軟土地區(qū)盾構隧道加固措施研究

龍僑平

（中國水利水電建設工程咨詢中南有限公司，長沙 410014）

1 引言

近年來，城市軌道交通、盾構隧道等地下工程基礎設施建設密集度不斷增加，對周邊建（構）筑物變形控制、保護要求越來越嚴格，同時相關建筑物施工也會在不同程度上擾動區(qū)間隧道，進而造成隧道變形。尤其是在軟土地區(qū)建設盾構隧道，更容易發(fā)生變形問題，需要采取有效的加固處理措施。在預防隧道變形中，鋼環(huán)加固技術屬于一種有效的控制技術。施工中，通過在鋼環(huán)片上設置螺栓，并在管片、鋼環(huán)間灌注剛性新型環(huán)氧材料，能使管片和鋼環(huán)兩者共同承載，由此限制隧道變形，使隧道結構更加穩(wěn)定，延長隧道使用壽命。對此，鋼環(huán)加固技術應用時，需要結合軟土地基所建設的盾構隧道實際情況，經(jīng)勘測掌握變形程度，并把握好加固處理要點。

2 案例概況

東湖站位于東湖路東側東湖公園地塊內(nèi)，站址南側為6號線既有車站、海印大橋以及沿珠江風光帶；站址北側為越秀區(qū)文化館以及內(nèi)環(huán)路高架橋；西側為東湖路（規(guī)劃道路寬50 m）、路西側有龍湖大廈、東湖肯辛頓、龍湖新村等住宅區(qū)；車站東側為東湖公園步道及湖面。站址范圍地下管線較少，地勢稍有起伏，鉆孔地面高程為5.6～7.34 m。

3 軟土盾構隧道變形分析

3.1 變形分析過程

針對該地鐵隧道建設工程，變形分析中首先建立隧道環(huán)三維模型，模型當中的隧道環(huán)內(nèi)外徑以及管片厚度和該地鐵工程盾構隧道相關參數(shù)相同，內(nèi)徑是5.5 m，外徑是6.1 m，管片厚度是0.36 m[1]。通常情況下，埋藏在地下的隧道工程為線狀工程，此工程經(jīng)過勘察發(fā)現(xiàn)其有橫線變形，所以從中選擇一環(huán)進行計算，順著盾構隧道長向共1.1 m[2]。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，此地鐵隧道所選取的環(huán)計算單元共包含6 片管片，以拼接方式相連接，分別為1 片封底塊，2 片標準塊，2 片臨接塊，1 片封頂塊。所建立模型和工程實際相同，相鄰的管片通過直螺栓連接，所用螺栓強度等級是5.8 級，長480 mm，直徑30 mm。經(jīng)模型觀察和分析，可發(fā)現(xiàn)此隧道環(huán)結構和所承受荷載保持左右對稱均勻分布，所以出現(xiàn)的變形也呈現(xiàn)出左右對稱狀。為便于計算，分析期間只計算隧道環(huán)左側。此工程在實際施工中，盾構管片均設置了螺栓孔、安裝孔以及手孔等，所以管片幾何形態(tài)復雜，增加了網(wǎng)格劃分難度。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些孔均未設置加強鋼筋，因此，不屬于薄弱位置，一般不會發(fā)生破壞情況，所以，此次模型分析中不對上述孔位進行考慮[3]。根據(jù)該地鐵盾構管片相關設計資料，管片當中的鋼筋和管片混凝土在處理中選用embed 方式，也就是不對鋼筋和混凝土兩者相對滑移進行考量。相鄰兩管片連接中所有螺栓兩端均設置了螺帽，在和管片混凝土相連接中也選用embed 方式。此外，相鄰兩管片的接頭在連接中主要設置hard contact，摩擦系數(shù)設為0.3，由此對管片接頭部位受力行為加以模擬。

在對此盾構隧道進行加固處理中，所用加固隧道環(huán)相關加固部件按照有關規(guī)范標準，主要選擇鋼板，厚度是20 mm[4]。對于隧道環(huán)和加固部件之間的連接， 行為模擬中選擇Cohesive Behavior。分析所用加固模擬方法為預加固手段，也就是隧道尚未承受荷載的時候就加固，由此充分考察不同軟土荷載情況下隧道應用鋼板加固的效果[5]。

該工程實際施工中，隧道環(huán)在靜水壓力、土壓力共同作用下，很難做出精準反應。為簡化計算，可選擇荷載結構法，具體是先對隧道外部荷載進行計算，之后將其作為面荷載施加在隧道環(huán)外壁，之后用地基彈簧模擬土體抗力，此彈簧一端放在地面上，另一端連接于隧道環(huán)外壁，一旦隧道環(huán)出現(xiàn)橫向變形，地基彈簧能夠?qū)ψ冃萎a(chǎn)生抑制力。分析中，通過水土合算的方式計算土體豎向壓力及側向土壓力，以隧道環(huán)豎向受力平衡為基礎計算土層反力，對于隧道環(huán)外側土體，則主要將受壓地基彈簧布置于四周，由此加以模擬。

工程所在區(qū)域土體重度通常保持在16.9~20.3 kN/m3，所以在此模型中，土體重度參數(shù)選擇20 kN/m3，同時設整體隧道環(huán)全面埋設在軟土當中。該區(qū)域盾構隧道埋深能夠達到20 m，甚至局部高于30 m。在該區(qū)域后期建設期間，部分區(qū)段會在上方建設建筑項目，或者在地表堆土，從而造成隧道等效埋深更大，可在40 m 及以上。所以，為便于分析和比較，此次分析當中根據(jù)等效埋深計算土體壓力。同時，在工程實際埋深基礎上適當增加深度來確定最大埋深，具體將等效埋深確定為0~60 m，并計算相對應的加載土壓力，也就是隧道環(huán)上方豎向土壓力取值范圍是0~1 130 kPa。而在分析模型當中，將靜止土壓力系數(shù)確定為0.5，同時土層抗力系數(shù)確定為2 450 kPa/m。

另外，根據(jù)有關規(guī)范，計算當中將管片混凝土本構強度等級確定為C55，并設計算模型當中的鋼板、連接螺栓、管片內(nèi)鋼筋都有理想彈塑性，且屈服強度分別是300 MPa、510 MPa、405 MPa，鋼材尚未屈服狀態(tài)下彈性模量都是200 GPa。

3.2 分析結果

在豎向荷載改變過程中，同步分析隧道環(huán)接頭的張開量，可發(fā)現(xiàn)不管是否進行加固處理，在隧道上方不斷增加荷載作用過程中，腰部及頂部接頭張開量都會同步增加。同時在增加過程中，和頂部接頭相比，腰部接頭的張開速度更快，所以在軟土地區(qū)分析盾構隧道變形中，要著重分析腰部變形。此外，隧道環(huán)利用鋼管進行加固處理后，接頭張開得到有效控制，特別在荷載比600 kPa 小的時候，張開發(fā)展趨勢明顯比未加固處理的隧道環(huán)弱，證明在荷載不大的情況下，鋼板能夠發(fā)揮良好的加固作用。經(jīng)對比，發(fā)現(xiàn)隧道上部荷載在比600 kPa 小的情況下，經(jīng)過加固處理的隧道接頭實際張開量是未進行加固處理隧道接頭處的2/5 左右。

在分析中發(fā)現(xiàn)，在隧道所承受荷載不斷增加過程中，隧道頂?shù)宗呌诳繑n，隧道左右兩側則趨于遠離，隧道發(fā)生明顯變形，且呈現(xiàn)為“橫鴨蛋”狀。在荷載相同條件下，隧道的橫向變形稍大于豎向變形。在荷載不大的情況下，鋼板加固可發(fā)揮較好的隧道變形控制效果，不過在后續(xù)加固部件、隧道環(huán)連接逐漸發(fā)生破壞之后，加固效果也趨于減弱。經(jīng)對比，發(fā)現(xiàn)隧道上方所承受荷載不超過600 kPa 的情況下，經(jīng)過加固的隧道其變形程度是沒有進行加固處理隧道的1/2 左右。

4 應對軟土盾構隧道變形的加固措施方案

運用鋼環(huán)加固法對該地鐵工程盾構隧道變形進行加固處理，主要包含5 個施工階段：（1）前期籌劃階段。此階段主要是通過勘查現(xiàn)場明確施工范圍，并和設計部門溝通之后確定設計圖。此階段還要按照施工內(nèi)容及業(yè)主需配合內(nèi)容等清晰地劃分施工界限。（2）施工準備階段。此階段主要對既有機械臂進行調(diào)試運行，保證運作正常。同時，在業(yè)主協(xié)調(diào)基礎上，敷設臨時用水以及用電管線，科學編制施工方案。（3）前期施工階段。進行管線改排，并對疏散平臺進行臨拆，使各管線單位能夠相互配合，對排水溝進行切割及鑿除作業(yè)。此環(huán)節(jié)還要做好鋼板放樣工作，并進行后續(xù)加工。此外，要合理安排施工人員，分配施工任務。（4）施工階段。主要處理環(huán)及縱縫，安裝鋼牛腿與環(huán)板，并對整體結構進行焊接作業(yè)，最后環(huán)氧填充。（5）收尾階段。此環(huán)節(jié)主要對鋼板防腐進行修補處理，同步進行質(zhì)量驗收。

具體施工中，需要重點采取以下加固處理措施：

1）做好管線改排、鋼板放樣、排水溝鑿除等工作，同步拆除疏散平臺，要求各管線單位相互配合。在施工期間，根據(jù)施工范圍，將頂部觸網(wǎng)彈性支架、強電以及弱點支架拆除，移至施工范圍以外。按照設計方案改排頂部漏纜線，對于零星管線，全部移至雙側管架支架中，同時雙側管架支架長度保持在約50 cm，支架上管線一直到隧道管片內(nèi)弧面，需確保施工空間充足且統(tǒng)一。在施工現(xiàn)場臨時拆除消防水管，并改成雙側供水管線。對隧道中改排進行加固處理，之后搭建雙側支架。臨時拆除施工現(xiàn)場單側疏散平臺。鋼環(huán)拼裝施工期間，要求強、弱電相關管線單位加強現(xiàn)場監(jiān)理，做好技術指導，保證施工順利。施工中作用的通信、通風、水、電等設備需要事先由專業(yè)技術人員進行合理調(diào)整，保證符合施工需求和要求。

2）在環(huán)、縱縫處理中，一旦發(fā)現(xiàn)漏水點，要及時采取有效的堵漏措施。同時，管片的環(huán)以及縱縫處理前，要徹底清潔管片表面，維持干燥狀。在管片邊緣間距20 mm 的位置粘貼厚膠條，厚度要超過2 mm，且粘貼平整，保持相同距離。之后，在環(huán)、縱縫部位以及膠條中間填充彈性環(huán)氧膠泥，保證填充平整，尤其要保證環(huán)、縱縫相交T 字部位的填充質(zhì)量。在膠泥達到一定強度后，將膠條撤除，細致打磨管片表層所黏結膠條。環(huán)、縱縫部位完成環(huán)氧膠泥施工后，向內(nèi)部孔隙當中壓注彈性環(huán)氧漿液。壓注施工中，注意每間隔20 cm 鉆孔，以確保壓注均勻。在環(huán)及縱縫全部處理結束后，要向鋼圈所覆蓋區(qū)間內(nèi)的手孔中填充早強水泥。

3）在鋼環(huán)安轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，要注意按照施工方案先安裝下部牛腿，之后從下往上逐步安裝側板，最后在頂部安裝封頂塊。完成環(huán)形鋼板安裝作業(yè)后，對不同支撐間開展焊接作業(yè)，由此形成一個完整的受力支撐整體，在隧道中充分發(fā)揮加固支撐作用。焊接作業(yè)結束后，在鋼環(huán)表面涂刷SPUR 進行防腐處理，注意涂刷之前清潔鋼環(huán)表面，保證其處于干燥狀，分成兩層逐步涂刷，最終涂刷厚度在1.2 mm 及以上，并且厚度應均勻。此外，要封堵隧道管片和鋼環(huán)兩者縫隙，并填充環(huán)氧樹脂，保證鋼環(huán)受力均衡。填充作業(yè)結束后，及時打磨鋼環(huán)表面，由此起到保護作用，還可發(fā)揮防火防銹功能。最后，做好排水溝及管線的恢復工作，并進行竣工驗收。而在鋼環(huán)安裝結束后，需要合理布置監(jiān)測點，以對變形情況進行動態(tài)監(jiān)測。

5 結語

綜上所述，軟土地區(qū)盾構隧道的接頭張開量和上方所覆蓋軟土的厚度基本保持線性關系，即接頭張開會隨著上方荷載不斷加大而越來越大，同時和頂部接頭相比，腰部接頭張開速度更快。同時，軟土地區(qū)的盾構隧道在土體壓力影響下，變形主要為“橫鴨蛋”狀，腰部變形量稍大于豎向變形。通過運用鋼環(huán)加固技術進行加固處理之后，有效控制了隧道管片環(huán)接頭的張開量以及橫向變形，在荷載不大情況下，控制作用尤其明顯，也就是上方荷載在不超過600 kPa 的時候，經(jīng)過加固處理后的隧道管片接頭張開量較加固前下降60%左右，同時隧道變形程度下降50%左右，而在后續(xù)荷載逐步增加期間，加固效果會逐漸減弱。