砂土液化地層盾構隧道加固設計研究

齊少軒 伍偉林 鄒育

摘 要：砂土液化地區(qū)盾構隧道后期運營沉降量大、管片病害多、維修難度高，采用有效的地面加固形式有利于減少盾構掘進期間地層損失、土體固結造成的地面沉降及盾構隧道運營期間的病害。以佛山地鐵 2 號線工程為實例，基于連續(xù)介質模型的基本原理，簡化建立地層 - 結構空間計算模型，計算分析盾構掘進時不同洞內加固及地面加固形式對地面沉降的影響規(guī)律，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行驗證。結果表明，當采用洞內加固及地面加固方案1時，能有效控制盾構掘進后管片的后期沉降，減少沉降率達 60% 及 83%;在砂土液化地層洞內注漿時，注漿壓力需控制在 0.3～0.5MPa，注漿流量控制在10～15L/min。

關鍵詞：地鐵;砂土液化地層;盾構隧道;加固設計

中圖分類號：U231.3

在動荷載等外力作用下，飽和砂土的抗剪強度因振動而喪失，造成下臥層基礎失效稱為砂土液化[1]。砂土液化常引起建（構）筑物基礎下沉以及地下工程的沉降，最終導致地面下沉，地面建（構）筑物傾斜破壞[2]。我國華東及珠三角區(qū)域以淤泥質粉細砂< 2-2 >、松散狀粉細砂< 2-6-1 >等為代表的中等～嚴重砂土液化地層為該區(qū)域的典型不良地層[3]，該區(qū)域城市軌道交通中區(qū)間工程均以盾構法為主要工法[4]。盾構掘進施工時超挖引起的地層損失所產(chǎn)生的短期沉降[5]以及開挖振動引起的地層液化[6]會導致盾構機栽頭及地面沉降等病害，嚴重時會影響周邊建（構）筑物[7]。我國多采用洞內注漿及地面加固措施，解決地層液化問題[8-9]。

目前，對砂土液化地層盾構區(qū)間的洞內及地面加固效果研究較少且主要以理論分析為主，基于既有理論，依托有限元計算分析和采用現(xiàn)場實測相結合的分析方法甚少。本文以佛山地鐵2號線登—花區(qū)間工程為背景，基于理論數(shù)值分析及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對砂土液化地層盾構隧道洞內加固及地面加固效果進行分析，提出加固方案，并通過現(xiàn)場驗證其有效性。

1 工程簡介

佛山地鐵2號線工程登—花區(qū)間為全線第11個區(qū)間，采用土壓平衡盾構法施工（外徑6m），線路縱斷面為V形坡，最大坡度為27‰，隧頂覆土8.7～26.53m。隧道穿越砂土液化粉細砂層，從上至下依次為填土層<1-1>、淤泥質粉細砂<2-2>、粉細砂<3-1>，如圖1所示，其液化程度達到中等以上，標準貫入度僅為2～4 N。砂層平均厚約21 m，隧道覆土14～15.4 m，地下水位深2.8 m[10]。

為防止2號線盾構隧道穿越砂土液化地層時出現(xiàn)過大沉降和在地鐵運營期間出現(xiàn)差異沉降，從而引起道床與管片脫開、隧道縱縫張開、隧道滲漏水等問題，需提前對砂土液化地層進行地面加固以及洞內注漿加固[11]，以改善地層土體特性，提高其強度及剛度，確保地鐵運營的長期穩(wěn)定。

2 加固方案

2.1 洞內加固

盾構隧道在砂土液化地層中的洞內注漿加固主要有3種方案：①方案1，結構兩側外擴3m，拱腰至隧底以下3 m;②方案2，結構兩側外擴3m，拱腰以上30°至隧底3 m;③方案3，結構兩側外擴3 m，拱腰至隧底0.5 m。其中，方案1為2號線方案，方案2、方案3為對比方案，如圖2所示。

2.2 地面加固

盾構隧道在砂土液化地層中的地面加固主要有 2 種方案：①方案1，采用上部格柵+下部點陣的加固方式，垂直于線路方向的攪拌樁加固深度為地面至穩(wěn)定地層以下1m，平行于線路方向攪拌樁加固深度為拱腰以上1m至隧底以下3m;②方案2，砂土液化地段地面加固方式采用850 mm@600 mm三軸攪拌樁格柵式，兩側寬度約2.225m，豎向實樁加固深度從拱腰以上1m至進入穩(wěn)定持力層。其中，方案1為2號線方案，方案2為對比方案，如圖3所示。

3 有限元數(shù)值計算分析

3.1 有限元模型

有限元建模過程中，管片采用殼單元，樁基、土體、加固體選用solid45三維實體單元模擬[12]。模型上邊界為地面，左、右、下邊界滿足與隧道凈距均≥3D（D為隧道直徑）要求，土體采用摩爾-庫倫彈塑性本構模型，計算時考慮土體塑性及蠕變特性，以模擬隧道開挖后的變形狀態(tài)[13]，地面加固模型同理。有限元模型如圖4所示，土體及襯砌物理力學參數(shù)見表1[10]。

模擬過程分為6步：①應力不釋放;②洞周應力釋放20%;③開挖土體，應力不釋放;④應力釋放100%，激活襯砌時同時注漿，不釋放應力;⑤開挖完成，洞周應力釋放20%;⑥洞內注漿替換下方土體并對周圍土體施加注漿壓力，土體按照本構模型塑性變形[14-15]。

3.2 數(shù)值模擬結果分析

3.2.1 洞內加固效果分析

圖5、圖6分別給出了不同洞內加固方案下，地表沉降曲線及管片變形云圖，由圖5、圖6可見：

（1）未采取洞內加固措施的區(qū)段，由于盾構開挖后土體的固結沉降計算表現(xiàn)為土體本構模型的塑性變形，引起的地面累計沉降約42 mm，管片最大沉降約 70 mm;

（2）洞內加固方案3由于下臥層加固深度小，加固體承載力不足，導致盾構管片在開挖后由于土體塑性變形沉降，管片沉降值達30 mm，引起的地表累計沉降約42 mm;

（3）方案1與方案2的管片在開挖后的累積沉降基本一致，分別為15 mm和12 mm，引起的地面累計沉降約8 mm和5 mm;

（4）比較洞內加固及未加固，采取洞內加固能有效抑制盾構掘進后管片的后期沉降，減少沉降率達60%;比較3種洞內加固方案，加固方案1和加固方案2有效，管片及地面累計沉降小，但方案1加固體相較方案2少，因此，在同樣加固效果下方案1更優(yōu)。

3.2.2 地面加固效果分析

圖7、圖8分別給出了不同地面加固方案下，地表沉降曲線及管片變形云圖，由圖7、圖8可見：

（1）未采取地面加固措施的區(qū)段，由于盾構開挖后土體的固結沉降計算表現(xiàn)為土體本構模型的塑性變形，引起的地表累計沉降約30 mm，管片最大沉降約60mm;

（2）方案1與方案2的管片在開挖后的累積沉降基本一致，分別為10 mm和8 mm，引起的地表累計沉降約6 mm和5 mm，與現(xiàn)場實測值7 mm基本一致;

（3）比較地面加固及未加固，采取地面加固能有效抑制盾構掘進后管片的后期沉降，減少沉降率達83%;比較2種地面加固方案，加固方案1和方案2的管片及地面累計沉降小，但方案1加固體相較方案2少，因此，在同樣加固效果下方案1更優(yōu)。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 測點布設

監(jiān)測點縱向沿隧道中軸線布置，橫向以左、右隧道中軸線為中心等間距布置。本文主要對砂土液化3個典型斷面進行分析，監(jiān)測點的布置如圖9所示，洞內監(jiān)測按照規(guī)范主要為盾構凈空收斂、拱頂及仰拱沉降監(jiān)測。

4.2 監(jiān)測分析

4.2.1 時程沉降監(jiān)測分析

圖10給出了管片管底累積沉降時程曲線，由圖10可知：

（1）在砂土液化地層洞內注漿加固，漿液能快速滲透砂層凝結，使管片基底加固體承載力較快地形成;地面加固由于未采用滿堂加固，加固空隙仍有砂土，管片基底承載力形成相對較慢;

（2）洞內加固約1個月后，管片下沉趨于穩(wěn)定，管片下沉累計量約為30mm;地面加固段3個月后，管片下沉趨于穩(wěn)定，管片下沉累計量約為26mm;

（3）地面加固效果總體優(yōu)于洞內加固且不會對管片產(chǎn)生二次影響。未加固地段則沉降持續(xù)增長，但速率逐漸緩和，截止目前已沉降約80mm。

4.2.2 沉降分布監(jiān)測分析

圖11給出了管片管底累計沉降分布曲線，由圖11 可見：

（1）6環(huán)～28環(huán)間采用地面加固，28～120環(huán)由于砂層較薄（10m）未加固，120～145環(huán)洞內加固。地面加固段管片后期沉降控制最好，但也引起加固與未加固交錯段管片間錯臺較大，導致管片角部出現(xiàn)破損。

（2）洞內加固段由于加固深度有限，盾構區(qū)間沿縱向又為柔性結構，因此，從洞內加固至未加固段管片破損情況相對較好。

5 結論及建議

（1）通過對比分析洞內注漿方案，當采用加固范圍3m，由拱底加固至拱腰的洞內加固方案時，能有效控制盾構掘進后管片的后期沉降，減少沉降率達60%且加固體相較加固至拱腰以上方案加固量少。因此，在砂土液化地層中推薦采用方案1（2號線方案）的洞內加固形式。

（2）通過對比分析地面加固方案，當采用方案1時，地面加固能有效控制盾構掘進后管片的后期沉降，減少沉降率達83%且加固體相較方案2加固量少。因此，在砂土液化地層中推薦采用首次提出的三軸攪拌樁上部格柵+下部點陣地面加固形式。

（3）合適的洞內加固及地面加固措施能有效控制盾構掘進后管片的累計沉降且地面加固更有優(yōu)勢，在未加固區(qū)段持續(xù)變形過大時也應進行洞內加固，以減少加固與未加固區(qū)段較大的錯臺及管片破損。

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收稿日期 2020-05-14

責任編輯 朱開明