軟土地層地鐵盾構(gòu)隧道管片收斂變形整治方案*

陳春紅 周奇輝 邢玉芳 張瓊方

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 310014, 杭州∥第一作者, 高級(jí)工程師)

0 引言

軟土地層中的地鐵盾構(gòu)隧道在外部作業(yè)影響下極易發(fā)生管片橫斷面收斂變形增大,進(jìn)而導(dǎo)致隧道襯砌管片裂縫增加、螺栓應(yīng)力屈服、管片接縫張開、滲漏水增加,甚至是襯砌管片掉塊等嚴(yán)重危害地鐵運(yùn)營(yíng)安全的病害。針對(duì)以上問題,已有學(xué)者開展了多項(xiàng)針對(duì)性研究。文獻(xiàn)[1-3]通過建立隧道與地層相互作用的模型,分析了地面超載作用時(shí),不同土層條件下隧道管片橫斷面收斂變形規(guī)律和機(jī)理,分析了地面超載附加土壓力與隧道穿越土層、隧道上覆土層及下臥土層的物理力學(xué)性能關(guān)系,揭示了軟土地區(qū)既有盾構(gòu)隧道在地面超載作用下極易發(fā)生變形超限的機(jī)理。文獻(xiàn)[4]以上海某運(yùn)營(yíng)地鐵隧道為研究背景,分析了不同樣本元素對(duì)盾構(gòu)隧道管片收斂變形的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[5]針對(duì)上海軟土地層某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道上方突發(fā)大量堆載引起的隧道管片結(jié)構(gòu)變形情況(橫向收斂變形最大達(dá)到了34.5‰倍的隧道外徑),研究了采取卸載、芳綸布及鋼環(huán)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)整治措施后,地鐵盾構(gòu)隧道的受力變形規(guī)律。

以上文獻(xiàn)對(duì)隧道管片收斂變形機(jī)理研究較多,但對(duì)針對(duì)性的管片收斂整治措施,尤其是改善隧道管片收斂變形的整治措施研究較少。杭州某地鐵區(qū)間隧道由于受各種外部作業(yè)的影響,隧道管片橫斷面收斂變形較大、管片病害較多,影響了隧道的管片結(jié)構(gòu)安全和地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

本文以該區(qū)間隧道為例,介紹了隧道管片的病害情況并分析了隧道管片收斂變形的機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,提出一種隧道管片收斂變形的整治方案,即采用隧道外部MJS(全方位高壓噴射)工法樁+微擾動(dòng)注漿措施,對(duì)隧道管片橫斷面收斂變形進(jìn)行整治,同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)的病害進(jìn)行了修補(bǔ)。本文研究可為盾構(gòu)隧道管片收斂變形機(jī)理和整治措施提供理論依據(jù)。

1 地鐵隧道收斂變形概況

1.1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)概況

該地鐵隧道位于杭州市蕭山區(qū),于2012年年底開通運(yùn)營(yíng)。盾構(gòu)區(qū)間隧道管片內(nèi)徑為5 500 mm,隧道襯砌管片采用直線環(huán)+轉(zhuǎn)彎環(huán)進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝,壁厚為350 mm,環(huán)寬為1.2 m,采用C50混凝土,環(huán)向管片間用12個(gè)M30螺栓連接,縱向襯砌環(huán)間用16個(gè)M30螺栓連接。管片外弧側(cè)設(shè)彈性密封墊,內(nèi)弧側(cè)設(shè)嵌縫槽。整個(gè)環(huán)面及分塊面密貼,環(huán)與環(huán)、塊與塊以彎螺栓連接。環(huán)向螺栓、縱向螺栓均采用鋅基鉻酸鹽+抗堿涂層作防腐蝕處理。

1.2 工程地質(zhì)

該地鐵區(qū)間隧道所處區(qū)域除地面表層有一層2-2粉質(zhì)黏土層外,其余基本為淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,淤泥質(zhì)土層厚約30 m,隧道所處地層均為淤泥質(zhì)土層。該淤泥質(zhì)土層具有高壓縮性,物理力學(xué)性質(zhì)較差,且為沼氣的主要儲(chǔ)存層和氣源層。隧道上部覆土厚約12 m。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示,隧道區(qū)域土層分布示意圖如圖1所示。

圖1 隧道區(qū)域土層分布示意圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地鐵隧道管片變形情況和病害

隧道橫斷面管片收斂變形主要集中在上行線第1186環(huán)—第1137環(huán)、下行線第159環(huán)—第200環(huán)。管片的收斂變形值為46.7～65.5 mm,收斂變形大多處在50～60 mm范圍,收斂變形小于50 mm的管片約占管片總數(shù)的10%,收斂變形大于60 mm的管片約占管片總數(shù)的13%。

除隧道管片橫斷面變形較大外,該范圍隧道內(nèi)管片裂縫主要位于管片拱頂位置,最大裂縫寬度約為0.43 mm,接縫最大張開量約為15 mm,環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量最大約為9 mm,上下行線各有兩處管片破損和若干滲漏水點(diǎn),上行線局部范圍道床脫開。隧道病害分布情況如圖2所示。

a) 上行線的管片收斂變形值及管片裂縫數(shù)量

2 隧道收斂變形機(jī)理分析

軟土地層中的盾構(gòu)隧道外部作用力主要有垂直和水平土壓力、外水壓力、側(cè)向地層抗力、地層反力、地面超載、施工荷載及地震力等,本文將這些荷載簡(jiǎn)化為4個(gè)方向的作用力(P1—P4),隧道管片受力示意圖如圖3所示。常規(guī)情況下P2>P3=P4>P1,一旦發(fā)生地面超載即P1增大,或旁側(cè)卸載P3或P4減小時(shí),就會(huì)發(fā)生隧道管片橫向受力變形增大的情況,即隧道橫斷面成為“橫鴨蛋”狀。

注:R為隧道外徑。

3 隧道整治方案

當(dāng)隧道管片發(fā)生橫斷面收斂變形較大時(shí),整治措施通常從兩方面著手:① 減小上部荷載,即降低P1;② 加大側(cè)向壓力,即增大P2。在單獨(dú)減小P1的情況下,隧道管片和周邊土體的應(yīng)力將會(huì)重新分布,隧道管片收斂變形的改善效果并不明顯。增大側(cè)向壓力對(duì)隧道管片收斂變形的改善作用較大,但若隧道管片的收斂變形是由于前期上覆附加荷載增大引起的,只增大側(cè)向壓力雖對(duì)隧道的收斂變形改善雖有所幫助,但由于隧道管片受壓增大,需復(fù)核隧道管片結(jié)構(gòu)的受力情況。

目前,增大管片側(cè)向壓力常用的方法為微擾動(dòng)注漿,即通過注漿體填充提高隧道管片兩側(cè)的土體強(qiáng)度和土體側(cè)壓力,進(jìn)而改善隧道管片的收斂變形情況。而軟土地層中,由于隧道管片結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)大于周邊軟土地層,要達(dá)到整治目標(biāo)需要多次注漿,且后期管片收斂變形反彈量較大,整體整治效果不佳。

本文采用MJS工法樁+微擾動(dòng)注漿的形式對(duì)隧道管片的橫斷面收斂變形進(jìn)行整治。隧道兩側(cè)各布置一排φ2 400 mm@1 700 mm的MJS工法樁作為隔離結(jié)構(gòu),樁中心距隧道外側(cè)1.5 m,樁頂處于隧道上方0.5D(D為隧道洞徑)處,樁底至隧道底部下方1.0D處。隧道及其上下0.5D范圍內(nèi)進(jìn)行MJS半噴。微擾動(dòng)注漿孔距離隧道外側(cè)1.2 m,注漿范圍為隧道頂至隧道底部下方1.0D處,注漿孔孔距為1.2 m。

4 整治方案效果分析

4.1 施工過程

MJS工法樁于2020年10月施工完成,于2021年1月開始微擾動(dòng)注漿,2021年8月微擾動(dòng)注漿完成,共歷時(shí)約8個(gè)月。注漿時(shí)注一跳五(間隔注漿,相鄰兩次注漿的注漿孔之間應(yīng)間隔不少于4個(gè)注漿孔),相鄰注漿孔間隔天數(shù)不小于2 d。注漿期進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一般于地鐵停運(yùn)后開始注漿,地鐵運(yùn)營(yíng)恢復(fù)前結(jié)束注漿,基本注漿時(shí)間為晚上23:00至次日凌晨4:00左右,每15 min監(jiān)測(cè)一次數(shù)據(jù)。注漿壓力一般為0.3～0.5 MPa。注漿點(diǎn)布置示意圖如圖4所示。

圖4 注漿點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),注漿期的隧道管片橫斷面收斂變形有所減小,單次注漿以管片收斂變形3 mm控制,當(dāng)收斂變形達(dá)到3 mm即停止注漿。施工期隧道的水平變形和豎向變形均有發(fā)生,隧道豎向變形以隆起為主,隧道水平變形方向?yàn)楸畴x注漿側(cè),其變形量較小,一般不超過2 mm。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),2021-08-03和2021-08-05的隧道管片變形時(shí)程曲線圖如圖5所示。由圖5可知:注漿前期隧道管片變形量較小,基本在0.5 mm以內(nèi);在注漿2～3 h后,當(dāng)注漿量達(dá)到一定閾值,隧道管片的收斂變形、豎向變形和水平變形均有一個(gè)明顯的變化過程,注漿持續(xù)30～45 min后基本就能達(dá)到單次注漿的目標(biāo)值(3 mm);在達(dá)到目標(biāo)值后,進(jìn)入停止注漿期(2～3 h),隧道變形基本穩(wěn)定,略有回彈,回彈量在0.5 mm以內(nèi)。注漿期的主要影響區(qū)域發(fā)生于注漿孔對(duì)應(yīng)環(huán)及鄰近環(huán)(約2～3環(huán))附近,對(duì)注漿孔對(duì)應(yīng)環(huán)3環(huán)以外的影響量極小,故注漿基本為一環(huán)對(duì)應(yīng)一注漿孔。

a) 2021-08-03的隧道管片豎向變形

4.2 整治效果

上下行線管片的收斂變形量、整治量和回彈量如圖6所示。根據(jù)施工前后的監(jiān)測(cè)結(jié)果,隧道管片橫斷面收斂變形整治效果總結(jié)如下:

a) 上行線的管片收斂變形

1) 整治期間,隧道管片收斂變形明顯減小,管片的最大整治量達(dá)到了26 mm,大部分管片的整治量基本能達(dá)到5～20 mm,能有效改善隧道的收斂變形狀況。隧道橫斷面收斂變形由原來的60 mm左右減小至50 mm以內(nèi),其橫斷面收斂減小量最大可達(dá)原橫斷面收斂變形的46%。

2) 加固完成后,隧道管片收斂變形會(huì)有一定的回彈量,收斂變形回彈量約為0～5 mm,收斂變形回彈量約為收斂變形整治量的0～20%。

3)注漿范圍從隧道頂至隧道底部下方0.5D處,加固期隧道有一定的隆起量,但隆起量較小,整體加固期的隧道隆起變形約為5 mm,工后隧道有一定的沉降變形,但最終前期隧道隆起量與后期隧道沉降量基本相同,因此隧道總體的豎向變形量較小。

4) 整治期間,隧道橫斷面的水平位移有一定的波動(dòng),但由于注漿位于隧道兩側(cè),故對(duì)隧道水平位移基本無影響。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了隧道管片橫斷面收斂變形情況及隧道內(nèi)管片的相應(yīng)病害,分析了管片橫斷面收斂變形產(chǎn)生的機(jī)理和相應(yīng)的隧道管片橫斷面變形整治原理,本文采用MJS工法樁+微擾動(dòng)注漿的形式對(duì)隧道管片的橫斷面收斂變形進(jìn)行整治,主要獲得以下結(jié)論:

1) 軟土地層中,隧道管片的橫斷面收斂變形主要是由于隧道上方加載或旁側(cè)卸荷引起的,管片橫斷面收斂變形增大會(huì)引起隧道內(nèi)病害增加,進(jìn)而影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全,甚至是危害隧道結(jié)構(gòu)安全。

2) 軟土地層中,隧道管片橫斷面收斂變形通常采用隧道上方卸載、隧道側(cè)進(jìn)行微擾動(dòng)注漿或結(jié)合兩種方法同時(shí)進(jìn)行整治,但由于軟土地層的特性,其整治效果有限。

3) MJS工法樁+微擾動(dòng)注漿的形式能在軟土層中形成一道隔離墻,從而約束隧道管片收斂整治過程中的注漿體,使注漿過程中的注漿體和注漿壓力僅作用在隧道管片外側(cè)一定的范圍內(nèi),能達(dá)到明顯的整治效果。收斂變形整治量能達(dá)到10～20 mm,整治后期管片收斂有一定的回彈,但由于MJS樁的隔離作用,回彈量較小,其最大值約為5 mm。

4) 本文使用的整治方案適用于軟土地層中,隧道管片橫斷面收斂變形較大的盾構(gòu)隧道,施工時(shí)需對(duì)稱跳孔施工,施工過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以控制注漿壓力和隧道管片變形量。

5) 注漿加固會(huì)增大隧道管片旁側(cè)豎向土壓力,進(jìn)而引起隧道沉降變形,加強(qiáng)隧道底部的注漿能有效防止施工期和后期隧道的沉降變形。