真空預壓加固軟土地基對淺埋軌道交通盾構隧道的影響

馬馳

鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東深圳518034

我國東部沿海地區，部分軌道交通線路位于新填海場地。新填海場地內廣泛分布著海相、湖相沉積的軟弱黏土層，具有高含水率、高壓縮性、低強度、低滲透性等特點，在填土、車輛、建（構）筑物等荷載作用下會產生較大的沉降，地基承載力和穩定性差。在填海場地修建道路、機場等，應進行軟土地基處理，有效消除軟土的沉降變形，提高地基承載力和穩定性，以滿足工程建設的需要。

淺埋軌道交通隧道上方進行軟土地基處理工程時，地下水位變化、卸載、加載等會造成隧道變形，對隧道安全產生不利影響，甚至會造成軌道變形超標，盾構隧道出現裂縫、漏水，甚至影響地鐵運營，給人民生命財產造成損失。丁加亮、張明遠、石國偉、張國亮、李宇升等［1-5］研究了緊鄰地鐵基坑開挖對隧道的影響，劉浩、康佩、樓曉明等［6-8］研究了樁基礎施工、上部高層建筑對軌道交通隧道的影響，而有關真空預壓、復合地基等軟土地基處理工法對軌道交通隧道的影響研究較少。

本文結合軟土性質、地鐵變形控制指標等因素，研究真空預壓加固軟土地基對軌道交通隧道的影響，對于合理確定軟土地基處理方法，保障軌道交通設施安全，具有重要的現實意義。

1 真空預壓分析方法

對真空預壓加固軟土地基機理的認識存在一定的分歧，主要有兩種觀點［9-12］：

1）等效荷載理論，認為把膜內外壓差即“真空度”作為等效荷載作用在地基土上，加固機理同堆載預壓，如圖1中紅色箭頭所示。

2）負壓固結理論，抽真空后的地基土處于大氣壓力小于標準大氣壓力的作用下，即處于所謂的負壓作用下，由于抽真空作用導致邊界上的氣壓或者孔隙水壓力降低，造成地基內孔隙水勢的不平衡。若將大氣壓看作邊界，則在負壓作用下的基本原理和標準大氣壓作用下的基本原理相同。在負壓條件下的土體受到三向壓應力，如圖1中藍色箭頭所示。

根據真空預壓加固機理，真空預壓加固軟土地基對隧道的影響分析可采用兩種方法計算：

1）單向加載、卸載

真空壓力視為豎向加載，對真空處理層之下會造成附加應力，計算的隧道沉降偏大（參見圖1）。停止抽真空時，真空處理層的附加應力消失，隧道會發生較大的反彈。

2）三向加載、卸載

真空壓力造成的土體附加應力為體應力。對真空處理層形成三向壓力，不會對真空處理層以下的土層產生附加應力。抽真空、停止抽真空過程中對真空處理層以下的土層影響較小。

等效荷載理論由于沒有考慮到真空預壓荷載的復雜性，計算的隧道變形偏大。故本文采用負壓固結理論，按照三向加載、卸載分析真空預壓加固軟土地基對隧道的影響。

2 真空預壓試驗段

深圳地鐵11號線、穗莞深城際穿過深圳機場T4航站區，地處淤泥下臥的粉質黏土層。為了研究真空預壓加固軟土地基對隧道的影響，在深圳機場T4航站區選擇典型的地段進行現場試驗，面積1萬m2，如圖2所示。

圖2 真空預壓試驗段

試驗段土層自上而下有淤泥層、中粗砂層、粉質黏土層，其中淤泥層是真空預壓處理的對象，隧道處于粉質黏土層中。各土層物理力學性質指標見表1。

表1 土層的物理力學性質指標

試驗段采用真空預壓處理：在現狀泥面清表后鋪設1層土工布、0.3 m厚砂墊層；采用輕型插板機打設塑料排水板；邊界開挖壓膜溝，鋪設真空管系、保護土工布、密封膜等；抽真空，滿載時間3個月；真空預壓施工期間，對隧道、軌道的變形進行自動化監測，累積變形超過報警值時停止施工，查明導致變形過大的主要原因，制定有針對性的控制措施后方可繼續施工。

3 數值計算結果

采用PLAXIS有限元計算軟件對真空預壓加固軟土地基引起的隧道變形進行計算，模型如圖3所示。土的本構模型采用摩爾庫倫模型，強度指標采用固結不排水抗剪強度指標。

圖3 真空預壓計算模型（單位：m）

真空預壓期間，盾構隧道變形數值計算結果見圖4。可知：吸力最大值為80.64 kN∕m2，最小值為0。真空預壓后隧道水平位移最大值為0.14 mm，最小值為-0.16 mm。真空預壓后隧道豎向位移最大值為1.00 mm，最小值為-0.70 mm。隧道的水平位移遠小于豎向位移，說明真空預壓加固軟土地基對隧道的變形影響以豎向位移為主。

圖4 真空預壓后吸力分布及隧道位移

經計算可知，隧道頂部下沉1.0 mm，隧道底部下沉約0.7 mm，隧道頂部豎向位移略大于底部。

4 軌道交通隧道實測變形

真空預壓過程中，沿隧道縱向每隔50 m設置1個變形監測斷面（圖5），選用自動監測設備觀測隧道結構的水平位移、豎向位移以及軌道高低、軌向變形，按每天不少于3次的頻率監測各變形項目。

圖5 監測斷面示意

選取右線隧道實測值進行分析，隧道變形情況見圖6和圖7。

圖6 右線隧道頂端豎向位移和兩側水平位移

圖7 右線隧道軌道板處豎向位移

由圖6可知：右線隧道頂端豎向位移實測最大值約為1.0 mm，與計算的最大值1.0 mm基本保持一致；右線隧道右側水平位移實測最大值約為0.4 mm，大于計算的最大值0.1 mm。由圖7可知，右線隧道軌道板處左側和右側豎向位移實測最大值分別約為0.6、0.8 mm，與計算值基本一致。

總體來講，采用三向加載方式模擬的隧道變形與實測值基本上一致，故采用負向固結理論模擬的真空預壓影響符合實際情況。

5 結論

本文依托深圳機場T4航站區真空預壓試驗段工程，根據實際施工情況以及有限元模擬分析，提取真空預壓期間隧道實測變形，重點分析了真空預壓對隧道變形的影響。得到以下結論：

1）在淺埋盾構隧道上方采用真空預壓處理軟土地基，對地鐵隧道的影響較小，隧道變形可控。

2）采用負壓固結理論分析計算的隧道變形與本工程的實際監測結果較吻合。

3）隧道變形對應于真空預壓加載有一定的滯后性；隧道豎向變形大于隧道橫向變形，真空預壓對隧道的變形影響以豎向變形為主；隧道頂部沉降略大于隧道底部沉降。