軟土地區大面積堆載致盾構隧道變形及其整治技術分析

曾華蔚 （1. 上海地鐵監護管理有限公司， 上海 00070；. 上海巖土與地下空間綜合測試工程技術研究中心， 上海00030）

上海的淺層土總體為軟弱土層，存在著大量的飽和高壓縮性軟黏土層、飽和含水含砂土層。基于此先天不良地質條件，再加上在地鐵運營期間盾構隧道易受運營環境和周邊情況等因素的影響[1-3]，盾構隧道更易出現整體沉降、不均勻沉降[4]和橫向收斂變形等結構變形[5-6]，嚴重時會引發滲漏水等病害，甚至對地鐵運營造成一定威脅。

本文擬結合實際工程案例，充分考慮特殊性和復雜性，詳述大面積堆載影響下的盾構隧道結構變形及其整治方案。最后以實測數據對整治過程中隧道結構的變化情況和整治效果進行研究，并分析微擾動注漿技術的整治機理，以揭示出盾構隧道橫向變形特征和規律。

1 工程案例

1.1 項目概況

小黃浦河橋位于上海市浦東新區前灘地區，平家橋路以西、高青西路兩側附近，臨近軌道交通 M 號線，且距離地鐵車站約 700 m，如圖 1 所示。高青西路小黃浦橋引橋南、北兩側地面標高在 4.0～6.0 m，原設計標高基本在 3.9 m。由于區間隧道埋深范圍內土層地質情況及上部堆土過多，導致下臥區間隧道部分區域管片收斂變形與設計比值較大，并伴隨結構滲漏水等病害。其中，上行線 S 250 環和 S 255 環處的隧道收斂變形與設計值相比差值更是 ＞ 9 cm。

圖 1 項目平面圖

1.2 整治方案

鑒于隧道結構病害較為嚴重且相對集中，易導致突變影響地鐵 M 號線的正常運營，因此該區段急需進行綜合治理。根據注漿等施工因素引起的地鐵隧道結構外壁的附加荷載 ≤ 20 kPa 的相關要求，按照“對癥下藥、綜合治理”的原則，采用“消除病源，治理病癥，恢復功能”的方式，最終制訂“上部卸載→微擾動注漿→EPS換填”三階段整治對策。同時，為保證施工的安全性和科學性，在整治作業的過程中對相應區間隧道結構（上行線 S 180 環～S 320 環）進行嚴密監測，并確保數據的準確性和及時性。

（1）第一階段：上部卸荷。針對高青西路小黃浦河橋引橋南側綠化前期堆土嚴重的問題，對東至地鐵隧道外邊線20.0 m、西至河邊的范圍進行上部卸土卸荷，直至場地標高為 + 4.0 m。同時嚴格控制卸荷過程，減少多次施工擾動。

（2）第二階段：微擾動注漿。對堆載嚴重影響范圍內的隧道管片（上行線 S 205 環～S 265 環）進行微擾動注漿，注漿范圍為隧道底標高以上 5.2 m，共設置 4 排注漿孔，即隧道兩側距離隧道邊線 3.0 m、3.6 m 處各設置 2 排注漿孔。注漿時優先對變形量較大的位置進行注漿，對隧道收斂進行控制，確保隧道結構安全，其次對收斂變形較小的區域進行注漿。微擾動注漿與地鐵盾構隧道相對位置關系如圖 2所示。

圖 2 注漿相對位置關系

（3）第三階段：EPS換填。針對小黃浦河橋東側引橋53.0 m 范圍（位于 M 號線隧道正上方）內，利用 EPS（聚苯乙烯泡沫）進行換填，以減少隧道正上方荷載，恢復引橋作用，確保今后道路在正常運營過程中，上部覆土和車輛等荷載不至于對下埋隧道產生過大的影響。其中，EPS 相關物理參數如表 1 所示。

表 1 EPS 物理參數

2 整治過程分析

2.1 第一階段分析

第一階段整治（約 7 d）上行隧道變形累計曲線如圖 3所示，即上部卸荷之后 M 號線上行線對應區間的隧道結構垂直位移累計變形曲線和收斂累計變形曲線。

圖 3 卸荷階段上行隧道變形累計曲線

由圖 3 可知，當卸土至場地標高為 +4.0 m 時，由于隧道正上方荷載的減少，隧道結構整體呈現出抬升的現象，其中，最大抬升變化量（上行線 S 260 環處）約 3.58 mm。此外，沉降累計變形曲線呈中間高、兩頭低的類正態分布。與此同時，隧道結構水平直徑也稍有減小，呈現整體收斂現象，最大收斂變化量（上行線 S 262 環處）約 6.10 mm。從變形曲線兩端的趨勢分析，開挖卸荷區域外的隧道結構并未受到過多擾動，從而證明該區域隧道結構沉降是由上部卸載卸荷所引起。

經分析可知，隧道正上方卸載使地層應力得到釋放，從而使得一定范圍內場地地層發生回彈，而地層的回彈對下部既有隧道產生上浮的作用，使其產生豎向的抬升變形以及橫向的收斂變形。這也證明，隧道上部荷載的超限是造成隧道結構發生沉降和收斂的重要因素。此外，由數據可知，沉降與收斂變化最大處比較接近，說明兩者在一定程度上存在相互耦合影響。

2.2 第二階段分析

第二階段整治即微擾動注漿階段。M 號線上行線對應區間的隧道結構變化情況如圖 4 所示。

圖 4 注漿階段上行隧道變形累計曲線

由圖 4 可知，在該階段治理病癥的過程中，注漿范圍內的隧道結構呈明顯上抬，最大抬升變化量（上行線 S 255 環處）達 18.26 mm，沉降累計變形曲線形似駝峰狀，即在 S 240 環處出現一個沉降變形“小漏斗”。這是由于在微擾動注漿過程中，注漿管打設深度的偏差—注漿管只打至隧道腰部位置處，使得漿液未能注到隧道底標高，抬升作用相對較小。隧道結構收斂變化量普遍超過 30.00 mm，水平直徑也明顯減小。不僅如此，隨著漿液的不斷注入，盾構隧道周邊土體的密實度和彈性模量等物理性能不斷增大，隧道兩側約束也增加，即隧道側向抗力急劇增加，可改善隧道的“橢圓度”，隧道橫向收斂變形得到有效控制。

為確保微擾動注漿整治效果保持良好，在注漿結束之后的一段時間內，不宜立即進行 EPS 換填施工，需要對盾構隧道進行持續跟蹤監測和觀測，待穩定后方可進行換填。注漿后盾構隧道結構變形如圖 5 所示。

圖 5 觀測期上行隧道變形累計曲線

由圖 5 可知，在微擾動注漿區域內仍存在一定抬升量。隧道收斂變形的增加亦使得盾構隧道附近的孔隙水壓力增加，在停止注漿后，一部分超孔隙水壓力會逐漸消散，進一步使隧道橫向收斂變形又有所增加，出現變形“回彈”現象。

2.3 第三階段分析

第三階段整治即 EPS 換填階段。M 號線上行線對應區間的隧道結構變化情況如圖 6 所示。

由圖 6 可知，在此階段中，盾構隧道收斂變形量并不大，整體較為穩定。只有局部區段出現上抬，而此處剛好位于引橋處，即 EPS 換填區域。在換填施工時，需要將原有一定厚度覆土換為輕質材料 EPS（本工程中所用 EPS 密度為 36.7 kg/m3，僅為普通土的 1/40），使得隧道上覆荷載又減少較多，地層應力狀態也相應發生變化。

圖 6 EPS 換填階段上行隧道變形累計曲線

3 結 語

結合該實際工程案例，針對軟土地區堆載引起的盾構隧道結構變形做出整治方案，分析研究了微擾動注漿技術和隧道整治效果，最終得到以下結論。

（1）大面積堆載容易對下臥盾構隧道產生較大橫向收斂變形，嚴重時會導致結構滲漏水等病害，因此在對于綠化、道路等工程需特別注意場地標高。

（2）在整治由堆載引起的盾構隧道結構變形時，首先需及時對超載覆土進行卸載，從根源上解決問題。

（3）微擾動注漿可以有效整治軟土地區盾構隧道的橫向收斂變形，且整治效果顯著。

（4）通過 EPS 換填有效減小了盾構隧道上部荷載，且綜合整治后期隧道變形趨勢穩定，又保留了引橋道路的運輸功能。

經過卸載、注漿整治、換填最終使得該項目對應區段的隧道結構變形安全可控。該案例的成功整治可為今后類似情況和整治對策研究提供重要的參考。