地鐵隧道變形分析及治理加固技術(shù)研究

莊緒良

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 引言

隨著城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展、交通強國戰(zhàn)略驅(qū)動以及盾構(gòu)施工技術(shù)的日趨成熟，城市地鐵建設(shè)步伐日益增快[1-2]。然而，面對不同地域復(fù)雜的地質(zhì)條件，在地鐵修建與運營過程中，經(jīng)常出現(xiàn)隧道沉降及收斂變形異常，對隧道質(zhì)量和周邊環(huán)境帶來嚴峻考驗。很多學(xué)者針對隧道沉降和收斂變形做了大量研究，彭鵬等[3]利用正交試驗分析加固參數(shù)對圍巖及支護結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，并以模糊決策理論為基礎(chǔ)，得出隧道拱頂沉降的特征。不少學(xué)者[4～6]研究了加固措施對隧道沉降收斂變形的影響和治理效果，周立俊等[7]建立了基于GA-SVR的地鐵隧道沉降預(yù)測模型，對地鐵沉降進行精準預(yù)測。楊兆等[8]基于有限元數(shù)值模擬，分析盾構(gòu)施工引起的地層沉降和結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。陳森森等[9]對盾構(gòu)隧道滲漏水原因進行分析，提出修復(fù)拼縫密封膠系統(tǒng)和回填灌漿的綜合處理措施。

目前鮮有全面研究軟土地層地鐵隧道沉降收斂的原因及處理方法，本文以南京地鐵2號線西延天保街站-青蓮街站區(qū)間隧道變形治理為依托，對地鐵隧道沉降收斂變形異常狀況進行分析，并針對性采用綜合處理技術(shù)，為地鐵隧道變形治理提供參考。

2 工程背景

天保街站-青蓮街站區(qū)間上行線起訖里程為2WYK1+307.345 m～2WYK2+352.662 m，下行線起訖里程為2WZK1+307.345 m～2WZK2+352.662 m，上、下行線隧道長度分別為1 045.417 m和1 048.540 m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

區(qū)間隧道施工時隧道上方為秦新路施工場地，隧道頂距離原狀覆土最小處為2.5 m，地鐵區(qū)間施工前秦新路覆土回填土最深為4.92 m，剩余0.47 m水穩(wěn)層未施工，如圖1所示。

圖1 天保街站-青蓮街站區(qū)間隧道平剖面

隧道完工一段時間后，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，天保街站-青蓮街站區(qū)間上行線2WYK2+025.850 m～2WYK2+297.740 m、下行線2WZK2+014.330 m～2WZK2+294.680 m段，即成型隧道600～825環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴重沉降與收斂超標，進而發(fā)生較大管片錯臺，局部超過20 mm，并出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。為保證區(qū)間隧道行車安全，需對異常變形區(qū)段采取針對性治理措施，確保隧道結(jié)構(gòu)本身安全和行車安全。

3 隧道變形描述及原因分析

3.1 沉降收斂情況

(1)沉降變形

天青區(qū)間成型隧道工后沉降監(jiān)測于2020年4月份開始，監(jiān)測頻率為每月一次，截至2021年1月份共完成8期。

工后沉降觀測數(shù)據(jù)600環(huán)～825環(huán)為:左線總沉降累計最大值為-68.7 mm，工后沉降累計最大-28.10 mm，隧道工后沉降速率為-0.01～-0.05 mm/d；右線總沉降累計最大值為-88.8 mm，工后沉降累計最大-43.20 mm，隧道工后沉降速率為-0.02～-0.11 mm/d，如圖2所示。

圖2 右線隧道工后沉降變化曲線

根據(jù)《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)規(guī)定，最后100 d的沉降速率小于0.04 mm/d時方可判定隧道處于穩(wěn)定階段。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，天青區(qū)間600環(huán)～825環(huán)沉降未進入穩(wěn)定階段。

(2)收斂變形

基于2020年10月份全斷面掃描結(jié)果，監(jiān)測頻率為每月一次，截至2021年1月份共完成3期監(jiān)測報表。

水平收斂觀測數(shù)據(jù)600環(huán)～825環(huán)為:左線收斂與10月份相比累計最大增量為13.3 mm，環(huán)號為715環(huán)；右線收斂與10月份相比累計最大增量為10.0 mm，環(huán)號為661環(huán)，如圖3所示。

圖3 右線隧道結(jié)構(gòu)收斂變化曲線

3.2 表觀病害情況

對600環(huán)～825環(huán)區(qū)間進行結(jié)構(gòu)病害巡查，發(fā)現(xiàn)病害情況為:左右線管片均存在較為嚴重的錯臺現(xiàn)象，錯臺量基本在3～15 mm和5～20 mm之間，局部管片錯臺達22 mm，且左右線均存在較為嚴重管片滲漏水情況。病害排查結(jié)果如圖4所示。

3.3 隧道周邊環(huán)境調(diào)查

經(jīng)查閱相關(guān)地形及勘察資料得知，在區(qū)間隧道工后變形變化較大處存在一處水塘，水塘東西長約270 m，南北寬約140 m，水面高程為5.60 m，水深約1.6 m，如圖5所示。同時發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道線路范圍內(nèi)有大面積填土堆積分布，填土層最厚達11.5 m，填土密實度、均勻性、穩(wěn)定性較差。

圖5 秦新路施工前后原地貌水塘與區(qū)間位置

3.4 隧道沉降收斂原因分析

通過有限元分析(如圖6所示)，獲取不同地基工況下左右線隧道豎向位移及水平收斂數(shù)據(jù)，如表1所示，并通過取芯對其驗證，繪制位移、收斂曲線(豎向位移正值表示向下沉降，水平收斂正值代表“扁鴨蛋”變形，位移值及收斂值均為隧道總變形量)，如圖7所示。

圖6 有限元分析結(jié)果

表1 隧道位移及收斂數(shù)值模擬情況 mm

圖7 不同工況下隧道位移及收斂曲線

基于周邊環(huán)境調(diào)查和隧道下地基鉆孔取芯結(jié)果驗證，盾構(gòu)區(qū)間沉降及收斂變形原因分析如下:

(1)隧道處于長江漫灘深厚軟流塑地層，具有高飽和、低強度、高壓縮性、高靈敏度和流變性。在秦新路大面積、高覆填土堆載的長期作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降，盾構(gòu)隧道隨圍巖固結(jié)沉降而發(fā)生沉降。

(2)隧道在軟弱土層固結(jié)沉降拖曳下，隧道頂、底沉降差造成隧道成壓扁狀，發(fā)生較大的收斂變形。

(3)異常區(qū)段隧道為水塘回填區(qū)，在回填土超載作用下，水塘邊坡及下臥軟弱土層產(chǎn)生滑移趨勢，導(dǎo)致盾構(gòu)圍巖側(cè)向約束減弱，形成側(cè)向卸載模式，增大其收斂變形，同時產(chǎn)生向水塘側(cè)水平位移。

4 隧道沉降及收斂變形治理措施

根據(jù)變形機理分析，采用外控內(nèi)治的原則對隧道進行加固，即洞外采用鉆孔灌注樁隔離、水塘回填、MJS工法樁隧底加固，洞內(nèi)采用深孔注漿、安裝洞內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)襯的綜合治理方案。

4.1 隧道外加固

(1)設(shè)置隔離樁

沿秦新路施工回填后的水塘邊設(shè)置一排φ1 000 mm鉆孔灌注樁+φ800 mm雙重管高壓旋噴樁止水+樁頂1 000×800 mm冠梁的隔離支護體系。隔離樁設(shè)置長度按超出水塘區(qū)域兩側(cè)各10 m控制，樁長按間隔入巖1.5 m，非入巖樁樁底入砂層按2.5 m控制。

(2)水塘回填

對隔離柱外側(cè)水塘區(qū)域清淤后回填(20 m寬)至路基頂進行反堆載。

(3)MJS加固

根據(jù)區(qū)間隧道沉降及收斂數(shù)值大小，采取不同MJS加固型式。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分為收斂≥80 mm，收斂 ＜80 mm、變形 ＞60 mm，收斂≤60 mm、變形＞50 mm，收斂≤50 mm、變形＞35 mm等四種情況，分別采用隧道外側(cè)及拱腰以下施工4 000 mm樁徑160°擺噴、3 000 mm 樁徑 160°擺噴、3 000 mm 樁徑90°擺噴、2 000 mm樁徑100°擺噴，隧道拱腰以上內(nèi)側(cè)為2 000 mm樁徑180°擺噴的MJS樁。按樁徑4 000、3 000、2 000 mm區(qū)分，水泥摻量分別按55%、50%、40%控制，樁底以深入砂層大于0.5 m控制。隧道拱腰以上MJS樁按內(nèi)側(cè)樁徑2 000 mm、水泥摻量40%控制。

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)剛度、圍巖性質(zhì)和加固段隧道結(jié)構(gòu)縱向變化及結(jié)構(gòu)錯臺情況，結(jié)合MJS施工階段地基擾動和水泥土強度增長過程的影響因素，采用隧道兩側(cè)同步施工的方式，跳樁施工，跳樁間隔距離為4～6 m，洞內(nèi)同時采用全圓針梁式液壓頂升臺車支撐管片。

4.2 隧道內(nèi)加固

(1)管片表觀病害治理

根據(jù)管片不同裂縫寬度和破損情況，采取不同的處理方案，如表2所示。

表2 隧道裂縫和破損修補施工

(2)鋼環(huán)加固

管片錯臺大于20 mm且伴隨有滲漏水部位，在管片錯臺位置內(nèi)側(cè)焊接鋼板環(huán)作永久加固處理；管片收斂值大于60 mm處，在對應(yīng)管片中心焊接鋼板環(huán)作永久加固。

鋼環(huán)采用厚30 mm、寬900 mm鋼板分6塊制作，采用機械臂拼裝成封閉環(huán)。鋼環(huán)與管片之間的空隙通過注入剛性環(huán)氧漿液填充密實。

(3)深孔注漿

隧道變形治理重在改善隧道周邊土體物理性質(zhì)。依據(jù)“少量、多次、交錯”的原則，利用管片預(yù)留注漿孔采用后退式注漿的方式對隧道周邊的土體進行改善，注漿壓力控制在0.4 MPa內(nèi)。通過單液漿的流動性可達到大面積、全方位改善土體性質(zhì)的目的。在MJS施工前采用隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)對稱注水泥漿的方式，MJS施工完成后采用超細水泥對隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)和拱底進行補償式深孔注漿。

5 隧道治理的效果

經(jīng)監(jiān)測，施工期引起的隧道收斂變形增量為2 mm，水平位移增量及豎向沉降增量為5 mm，均處于可控狀態(tài)。

隧道治理于2021年4月完成，根據(jù)2021年5月至9月的監(jiān)測結(jié)果顯示，隧道最大累計沉降量為4 mm，最大百日沉降速率為0.027 mm/d，符合規(guī)范要求。

6 結(jié)論

本文以南京地鐵2號線西延天-青區(qū)間隧道變形加固治理工程為背景，通過理論研究提出洞外和洞內(nèi)綜合加固措施，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論:

(1)運營期應(yīng)加強地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測工作，定期分析隧道沉降和收斂變形的相對曲率關(guān)系，以便掌握隧道結(jié)構(gòu)受力變化狀態(tài)。

(2)軟土地層隧道上方新增荷載對變形和收斂值影響敏感，因此隧道兩側(cè)各5 m保護區(qū)范圍內(nèi)嚴禁不采取措施新增荷載。

(3)軟土地層盾構(gòu)施工前須提前對地層進行加固處理，并確保加固質(zhì)量，同時對隧道周邊環(huán)境進行調(diào)查，避免隧道出現(xiàn)水平位移。

(4)變形隧道內(nèi)部采用鋼環(huán)和補償注漿對襯砌結(jié)構(gòu)進行加固，可提高受損隧道結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)耐久性，控制隧道變形。

(5)在軟土地層進行基礎(chǔ)設(shè)施施工時要充分考慮對運營隧道的影響，需采取洞外預(yù)加固的措施，改良隧道周邊土體，減少對運營地鐵隧道的影響。