軟土地層盾構隧道沉降控制措施研究

殷凱

摘 要：文章分析了城市軌道交通地鐵盾構隧道軟土區域沉降的特點及原因，并結合武漢地鐵的經驗，提出了盾構隧道底部軟土的判別原則；并綜合考慮軟土分布及周邊環境等因素，提出了地面加固、洞內加固及地面加固與洞內加固相結合的三種軟土處理措施，分析了其各自的優缺點及適用性；文章所提的盾構隧道軟土判別原則及地層加固方式可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：地鐵；盾構隧道；軟土；地層加固

中圖分類號：U456 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0120-03

Abstract： This paper analyzes the characteristics and causes of soft soil regional settlement of shield tunnel in urban rail transit， and puts forward the discriminating principle of soft soil at the bottom of shield tunnel based on the experience of Wuhan Metro， and comprehensively considers the distribution of soft soil and the surrounding environment. Three soft soil treatment measures， ground reinforcement， hole reinforcement and combination of ground reinforcement and tunnel reinforcement， are put forward， and their respective advantages， disadvantages and applicability are analyzed. The principle of soft soil identification and the method of stratum reinforcement of shield tunnel mentioned in this paper can be used for reference for similar projects.

Keywords： subway； shield tunnel； soft soil； stratum reinforcement

1 概述

城市軌道交通地鐵盾構隧道在軟土區域的沉降問題越來越受到關注。根據上海、杭州、武漢等地的監測，處于軟土地層的盾構隧道在運營期沉降是一個長期的過程，其沉降往往需3～5年甚至更長時間才能達到穩定狀態。

地鐵盾構隧道運營期的沉降危害主要體現在以下四個方面：（1）長期沉降尤其是不均勻沉降過大，會影響盾構管片的結構安全性，造成管片開裂、掉塊等現象。（2）盾構隧道沉降過大，會造成管片環縫或縱縫張開過大，進而造成管片漏水，將影響隧道正常使用，甚至造成結構耐久性不足的問題。（3）盾構隧道沉降過大，可能會造成隧道限界不足，并造成內部管線、接觸網等設施的安全問題，影響列車的安全運營。（4）一旦運營期盾構隧道產生較大沉降，所能采取的有效補強措施較為有限，其實施效果也較難保證；同時由于列車已經處于正常運營狀態，只能在夜晚列車停運的天窗時間進行補強施工，施工成本高昂，且對既有隧道運營會造成風險。

地鐵盾構隧道的長期沉降危害較大且處理難度大，因此應需在運營前的隧道建設階段采取必要的處理措施，控制軟土地層隧道的長期沉降。本文主要分析盾構隧道軟土區域產生沉降的原因、軟土的判別及采取的工程處理措施。

2 沉降原因分析

根據武漢地鐵沉降數據的監測以及地質水文資料的分析，造成盾構隧道軟土區沉降的原因主要有以下三個方面：（1）軟土工程性質較差。盾構隧道施工過程中，盾構掘進會對周邊地層造成擾動并引起孔隙水壓的變化，而由于軟土的工程特性，會引起軟土顆粒結構的破壞及重組，引起軟土區隧道的沉降。關于地鐵盾構隧道底部軟土的判別將在下文進行分析。（2）地鐵周邊頻繁建筑活動。軌道交通工程往往位于城市繁華地帶，周邊物業及商業開發項目眾多，其施工過程尤其是地下室基坑的開挖及降水等過程會對地鐵隧道造成不利影響。（3）列車震動。地鐵通車后行車密度較大，地鐵結構、道床及下部軟土層長期處于低頻連續振動的環境下，導致軟土下臥層地基產生較大沉降。

3 盾構隧道底部軟土判別

工程中的軟土是一個寬泛的概念，對于不同領域，由于其關注重點指標的差異，具體的規定也有差異。一般而言，軟土具有以下特征：天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結系數小、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復雜、各層之間物理力學性質相差較大等特點。

關于軟土，一般從孔隙比和天然含水量兩個指標進行定義是比較科學合理的。如建設部標準《軟土地區巖土工程勘察規程》（JGJ83-2011）中規定，天然含水量大于或等于液限，且天然孔隙比大于或等于1.0的細粒土視作軟土；實際上符合以上指標的土即為淤泥質土或淤泥。武漢市城鄉建設委員會頒布的《武漢市深厚軟土區域市政與建筑工程地面沉降防控技術導則》（2015），基本沿用了上述定義，但同時指出根據武漢市地區經驗，地基承載力特征值不超過70kPa的土層應判定為軟土。

根據武漢地鐵設計、施工及運營的經驗，若完全按照以上標準進行判定，則只有淤泥或淤泥質土符合軟土的定義；而根據實際的運營監測數據，天然含水量與孔隙比未達到以上標準，但各項指標較差的粘性土層，同樣存在后期沉降較大的情況，應視作軟土進行考慮。同時天然含水量與孔隙比指標離散型較大，隨季節不同、測量方法不同而差別較大，存在不確定性。因此總結武漢地鐵的經驗，并征求武漢市相關專家的意見，總結出如下的軟土判別標準：（1）流塑狀的土層。（2）流塑～可塑的土層且其余地層指標明顯較低。（3）地基承載力（fak）小于70kPa。（4）標準貫入度（N）小于6。（5）壓縮模量（Es）小于4.0MPa。（6）易液化或高靈敏度土。（7）單橋探頭比貫入阻力（Ps）小于0.8MPa。

若地層參數符合以上指標要求，則可考慮將該土層判別為軟土；但在實際設計及施工過程中，經常出現各種指標體現出的特點不一致甚至矛盾的情況，則建議以單橋探頭比貫入阻力（Ps）及標準貫入度（N）為主進行判斷。

需要說明的是，由于巖土工程的復雜性及較強的地域性，需結合具體地域特點及地層勘察的情況具體分析，不宜完全直接套用。

4 盾構隧道底部軟土處理方案

若根據線路平縱斷面及地勘資料分析，盾構隧道底部存在軟土，則應首先應研究車站方案及線路方案，優先通過優化線路縱斷面，使得盾構隧道底部脫離軟土區或盡量減少盾構隧道底部軟土的厚度，從而達到控制隧道運營期長期沉降的目的。

若無法通過優化線路解決隧道底部軟土問題，則需對軟土地層進行預加固，提高其地層參數。根據國內目前的案例，并結合武漢地鐵的經驗，盾構隧道底部軟土加固措施主要分為地面加固、洞內加固及地面與洞內加固相結合的三種方式。加固方案的選擇需綜合考慮周邊環境條件、軟土分布范圍（沿線路方向）、隧底軟土厚度及工程造價等因素。

4.1 地面加固

地面加固指采用水泥攪拌樁或高壓旋噴樁從地面加固盾構隧道底部范圍的軟土，該種加固形式需在盾構隧道穿越前實施完畢。地面加固一般用于地面環境條件簡單，軟土層分布范圍及厚度均較大的情況。

地面加固的平面范圍可按照盾構隧道外側2m進行，具體布置可結合所在城市采用管片幅寬設置，平面加固置換率按照35%～60%控制即可，加固土體應具有足夠的強度，28d無側限抗壓強度不小于0.8MPa；加固豎向范圍上部可加固至軌面高度（一般高于管片底部1.2m），下部要求加固至非軟土層深度不小于0.5m；根據相關文獻資料研究成果及理論分析，若軟弱地層厚度較大，加固至非軟土層造價過高時，可加固至不小于1倍洞徑深度范圍。地面加固方式見圖1、圖2。

地面加固的最大優勢是加固效果較好，而且加固質量可通過取芯等手段予以驗收檢測；最大不足是加固過程受制于地面的環境條件，需遷改一定數量的管線并需進行交通導改，若位于城市主干道上，則實施難度較大且費用高昂；若位于建構筑物下部，則地面加固可能不具備實施條件。

4.2 洞內加固

洞內加固是指盾構隧道實施完成后，通過管片預留的注漿孔，采用注漿加固管片下部軟土地層的方式。洞內加固在盾構隧道結構施工完成，軌道鋪設之前實施。洞內加固適用于不具備地面加固條件，或盾構底部軟土分布范圍及厚度較小的情況。

采用洞內加固方式，盾構管片應增加預留注漿孔的數量，注漿管采用鋼花管進行注漿，漿液采用水泥漿。下部3根注漿管要求伸入非軟土層深度不小于0.5m，若軟土層厚度較大，加固范圍不宜小于1倍洞徑。洞內加固方式見圖3。

洞內加固的最大優點是基本不受地面環境的影響，在盾構隧道結構完成后施工。洞內加固的不足是其加固效果的離散型較大，且驗收檢測也較為困難，同時地層加固的鋼花管將留在地層中，會對后期穿越的工程造成不利影響，應在后續工程規劃中引起高度重視。

4.3 地面與洞內加固相結合

地面加固效果較好且質量有保障，但在實際的設計及施工過程中，盾構隧道所處的環境條件往往十分復雜；若地面的管線密集，如燃氣、雨水、污水等管線遷改十分困難且工程費用巨大，而且會極大地增加工期。若均采用洞內加固，則加固效果難以得到有效保障，對施工提出較高要求。因此本文提出可采用地面加固與洞內加固相結合的方式進行盾構隧道底部軟土加固。

地面加固與洞內加固相結合的具體思路為：在不遷改地面管線或盡量少遷改重要管線的前提下，可每隔一段距離采用高壓旋噴樁實施一排地面加固（可按照10～15m控制），兩排地面加固之間進行洞內注漿加固。地面與洞內加固相結合加固方式見圖4。

每隔一定距離的地面旋噴加固可在軟土地層中形成固端支點，結合旋噴加固之間的洞內加固，可有效減少盾構隧道運營期的沉降。

5 結論

（1）地鐵盾構隧道底部軟土運營期沉降危害較大，處

理難度大、代價高昂且效果難以保證，應在前期方案確定階段、設計及施工階段予以高度重視。（2）應優先通過優化線路平縱斷面，使隧道底部避開軟土區域，若條件所限不能做到，則需采取必要的軟土加固措施。（3）軟土的判定應根據所在地區的地質情況及經驗綜合確定，應綜合考慮地基承載力、標準貫入度、壓縮模量、單橋探頭比貫入阻力及定性土層狀態指標判別，建議以單橋探頭比貫入阻力與標準貫入度為主進行判斷。（4）應根據軟土性質、分布范圍、厚度及周邊環境條件（含建構筑物情況、管線分布情況及交通導改情況等）綜合選取軟土加固措施。當軟土分布范圍及厚度較大且地面具備處理條件時，應優先選擇地面攪拌或高壓旋噴加固；當軟土分布范圍較小、厚度較小或地面不具備條件時，可采取洞內注漿加固的方案；當軟土分布范圍及厚度分布較大，當地面不完全具備條件時，可考慮采取地面加固與洞內加固相結合的方案。

參考文獻：

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