佛山地鐵盾構隧道深厚軟土地層預處理方法探究

朱建峰

(佛山市鐵路投資建設集團有限公司， 廣東 佛山 528000)

0 引言

城市軌道交通具有安全、快捷、準時、大運能、綠色環保等突出特點，對推進城市現代化進程、改善交通運輸環境、引導優化城市空間布局、帶動城市經濟創新發展發揮了巨大推動作用。截至2018年底，我國內地累計35個城市開通了城市軌道交通系統，運營線路185條，總里程5 761.4 km；已有53個城市開工建設軌道交通，在建線路258條(段)，總計6 374 km，可研批復投資額累計42 688.5億元。目前，我國城市軌道交通運營線路規模、在建線路規模和客流規模均居全球第一，我國已成為名副其實的“城軌大國”[1]。隨著運營里程的增加，線路病害越來越多，對運營安全造成重大影響，尤其是穿越深厚軟土地層的盾構隧道，投入了巨額費用進行病害治理。由于軟土地層具有高壓縮性、固結時間長等特性，在長期循環荷載作用下，飽和淤泥質土會出現軟化現象，從而導致土體承載能力降低，疊加周邊環境變化影響，對穿越此類地層的盾構隧道造成不均勻沉降、結構變形超限、滲漏水、局部結構劣化等病害，影響隧道結構全壽命使用功能[2]。

現有文獻及設計多以盾構隧道掘進后引起的地表沉降及建(構)筑物變形為切入點進行研究。梁劍雄[3]提出了采用水泥攪拌樁對盾構隧道周邊深厚軟土進行地基處理，解決了新光快速路在地鐵隧道上方地層處理問題。王先仁[4]使用高壓旋噴樁對地鐵基坑軟基進行加固處理，介紹其施工原理，并提出技術應用要點。武有根[5]在施工場地比較狹小和地下管線復雜的情況下，將SMW工法應用于加固某盾構隧道出洞時的周圍軟土地層，取得了良好的效果和經濟效益。已有文獻對影響盾構隧道自身結構全壽命周期使用功能的問題研究較少。本文以佛山地鐵3號線軟土地層盾構區間工程為例，根據項目實際建設條件，通過現狀調研、數值分析及工程類比，提出在盾構施工前，對軟弱地層采取針對性預處理的思路與措施，保證軟弱地層盾構隧道的安全施工及隧道結構的全壽命周期使用功能。

1 工程概況

佛山地鐵3號線線路全長約69.5 km，其中高架段約8.7 km，過渡段約1.3 km，地下段約59.5 km；共設37座車站。線路沿線廣泛分布第四系海陸交互相淤

泥〈2-1A〉和淤泥質土層〈2-1B〉，厚度0.60～45.0 m。3號線區間盾構隧道全斷面穿越軟弱土層區段所占比例如圖1所示，隧道全斷面軟土區段長度占區間全長比例超過60%的區間有7個，有5個區間甚至達到100%。經調研佛山與典型軟土地區軟土層的物理力學特性及厚度分布對比(見表1)，與上海等典型軟土地區的土層相比，佛山地鐵3號線所涉及的軟土地層含水量更高、壓縮模量更低。如： 南京典型軟土層平均含水量為41.3%，上海地區淤泥質軟土層平均含水量為49.8%，寧波地區淤泥質軟土層平均含水量為47.8%等。從盾構施工風險控制和運營期結構服役性能維持的角度分析，佛山地鐵3號線面臨的問題更加嚴峻。建設過程中應充分吸取類似工程的經驗和教訓，根據周邊環境及施工條件，在盾構掘進前對深厚軟弱層區段進行預加固，且有效控制加固效果，降低隧道后期產生變形和病害的風險。

圖1佛山地鐵3號線各區間全斷面穿越軟弱土層區段比例直方圖

Fig. 1 Proportional histogram of sections with full-section crossing soft soil of Foshan Metro Line No. 3

表1 佛山與典型軟土地區軟土層的物理力學特性及厚度分布對比

2 地基加固方法比選

目前，地鐵盾構隧道工程常用的地層加固法主要有攪拌樁法、旋噴樁法、注漿法、SMW工法樁以及凍結法等[6-10]，綜合對比分析見表2。每種加固方法均有其適用條件，根據佛山地鐵3號線沿線軟弱土層廣泛分布的特點，從適用性、工程效率和投資等方面綜合考慮，在淤泥地層中推薦采用三軸深層水泥攪拌樁工法[11]處理淤泥地層。

表2 軟土地層土體加固方法綜合對比分析

3 地基加固方案研究

據Winkler假定，抗力系數與土的軟硬程度有關，土層越堅硬，能提供的抗力越大。工程實踐也表明，當隧道兩側有較大抗力時，可以減小橫向變形和拱腰處的彎矩，提高隧道長期使用性能[12-14]。在進行盾構隧道軟土地層加固設計時，應首先確定加固區合理的寬度與深度。針對佛山地鐵3號線深厚軟土區間，通過對多種三軸攪拌樁布置方案的比選，確定對2種地層加固方案進行深入研究。

方案Ⅰ(見圖2)： 采用φ850@600三軸深層水泥攪拌樁加固，攪拌樁布置形式為格柵狀，橫向三軸水泥攪拌樁的間距在靠近隧道中心為1.8 m、兩側為2.4 m，縱向三軸水泥攪拌樁間距為2.4 m。豎向加固深度為隧道頂部以上3 m，穿透淤泥層，深入土性較好的土層中0.5 m；或豎向加固深度為隧道頂部以上3 m至隧道底部以下3 m。

方案Ⅱ(見圖3)： 將隧道范圍內三軸水泥攪拌樁間距由1.8 m增加至2.4 m，并在隧道拱腰位置加設1排三軸水泥攪拌樁，其他同方案Ⅰ。

首先，采用二維有限元模型計算確定合理的地基加固范圍，驗證2種方案加固范圍的合理性；其次，基于格柵式加固方式，建立三維有限元模型，分析2種方案中管片內力與收斂變形差異，確定最優方案，同時檢驗格柵式加固是否會造成管片結構產生應力集中現象而不利于結構安全。

(a) 三軸攪拌樁加固平面圖 (b) 2-2剖面圖 (c) 1-1剖面圖

圖2加固方案Ⅰ示意圖(單位： mm)

Fig. 2 Reinforcement scheme Ⅰ(unit： mm)

(a) 三軸攪拌樁加固平面圖 (b) 2-2剖面圖 (c) 1-1剖面圖

圖3加固方案Ⅱ示意圖(單位： mm)

Fig. 3 Reinforcement scheme Ⅱ(unit： mm)

3.1 地基加固范圍研究

為驗證方案中地基加固范圍的合理性，建立二維有限元模型，采用地層分析法將隧道和地層視為共同受力的統一體系，計算土和結構相互作用對盾構隧道的影響，計算中通過位移協調條件使地層應力與襯砌結構內力保持平衡。土體采用15節點平面單元及摩爾-庫侖(理想彈塑性)材料模型來模擬。

選取3號線某區間全斷面穿越〈2-1B〉淤泥質土層且下覆淤泥質土層最厚處作為計算典型斷面。盾構隧道采用6.0 m內徑、管片厚度350 mm、寬度1.5 m的錯縫拼裝管片，6塊式。隧道中心埋深21 m，土層由上至下的地層分布以及計算選用的土層參數見表3。

表3 土層物理力學參數

3.1.1 加固寬度研究

二維有限元模型如圖4所示，土體寬80 m，深54 m，模型底部固定，兩側施加豎向約束。為研究不同加固范圍對盾構隧道附加變形的影響，橫向加固范圍分別取為隧道左右兩側3、4、6、8 m，并計算不加固條件下的橫斷面收斂變形以進行比對[15]。

圖5示出當加固寬度為隧道左右兩側3、4、6、8 m時，不同加固寬度對隧道水平收斂變形的影響。相較于未加固地層，當加固寬度為3 m時，隧道橫向收斂變形減小約25%，再繼續增加加固寬度，地層加固對隧道變形的控制不明顯，故將加固寬度控制在3 m左右。

(a) 加固模型

(b) 未加固模型

圖4加固與未加固二維有限元模型

Fig. 4 Two-dimensional finite element models of reinforced and unreinforced soil

圖5 加固寬度對隧道水平直徑變化量的影響

Fig. 5 Effect of different reinforcement widths on variation of tunnel horizontal diameter

3.1.2 加固深度研究

為驗證加固深度的合理性，分別取0.5、1、2 m作為模型中加固區深入持力層的深度(見圖6)。圖7示出當加固寬度為隧道左右兩側3 m、加固深度為從淤泥土頂部至底部以下0.5 m、1 m及2 m時，得到不同加固深度對隧道水平收斂變形的影響。加固深度從淤泥質土層以下0.5 m提高到1 m甚至2 m時，隧道的水平直徑變化量基本保持不變，說明當將軟弱層貫穿后，增加加固深度不能明顯提高隧道周圍土體的支撐能力。

圖6 改變加固區深度

圖7 加固深度對隧道水平直徑變化量的影響(加固寬度3 m)

Fig. 7 Effect of reinforcement depth on variation of tunnel horizontal diameter (horizontal diameter of 3 m)

綜合盾構始發/接收端頭加固經驗及上述計算結果： 地基豎向加固范圍應滿足隧道拱頂以上3 m至隧道底以下一定深度。對于深厚軟弱土層，理論上有必要將三軸水泥攪拌樁打入下部較好的土層中，考慮到工程的經濟性，加固深度至隧道底部0.5D～1.5D(D為隧道外徑)是可行的，可根據沉降控制的實際要求進行調整；對于下臥軟弱土層較薄的，將三軸水泥攪拌樁打入下部較好持力層中，深度0.5 m左右。

3.2 管片內力計算

三維有限元模型尺寸為40 m×7.5 m×54 m，隧道環寬1.5 m，包含5環管片。根據加固設計方案Ⅰ、Ⅱ，建立不同格柵狀加固體模型，并在盾構開挖前激活，同時建立不加固模型用于對比，如圖8所示。選取第3環管片中心斷面(位于樁間土處)作為內力對比參照，結果如圖9所示。

(a) 方案Ⅰ

(b) 方案Ⅱ

(c) 未加固

(a) 方案Ⅰ

(b) 方案Ⅱ

(c) 未加固

計算結果表明： 未加固時，隧道頂部、底部受壓，拱腰部分受拉；而在格柵加固作用下，全斷面彎矩具有以下特征。1)在格柵加固攪拌樁的作用下，彎矩出現波動，但無明顯的應力集中現象；方案Ⅰ最大彎矩為123.51 kN·m，彎矩總體減小約45.11%；方案Ⅱ最大彎矩為127.76 kN·m，彎矩總體減小約43.22%。2)隧道結構受到兩側攪拌樁約束，側向彎矩將減小，同時由于有較大的側向抗力，使得隧道頂、底部不會出現受拉的情況，全環呈現整體受壓狀態。2種加固方案中，隧道結構均無明顯的應力集中現象。

3.3 管片收斂變形

提取上述模型的橫向與豎向收斂變形進行分析，見表4。根據CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》規定： 隧道徑向收斂的控制值應小于20 mm，取隧道直徑的收斂變形限值為20 mm。隧道未加固時橫向收斂變形超限。相比于未加固方案，方案Ⅰ和方案Ⅱ隧道兩側土體抗力均有提高，隧道斷面變形減小較多。其中，方案Ⅰ橫向收斂變形相比于未加固時減小35.04%，豎向收斂變形相比于未加固時減小32.16%；方案Ⅱ橫向收斂變形相比于未加固時減小42.74%，豎向收斂變形相比于未加固時減小35.68%。根據隧道橫斷面變形量值的比較，方案Ⅱ在控制變形的能力上較優。

表4不同加固方案的隧道橫斷面變形

Table 4 Cross-sectional deformation of tunnels with different reinforcement schemes mm

綜上，從改善結構內力、減小結構變形的角度，方案Ⅰ與方案Ⅱ的加固效果均較為明顯，且程度相近，均不會在隧道結構中造成明顯的應力集中現象。但方案Ⅰ拱腰位置的1排三軸水泥攪拌樁外邊界與隧道管片外邊界重合，在結構最危險區域未提供有效的保護，而且隧道中心線附近的三軸水泥攪拌樁布置密度大于拱腰兩側，不具科學性且稍顯浪費；同時，拱腰兩側附近加固寬度不足，當周邊存在擾動時，在拱腰薄弱位置無法提供足夠的側向抗力，隧道的橫向變形以及拱腰的彎矩相對更易增大[16]。方案Ⅱ將隧道范圍內三軸水泥攪拌樁間距由1.8 m增加至2.4 m，并在隧道拱腰位置加設1排三軸水泥攪拌樁，使隧道側部約68°左右的結構襯砌位于抗力區內，弱化隧道中線附近的加固密度并相對增強拱腰位置及外側區域的加固范圍，使隧道兩側的加固區寬度延伸接近3.0 m，控制變形能力優于方案Ⅰ。綜合考慮將方案Ⅱ定為實施方案。

4 地基加固方案實施效果監測分析

施工現場采用方案Ⅱ對佛山地鐵3號線軟弱區間從地面進行預加固，目前已經順利實現6個區間隧道貫通。在隧道施工期間，于全斷面每組布置4個變形監測點和8個應力監測點(見圖10)。根據目前監測數據，彎矩最大為139.8 kN·m，隧道累計變形量均控制在±12 mm以內。對監測數據初步進行擬合分析，分析結果顯示，在格柵攪拌樁加固作用下，無明顯的應力集中現象，隧道頂、底部沒有出現受拉的情況，呈現整體受壓的狀態。

圖10 隧道內力監測點布置示意圖(單位： cm)

5 結論與討論

通過對佛山地鐵3號線盾構隧道深厚軟弱土層加固深入研究，結合目前施工監測數據分析，得出結論如下：

1)佛山地區淤泥、淤泥質土具有明顯的含水量高、靈敏度大、壓縮性高、長距離分布、抗剪強度低等特點，盾構掘進前采取三軸攪拌樁預加固措施，對保證盾構安全施工具有重要意義，對保持隧道全壽命周期服役能力的作用有待進一步的實踐檢驗。

2)根據數值分析，盾構隧道穿越深厚淤泥層時的加固寬度宜不小于拱腰外側3 m，深度應進入下部較好持力層0.5 m左右或隧道底部0.5D～1.5D。

3)采用格柵式加固，有針對性地弱化隧道中線附近的加固密度并相對增強拱腰位置外側區域的加固范圍，可進一步提高隧道變形控制能力。

目前本項目已列為科研攻關課題，監測工作將持續至開通運營后5年，下一步將根據監測數據及運營狀況對隧道服役性能進行跟蹤評估分析。