軟土地層地鐵區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)研究

薛 玨

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308）

經(jīng)過長期發(fā)展，我國的地鐵建設(shè)施工技術(shù)逐漸完善，但仍存在加固維護(hù)問題[1]。隨著地鐵使用時(shí)間增加，其原本的運(yùn)行隧道會(huì)因荷載動(dòng)力不均勻而出現(xiàn)耦合性振動(dòng)故障，直接影響地鐵的穩(wěn)定性。除此之外，受大量動(dòng)力荷載影響[2]，地鐵隧道的結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)細(xì)微變形和各種各樣的變形裂縫，一旦不及時(shí)進(jìn)行控制這些裂縫，在地震等自然災(zāi)害中很容易導(dǎo)致整個(gè)隧道坍塌，對(duì)地鐵的運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅[3]，因此，需要進(jìn)行有效地鐵間隧道抗震加固設(shè)計(jì)。

軟土地層是一種較常見的地層結(jié)構(gòu)，其主要由含水量較高、承載性較低的碎石土、沙土等組成。其具有幾個(gè)基礎(chǔ)特性[4]，首先是觸變性，即當(dāng)軟土地層受外力影響后，極易出現(xiàn)振動(dòng)或起伏，使整個(gè)地層滑動(dòng)，增加地基的沉降風(fēng)險(xiǎn)，不僅如此，當(dāng)部分土體受到破壞后，軟土地層還會(huì)進(jìn)行多向滑動(dòng)[5]，導(dǎo)致土體滑移問題。其次，軟土地層具有較強(qiáng)的流變性，其水分含量較高，在外界環(huán)境影響下，土壤中的水分會(huì)不斷發(fā)生改變，使土壤產(chǎn)生徐變力，造成地基剪切變形。最后，軟土地層具有較強(qiáng)的壓縮性[6]，對(duì)軟土地層組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部顆粒的空隙較大，充盈大量的水分與空氣，在施工過程中，容易導(dǎo)致水分空氣壓縮，出現(xiàn)軟土均值沉降。因此，在軟土地層的地鐵區(qū)間隧道施工難度較高[7]。該文根據(jù)軟土地層的特點(diǎn)，提出了一種有效的地鐵區(qū)間隧道抗震加固優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為提高軟土地層的施工可靠性做出貢獻(xiàn)。

1 軟土地層地鐵區(qū)間隧道抗震加固優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 淺埋暗挖布置隧道路面結(jié)構(gòu)

軟土地層的自穩(wěn)能力較差，若使用常規(guī)的開挖技術(shù)很容易導(dǎo)致側(cè)向塌方，針對(duì)上述問題，該文設(shè)計(jì)的抗震優(yōu)化加固技術(shù)使用淺埋暗挖法布置了隧道路面結(jié)構(gòu)。在地鐵隧道兩端[8]，需要使用管棚注漿技術(shù)進(jìn)行支護(hù)處理，開挖若干個(gè)路面布置隧道。在隧道路面結(jié)構(gòu)布置過程中，為了保證路面結(jié)構(gòu)的支護(hù)可靠性，需要使用超小導(dǎo)管進(jìn)行灌注漿支護(hù)，開挖滿足淺埋暗挖要求的導(dǎo)洞。待上述步驟完畢后，需要開挖側(cè)向、中柱孔樁，進(jìn)行注漿處理，布設(shè)路面支撐板。全部過程完畢后，再進(jìn)行基底封閉，使用側(cè)向順作法進(jìn)行襯砌處理[9]，分層對(duì)隧道路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行澆筑。在軟土地層中，一旦隧道側(cè)向應(yīng)力發(fā)生改變，路面結(jié)構(gòu)會(huì)立即出現(xiàn)細(xì)微裂縫，影響隧道抗震加固結(jié)果。因此，該文使用混凝土裂縫抵抗板，調(diào)整了路面的基礎(chǔ)布置結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 隧道路面結(jié)構(gòu)布置示意圖

由圖1 可知，風(fēng)亭也可以作為路面結(jié)構(gòu)布置的臨時(shí)施工管棚，連接?xùn)|西路面開挖斷面。在路面結(jié)構(gòu)布置的過程中，需要注意地層與隧道上部弧形的關(guān)系，提高拱部的可靠性。

隧道路面的南北兩側(cè)的結(jié)構(gòu)與中間不同，該文使用蓋挖半逆作法設(shè)置施工臨時(shí)立柱，將基坑填至頂板表面，待澆筑完成后，進(jìn)行路面恢復(fù)，依次鋪設(shè)施工板。新布置的隧道路面結(jié)構(gòu)與原本結(jié)構(gòu)相差較大，新型路面結(jié)構(gòu)使用預(yù)制鋼筋砼板作為面板材料，厚度適中，縱梁使用HN700×300 型鋼。新型隧道路面的穩(wěn)定性更高，能最大程度地提高路面的抗震可靠性。新型路面結(jié)構(gòu)主要使用臨時(shí)路面梁做支撐，底部設(shè)置了端構(gòu)架，能與路面兩端進(jìn)行橫縱向聯(lián)結(jié)，從而提高了路面的剛度。隧道路面在地鐵運(yùn)行的過程中荷載會(huì)發(fā)生變化，因此在路面結(jié)構(gòu)布置時(shí)需要計(jì)算構(gòu)件軸力a，如公式（1）所示。

式中：k為橫縱向最小內(nèi)力，結(jié)合上述的折減系數(shù)，可以進(jìn)行循環(huán)處理，對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算循環(huán)，從而調(diào)整路面結(jié)構(gòu)的橫縱向內(nèi)力，提高隧道路面結(jié)構(gòu)的抗震加固效果。

1.2 開挖隧道圍護(hù)加固止水樁

軟土地層具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，需要使用有效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行止水處理，避免隧道坍塌，該文選取1.2m 的止水樁作為止水結(jié)構(gòu)，開挖了隧道圍護(hù)止水樁，此時(shí)的止水樁排布示意圖如圖2所示。

圖2 圍護(hù)止水樁排布示意圖

由圖2 可知，在開挖過程中，需要使用交替處理法關(guān)注砼護(hù)壁，直至其滿足隧道加固設(shè)計(jì)要求，此時(shí)使用潛水泵進(jìn)行抽水處理，若此時(shí)的排水量滿足隧道施工要求，則可以進(jìn)行下一施工步驟，反之需要進(jìn)行注漿加固處理，保障施工安全，避免出現(xiàn)施工塌陷。

圍護(hù)止水樁的樁身開挖長度要保證在一定范圍內(nèi)，需要根據(jù)該開挖程度調(diào)整護(hù)壁厚度，避免隧道地面的水流入孔樁中。受隧道組成結(jié)構(gòu)影響，需要對(duì)其進(jìn)行鋼支撐抗震加固處理，即使用挖掘機(jī)進(jìn)行蓋挖，在保證基坑穩(wěn)定的基礎(chǔ)上安裝隧道主體支撐鋼結(jié)構(gòu)，保證鋼結(jié)構(gòu)的水平間距合理。

地鐵區(qū)間隧道的主體選用雙層大跨度鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置獨(dú)立的沉降縫隙，可以按照沉降長度調(diào)整孔洞立柱，進(jìn)行縱向彎矩處理，使開挖端滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高。隧道抗震加固模板選用竹膠板，導(dǎo)管選用鋼模導(dǎo)管，利用滿堂腳手架進(jìn)行泵送處理。為了保證不同梁節(jié)點(diǎn)的安裝效果，該文使用龍門吊車安裝支撐鋼筋模板，完成開挖工作。加固施工混凝土通過出入口進(jìn)行泵送循環(huán)，完成施工材料供應(yīng)。

不同施工結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)不同，因此，可以將隧道抗震加固施工主體結(jié)構(gòu)劃分成多個(gè)施工段，針對(duì)每個(gè)施工段進(jìn)行統(tǒng)一化處理。使用的加固裝置采用雙滲粉煤灰材料，嚴(yán)格控制塌落度。砼結(jié)構(gòu)的入模溫度需要滿足澆筑需求，盡量避免夜間澆筑，提高振搗質(zhì)量。在容易發(fā)生裂縫的部位需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理，鋪設(shè)鋼筋止水網(wǎng)片，實(shí)現(xiàn)防水與堵漏。

1.3 水平旋噴樁超前隧道抗震預(yù)加固

常規(guī)的袖閥管注漿加固技術(shù)進(jìn)行抗震加固處理時(shí)可能會(huì)破壞切割隧道土體，部分土體受漿液噴射作用影響混合為水泥土，通過多種作用力進(jìn)行排列，降低隧道結(jié)果的可靠性，水平旋噴樁預(yù)加固可以降低旋噴對(duì)土體的影響形成固結(jié)樁體提高隧道的抗剪強(qiáng)度。水平旋噴樁在旋噴的過程中可以進(jìn)行相互咬合，形成一個(gè)水泥固結(jié)拱殼，提高隧道的抗震性，降低隧道的沉降風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)行水平旋噴樁超前隧道抗震預(yù)加固可以形成一個(gè)相對(duì)完整的隧道加固拱殼，使整個(gè)隧道的受力更均勻。除此之外，該抗震加固方法形成的旋噴樁重疊比較規(guī)則，可以通過調(diào)整旋噴樁直徑控制抗震加固方向，提高隧道的土體強(qiáng)度，減少軟土地層對(duì)隧道施工造成的干擾，在水平旋噴樁施工的過程中需要注意土體的自穩(wěn)性，此時(shí)生成的水平旋噴樁超前隧道抗震預(yù)加固施工流程如圖3所示。

圖3 水平旋噴樁超前隧道預(yù)加固施工流程

由圖3 可知，結(jié)合上述的水平旋噴樁超前隧道抗震預(yù)加固施工流程可以有效調(diào)整旋噴樁尾部的位置，使用小型導(dǎo)管進(jìn)行補(bǔ)充注漿處理，可以最大程度地提高隧道圍巖的加固抗震止水效果。在施工的過程中，需要有效地進(jìn)行泥漿處理，對(duì)部分旋噴加固部分進(jìn)行補(bǔ)充，提高抗震加固施工的施工效率。

2 實(shí)例分析

2.1 概況及準(zhǔn)備

結(jié)合軟土地層地鐵區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)實(shí)例分析要求，該文選取某工程進(jìn)行實(shí)例分析，已知某工程位于某市的鐵路穿越區(qū)，全場(chǎng)為1586.25m，工程最小曲線半徑為1500m，存在“V”字施工坡度。根據(jù)隧道抗震加固施工設(shè)計(jì)要求，該工程選用高壓旋噴加固的方式，其旋噴直徑為600m，旋噴樁間距為800mm，該工程示意圖如圖4所示。

圖4 某工程示意圖

為驗(yàn)證所提技術(shù)的實(shí)用性，使用該文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震加固。先淺埋暗挖布置隧道路面結(jié)構(gòu)，然后開挖隧道圍護(hù)加固止水樁，最后進(jìn)行水平旋噴樁超前隧道抗震預(yù)加固。由于某工程的隧道加固均勻性較差，抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，因此，該工程設(shè)置了6.2m 的有效加固樁，使用單重管進(jìn)行翻漿施工，并且在施工過程中，還預(yù)設(shè)了排漿溝，使其滿足抗震加固需求。

2.2 抗震加固結(jié)果

結(jié)合上述的施工概況及準(zhǔn)備，可以進(jìn)行地鐵區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)實(shí)例分析，使用該文設(shè)計(jì)的軟土地層地鐵區(qū)間隧道抗震加固優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行施工，抗震加固施工結(jié)果見表1。

表1 抗震加固施工結(jié)果

由表1 可知，使用該文設(shè)計(jì)的軟土地層地鐵區(qū)間隧道抗震加固優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行施工后，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)的拱頂沉降滿足施工預(yù)警要求，證明該文設(shè)計(jì)的軟土地層地鐵區(qū)間隧道抗震加固優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的施工效果較好，具有可靠性和應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，地鐵是我國重要的交通工具，研究表明，目前我國開通地鐵的城市已經(jīng)超過了40 個(gè)，地鐵隧道的建設(shè)長度也突破了7000km，地鐵對(duì)人們的日常出行有重要作用。但某些軟土地層區(qū)域的地鐵隧道經(jīng)常出現(xiàn)裂縫問題，一旦出現(xiàn)地震等災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致隧道坍塌，會(huì)對(duì)地鐵的安全運(yùn)行造成威脅。常規(guī)的軟土地層區(qū)間隧道抗震加固設(shè)計(jì)方法主要使用袖閥管注漿加固技術(shù)處理隧道路基結(jié)構(gòu)，易受隧道盾構(gòu)下穿作用影響，導(dǎo)致隧道拱頂沉降過高，不符合軟土地層的地鐵區(qū)間隧道施工要求，因此，該文結(jié)合軟土地層的特點(diǎn)，對(duì)地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行了抗震加固設(shè)計(jì)。實(shí)例分析結(jié)果表明，該文提出的設(shè)計(jì)方法的拱頂沉降變化狀態(tài)符合施工要求，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，為降低地鐵區(qū)間隧道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)做出貢獻(xiàn)。