(gòu)隧道常見變形

1.2.1 橫向收斂變形

由于隧道管片襯砌環(huán)向剛度不均勻，存在螺栓鉸接，因此其受力后的收斂變形輪廓線非光滑變形，而是存在部分突變，主要表現(xiàn)為橫向上發(fā)生“橫豎鴨蛋式”橢圓變形。橫鴨蛋式管片變形主要由于上部堆載過大，或者是兩側(cè)土體卸荷而引發(fā)的結(jié)構(gòu)變形，管片整體處于壓密狀態(tài)，隧道頂部和底部處于受壓狀態(tài)，接縫外弧面閉合，內(nèi)弧面受拉，管片內(nèi)接縫張開。外部與土體連接接縫閉合不易發(fā)生滲漏水，接頭處混凝土易發(fā)生塑形破壞。而一旦發(fā)生豎向鴨蛋式橢圓變形時，隧道頂部和底部外弧面受拉，而側(cè)向壓力作用于接縫處使得外弧面張開，縱縫處極易發(fā)生滲漏水。

1.2.2 縱向收斂變形

管片縱向變形的產(chǎn)生多是由外部地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化造成的，產(chǎn)生的影響范圍較大，且多與橫向變形同時產(chǎn)生，可能造成隧道縱向線性發(fā)生改變，嚴(yán)重時會產(chǎn)生沉降或者隆起槽段。縱向變形的主要特征為發(fā)生“剛體轉(zhuǎn)動”和“環(huán)間錯臺”變形?？v向變形產(chǎn)生的影響主要為彈性止水墊變形，同時可能造成螺栓發(fā)生剪切破壞和管片變形，以及隧道整體的縱向沉降變形。相鄰管片錯臺量應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)。

1.3 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形影響因素

由于盾構(gòu)隧道為裝配式結(jié)構(gòu)，因此極易受到內(nèi)外環(huán)境因素的影響，隧道結(jié)構(gòu)變形的主要影響因素為：地面區(qū)域性沉降；復(fù)雜的地質(zhì)條件變化；設(shè)計施工質(zhì)量；列車振動引起的隧道下臥層液化或者振陷；隧道之間因換乘需要相互穿越施工。

2 盾構(gòu)隧道壁后注漿橫向糾偏整治技術(shù)

對于盾構(gòu)隧道的變形超限問題，一般采取的加固和糾偏防護(hù)技術(shù)方法有結(jié)合參數(shù)分析的信息化施工控制、MJS(全方位高壓噴射)工法、注漿加固法，既有隧道內(nèi)張鋼環(huán)加固法以及纖維材料加固法等，這些方法都得到了廣泛應(yīng)用[1-13]。國內(nèi)相關(guān)研究多集中在盾構(gòu)隧道服役前的施工階段，對于運營期間盾構(gòu)隧道糾偏控制的研究較少。運營期間盾構(gòu)隧道的整治糾偏屬于搶險工程，實際工程方案需要考慮運營期間的施工時間短、需及時進(jìn)行設(shè)備恢復(fù)，而且不能影響線路運營等。因此，需根據(jù)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測情況及時調(diào)整現(xiàn)場工程技術(shù)方案，并對現(xiàn)場處理效果進(jìn)行評判，同時要避免糾偏過量帶來的不良影響。

2.1 盾構(gòu)隧道概況

以蘇州軌道交通既有線實際工程為例進(jìn)行分析。該盾構(gòu)隧道區(qū)間服役時間為半年，隧道右線區(qū)間580環(huán)—680環(huán)中存在部分環(huán)累積收斂值大于70 mm，且最大的超過90 mm，管片姿態(tài)不良。對部分管片采用壁后注漿進(jìn)行處理，盾構(gòu)隧道右線長1 305.921 m，成型隧道內(nèi)徑為5 500 mm，外徑為6.2 m；環(huán)寬為1.2 m，共1 085環(huán)，管片厚度為350 mm；側(cè)穿河流，下穿經(jīng)濟(jì)發(fā)展廠房片區(qū)、下穿既有線鐵路路基，而后直線前行一段距離后，最后左右線隧道上下重疊到達(dá)車站。盾構(gòu)隧道左線有3段曲線，右線有4段曲線，最大曲線半徑為1 500 m，最小曲線半徑為400 m。盾構(gòu)隧道左右線線間距為0.10～37.7 m。

該盾構(gòu)隧道穿越土層主要為④1粉質(zhì)黏土層、④2粉土夾粉砂層、⑤1粉質(zhì)黏土層、⑥1黏土層以及⑥2粉質(zhì)黏土層。

2.2 盾構(gòu)隧道現(xiàn)狀

根據(jù)盾構(gòu)隧道右線三維激光掃描數(shù)據(jù)，該盾構(gòu)隧道整體變形狀態(tài)如圖2所示。該盾構(gòu)隧道存在橫向收斂變形超限，共計55處，累計收斂控制值≥70 mm。該盾構(gòu)隧道收斂變形分布如表1所示。

圖2 盾構(gòu)隧道橫徑向收斂值變化圖Fig.2 Transverse radial convergent variation diagram

表1 盾構(gòu)隧道收斂變形分布

該盾構(gòu)隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形超限主要是因施工期間隧道同步注漿不飽滿而引起兩拱腰側(cè)壁存在空洞，進(jìn)而引發(fā)橫向變形超限。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)記錄，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，同步注漿采用4點注漿，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa之間，壁后注漿量控制在標(biāo)準(zhǔn)注漿量的130%～180%(5.4～6.0 m3)。掘進(jìn)1環(huán)的出土量為41～43 m3，而管片外徑為6.2 m，環(huán)寬為1.2 m，即管片所占空間為36.23 m3，不考慮土體體積膨脹則可粗略計算超挖量為4.77～6.77 m3，而同步注漿量為5.4～6.0 m3。因隧道掘進(jìn)速度較快，由此可推測同步注漿未能及時充填超挖區(qū)域，充填量未能充滿超挖區(qū)域。

通過對該盾構(gòu)隧道現(xiàn)狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該盾構(gòu)隧道的病害相對較少，裂縫共計9條，大于2 mm的裂縫有1處，滲漏水病害無較大發(fā)展。因此該盾構(gòu)隧道存在較大收斂變形，管環(huán)姿態(tài)不良，橢圓度長短軸較小，拱腰橫向變形較大；累積收斂變形較大值集中在右線580環(huán)至680環(huán)，589環(huán)的收斂變形值最大，為101 mm；最大錯臺位置在459環(huán)與458環(huán)之間，錯臺量為19.3 mm。對該盾構(gòu)隧道累積變形收斂值大于70 mm的管片進(jìn)行加密監(jiān)測，并對其拱腰位置進(jìn)行壁后注漿。

2.3 注漿方案

該盾構(gòu)隧道管片是預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬于彈塑性體。變形區(qū)段地層處于⑥1黏土層，粘聚力較大，管片脫出盾尾后，周圍土體對管片不能及時包裹，管片下沉產(chǎn)生彈性變形；若繼續(xù)承受荷載，可能會出現(xiàn)螺栓受剪破壞或管片受拉破壞，主要表現(xiàn)為螺栓孔附近變形加大、混凝土開裂、上下左右混凝土縱向裂縫等。由于隧道管片頂部并未出現(xiàn)裂縫，兩腰處管片并無滲漏水，且隧道底部管片與道床結(jié)合良好，并無脫開的趨勢，因此，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和以往經(jīng)驗以及成環(huán)管片試壓試驗情況，若管片變形量不超過70 mm，可保持原狀，以避免破壞管片三向受力狀態(tài)；若管片變形量超過70 mm，則采用壁后注漿方式進(jìn)行處理。

1) 注漿孔位：580環(huán)—680環(huán)。選擇注漿環(huán)號時，需選擇2環(huán)，至少間隔4—5環(huán)且不超過10環(huán)。

2) 注漿方式：采用對稱注漿。應(yīng)根據(jù)不同點位管片變形和姿態(tài)，通過左上與右上、左中與右中注漿孔分別同時注漿，防止隧道偏位。相鄰最近的2個孔號的注漿時間間隔不得小于5 h；如遇管片姿態(tài)不良，根據(jù)三維激光掃描管片橢圓度等參數(shù)，及時調(diào)整注漿點位。

3) 注漿參數(shù)：漿液采用水泥單液漿，水灰比在0.8∶1.0—1∶1之間，注漿壓力在0.3～0.5 MPa之間，漿液流量為20 L/min。

4) 注漿順序：每5環(huán)注漿1環(huán)，同一排內(nèi)按照做一跳五施工；相鄰孔注漿間隔不少于2 d，并根據(jù)監(jiān)測情況即時調(diào)整；由收斂變形最大點向兩端進(jìn)行。根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，在施工前確定每次施工具體注漿孔位。

2.4 數(shù)據(jù)分析

對580環(huán)至680環(huán)管片注漿前的累積收斂變化進(jìn)行日常監(jiān)測，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，整體橫徑向收斂值處于減少的趨勢，尤其在589環(huán)聯(lián)絡(luò)通道附近，這種趨勢更為明顯。自2019年12月12日起，逐步對589環(huán)等進(jìn)行了壁后注漿糾偏處理，使得管片的橫徑向收斂值有所減少。

圖3 盾構(gòu)隧道580環(huán)至680環(huán)管片注漿前累積收斂值統(tǒng)計圖

自2019年12月12日起，對580環(huán)至593環(huán)管片進(jìn)行壁后注漿。注漿后，區(qū)間累積收斂值減小，如圖4所示。注漿前，589環(huán)的累積收斂值最大，為101 mm，注漿后減小至89 mm。注漿后的整體橫徑向收斂值趨于穩(wěn)定，如圖5所示。

圖4 580環(huán)至593環(huán)管片注漿前后累積收斂值統(tǒng)計圖

圖5 580環(huán)至593環(huán)管片注漿后累積收斂監(jiān)測變化圖

對所注漿盾構(gòu)隧道區(qū)間進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示管片的整體累積收斂值趨于減小。注漿過程中，580環(huán)—590環(huán)的累積收斂變化值較大，主要原因是注漿量和注漿次數(shù)多。因此及時減少該區(qū)段的注漿量，同時加強對道床進(jìn)行監(jiān)測。道床監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該注漿區(qū)間沉降值較大，因此及時進(jìn)行調(diào)整注漿參數(shù)及點位，減少因注漿次數(shù)多而引起的線路問題。整體注漿過程中，及時對注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使累積收斂值變化比較緩慢，避免因較大變形而引起管片結(jié)構(gòu)破損。在控制管片收斂變形的同時，通過對道床結(jié)構(gòu)加固處理或精調(diào)軌道指標(biāo)，使盾構(gòu)隧道整體變形得到了有效控制。

在運營前期，該盾構(gòu)隧道區(qū)間曾多處出現(xiàn)管片變形超限，其中以聯(lián)絡(luò)通道位置最為嚴(yán)重，主要原因還是由于建設(shè)期間，在盾構(gòu)管片裝配過程中，未進(jìn)行及時注漿，導(dǎo)致管片壁后存在較大空洞，進(jìn)而引起較大橫向變形。壁后注漿處理后，該盾構(gòu)隧道現(xiàn)狀穩(wěn)定，管片收斂變形有較大改善。其中：586環(huán)管片的收斂變形減小量最多，為25 mm； 589環(huán)管片的收斂變形最大，為8.9 cm。壁后注漿對糾正盾構(gòu)隧道橫向變形超限、加固隧道結(jié)構(gòu)具有明顯效果。

3 結(jié)語

對盾構(gòu)隧道管片變形受力特性及變形范圍進(jìn)行了研究，管片變形主要是橫向收斂變形和縱向收斂變形，橫向大變形極易造成螺栓失效、滲漏水、結(jié)構(gòu)崩裂等病害，縱向變形是造成管片錯臺和道床整體沉降的主要誘因。管片壁后二次注漿配合三維激光掃描監(jiān)測可有效控制地鐵盾構(gòu)隧道變形超限而引發(fā)的結(jié)構(gòu)問題；通過管片壁后注漿可有效提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)強度，有效糾正結(jié)構(gòu)超限收斂變形，糾偏范圍可控制在0～20 mm內(nèi)。為精確控制加固效果，可采用多點、多次、適量的注漿方式，對注漿量進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化注漿效果。同時，對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)大變形調(diào)整之后，可通過軌道精調(diào)等對道床存在的問題進(jìn)行處理，這可有效控制盾構(gòu)隧道變形超限帶來的結(jié)構(gòu)問題。