地鐵盾構(gòu)隧道沉降原因分析

孟　剛

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司， 湖南長(zhǎng)沙 410000)

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地鐵盾構(gòu)隧道沉降原因分析

孟剛

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司， 湖南長(zhǎng)沙 410000)

【摘要】當(dāng)?shù)罔F隧道所處地層都是高含水量、高空隙比、高靈敏度和低強(qiáng)度的軟弱黏性土層及含承壓水的粉砂層。由于盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)、隧道臨近建筑活動(dòng)的影響、長(zhǎng)期列車振動(dòng)的作用以及持續(xù)不斷的大地沉降，隧道很容易發(fā)生滲漏和不均勻沉降。 由于受到多種不利因素的疊加影響，地鐵盾構(gòu)隧道滲漏引起的沉降問(wèn)題隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)而日益突出，看似隧道的通病，卻是關(guān)系到隧道安危，威脅到隧道命脈的隱患。

【關(guān)鍵詞】地鐵;盾構(gòu)施工;隧道;沉降;原因

地鐵盾構(gòu)隧道滲漏水使隧道周邊土體空隙水壓力降低，有效應(yīng)力增加，進(jìn)而使土體壓密產(chǎn)生沉降，而局部的滲漏會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，使隧道產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致隧道接縫張開(kāi)，從而進(jìn)一步加劇隧道的滲漏和沉降。若隧道的滲漏水問(wèn)題得不到有效控制，不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性和設(shè)備的正常使用，還會(huì)危及行車安全。上海城市軌道交通絕大部分隧道都是采用盾構(gòu)法施工，隧道所處地層都是高含水量、高孔隙比、高靈敏度和低強(qiáng)度的軟弱黏性土層及含承壓水的粉砂層。由于盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)、隧道臨近建筑活動(dòng)的影響、長(zhǎng)期列車振動(dòng)的作用以及持續(xù)不斷的大地沉降，隧道很容易發(fā)生沉降。上海軌道交通4號(hào)線董家渡段隧道因變形涌水致坍塌而重建。所以要根據(jù)沉降的發(fā)生規(guī)律，采取一系列措施，對(duì)修建的地鐵隧道施工質(zhì)量提出更高標(biāo)準(zhǔn)、更嚴(yán)要求，使盾構(gòu)施工地層損失率控制在5/1000以下，以減少對(duì)地層的擾動(dòng)；隧道襯砌拼裝做到滴水不漏；盾尾同步注漿采用高密度、抗剪型漿液和4點(diǎn)同步注漿工藝，以提高隧道防水效果等。本文從地鐵盾構(gòu)隧道沉降原因著手，探討解決辦法，為地鐵隧道的沉降控制提供依據(jù)。

1地鐵盾構(gòu)隧道沉降的原因分析

在地鐵盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間，隧道主體結(jié)構(gòu)常有縱向變形發(fā)生。從理論上分析，地鐵隧道襯砌環(huán)脫離盾尾后的沉降發(fā)展過(guò)程可大致有三個(gè)階段：(1)初始沉降；(2)下臥層超孔隙水壓力消散引起的主固結(jié)沉降；(3)下臥層土體的蠕變引起的次固結(jié)沉降。但由于導(dǎo)致軟土地區(qū)隧道長(zhǎng)期變形的因素眾多， 既有隧道施工期的， 又有地鐵運(yùn)營(yíng)期的， 既有隧道結(jié)構(gòu)本身的，也有周邊環(huán)境變化引起的，這就使隧道長(zhǎng)期沉降特征比理論分析結(jié)論復(fù)雜得多。

要對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期沉降進(jìn)行研究， 首先應(yīng)對(duì)誘發(fā)其變形的影響因素進(jìn)行了解。筆者通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)的分類整理，得到影響軟土地區(qū)運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道沉降變形的主要因素有以下幾個(gè)方面。

1.1隧道施工期間擾動(dòng)引起土體的固結(jié)及次固結(jié)沉降

盾構(gòu)法軟土隧道的掘進(jìn)施工不可避免地會(huì)擾動(dòng)原有地層。盾構(gòu)施工擾動(dòng)主要包括：(1)開(kāi)挖面下土體的擾動(dòng)；(2)盾尾后壓漿不及時(shí)不充分；(3)盾構(gòu)在曲線推進(jìn)或糾偏推進(jìn)過(guò)程中造成超挖；(4)盾殼對(duì)周圍土體的摩擦和剪切造成周圍土體的擾動(dòng)；(5)盾構(gòu)擠壓推進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)。盾構(gòu)周圍土體受到施工擾動(dòng)后，便在盾構(gòu)隧道周圍形成了超孔隙水壓力區(qū)域。當(dāng)盾構(gòu)離開(kāi)該處地層后，隧道周圍土體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，引起地層位移場(chǎng) 和應(yīng)力場(chǎng)的重分布，使隧道產(chǎn)生一定的初始沉降；同時(shí)超孔隙水壓力不斷消散，地層發(fā)生排水固結(jié)變形，進(jìn)而造成隧道的主固結(jié)沉降；由于飽和軟黏土的流變特性，土體受到擾動(dòng)后，其顆粒骨架結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸調(diào)整，使顆粒間空隙減少，產(chǎn)生一定的蠕變變形，也會(huì)導(dǎo)致隧道產(chǎn)生次固結(jié)沉降。筆者通過(guò)隧道長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)工作發(fā)現(xiàn)，在隧道建設(shè)施工中對(duì)土層擾動(dòng)較大的區(qū)段，在投入運(yùn)營(yíng)后隧道的不均勻沉降和長(zhǎng)期沉降量均較大。

1.2隧道周圍地質(zhì)環(huán)境變化

運(yùn)營(yíng)地鐵隧道呈線型穿越于地表下10余米的土層，必然會(huì)受到周圍地質(zhì)環(huán)境變化的影響。在隧道下臥層土長(zhǎng)期固結(jié)和次固結(jié)沉降過(guò)程中，不同性質(zhì)土層的沉降量差異很大，達(dá)到沉降穩(wěn)定所需的時(shí)間也不相同，從而導(dǎo)致隧道縱向差異變形的產(chǎn)生。壓縮模量較低、靈敏度較高的飽和黏土下臥層，經(jīng)過(guò)盾構(gòu)施工擾動(dòng)后的沉降量較大，而且沉降延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；壓縮模量較高、靈敏度較低的密實(shí)砂性土下臥土層，經(jīng)過(guò)盾構(gòu)施工擾動(dòng)后的沉降量較小，且沉降穩(wěn)定快。當(dāng)隧道處于相對(duì)不透水層時(shí)，水位下降或上升如同對(duì)隧道進(jìn)行加載、卸載；當(dāng)隧道處于含水土層時(shí)，水位上升使土體膨脹，會(huì)造成隧道上浮，水位下降增加了土體的有效應(yīng)力，使隧道下沉。地面區(qū)域性沉降過(guò)程中，會(huì)帶動(dòng)埋置其中的隧道一同沉降，使隧道沉降的縱向特征及沉降總量與地面沉降趨向一致。

1.3隧道滲漏影響

在隧道管片或接頭部位，泥水通過(guò)縫隙滲漏進(jìn)入隧道內(nèi)部，從而導(dǎo)致隧道段沉降。而隧道差異沉降的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致隧道環(huán)縱縫張開(kāi)度的增大以及結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生，引起隧道滲漏加劇，使隧道周圍的水土不斷流失，從而又加劇了隧道的縱向不均勻變形形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致隧道產(chǎn)生破壞性變形。如俄羅斯圣彼得堡一段穿越高承壓水砂層古河道的地鐵開(kāi)始運(yùn)營(yíng)就漏水不斷，搶險(xiǎn)中不得已采取了從內(nèi)部大量排水的措施，從而導(dǎo)致持續(xù)發(fā)生水土流失使隧道產(chǎn)生過(guò)大沉降，運(yùn)營(yíng)20年后最終報(bào)廢。

1.4車輛的振動(dòng)荷載

隧道投入運(yùn)營(yíng)后，將承受車輛周期性振動(dòng)荷載的作用，除隧道結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)頻率應(yīng)遠(yuǎn)離荷載振動(dòng)頻率以免引起隧道共振之外，尚需考慮車輛振動(dòng)引起的隧道不均勻沉降。對(duì)上海軌道交通L1的長(zhǎng)期觀測(cè)表明，列車振動(dòng)引起的隧道沉降是不容忽視的，量值上可以達(dá)到相當(dāng)大的程度。L1隧道在全程范圍內(nèi)有多處出現(xiàn)滲漏水情況，其中有相當(dāng)一部分是地鐵列車振動(dòng)引起隧道不均勻沉降的緣故。

1.5鄰近區(qū)域工程建設(shè)的影響

地鐵的建設(shè)會(huì)帶動(dòng)沿線地區(qū)開(kāi)發(fā)的熱潮，致使隧道鄰近區(qū)域的工程建設(shè)數(shù)量增多。這些工程活動(dòng)會(huì)使隧道產(chǎn)生新的附加變形，因此鄰近區(qū)域的工程建設(shè)已成為導(dǎo)致隧道沉降及不均勻變形加劇的重要因素之一。運(yùn)營(yíng)隧道周邊相關(guān)建設(shè)工程的種類較多，主要包括：

(1)隧道上方堆載或建(構(gòu))筑物的建設(shè)。此類工程施工時(shí)引起荷載的變化，致使隧道下臥土體的抗力減小，壓縮模量降低，同時(shí)長(zhǎng)期次固結(jié)沉降仍在發(fā)展，因此土層壓縮范圍較大，造成隧道產(chǎn)生附加的橫縱向變形。

(2)隧道周邊基坑開(kāi)挖。運(yùn)營(yíng)隧道附近基坑工程的施工過(guò)程中，基坑圍護(hù)的側(cè)向位移和坑內(nèi)隆起會(huì)使得基坑外的地層發(fā)生沉降，同時(shí)地層應(yīng)力場(chǎng)也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生不均勻沉降。

(3)相鄰隧道施工。在運(yùn)營(yíng)隧道鄰接區(qū)域進(jìn)行新建隧道施工，會(huì)對(duì)既有隧道周圍土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，地層隨之沉降加劇，導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)變形增大。現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)表明，在已建地鐵安全保護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行的建筑活動(dòng)，都不同程度引起隧道變形。

1.6地震作用

盾構(gòu)法隧道是通過(guò)縱向和橫向螺栓將襯砌環(huán)和管片連接裝配而成的，這樣的柔性連接構(gòu)造有減少地震反應(yīng)內(nèi)力的有利一面，但也存在縫隙多、接頭處易損、整體性差及地震反應(yīng)復(fù)雜等抗震上的弱點(diǎn)。除了地震波作用造成隧道破壞外，由于土層震陷、砂土液化等引起地層的不均勻沉降也會(huì)導(dǎo)致隧道開(kāi)裂漏水，如1985年的南黃海地震使上海打浦路越江隧道與豎井交界處出現(xiàn)5處裂縫，泥水從其中流入。

綜上所述，地鐵盾構(gòu)隧道沉降是由上述影響因素以及其他因素共同作用的結(jié)果，在地鐵隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的不同階段，各影響因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的作用效果或影響權(quán)重也不相同。

3結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)多年來(lái)的地鐵盾構(gòu)隧道施工的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)于盾構(gòu)隧道的施工，筆者建議：

(1)隧道荷載計(jì)算時(shí)要充分考慮圍巖狀況以及施工對(duì)其擾動(dòng)影響。對(duì)于軟黏土、遇水易軟化或崩解地層建議按全土柱荷載計(jì)算；如在其它較好的地層條件下可按隧道規(guī)范公式或泰沙基理論進(jìn)行計(jì)算。

(2)除正常的設(shè)計(jì)工況外，在待開(kāi)發(fā)區(qū)宜適當(dāng)考慮周邊工程影響下的特殊施工工況。如考慮偏載、卸載工況、失水工況以及地基承載力降低等工況，并據(jù)此核算隧道結(jié)構(gòu)以及地基承載力，適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)配筋和采取地基處理措施，以便消除可能的安全隱患。基坑距隧道的距離應(yīng)結(jié)合基坑工程特點(diǎn)以及實(shí)施方法等，結(jié)合工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析后確定。

(3)設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)開(kāi)發(fā)區(qū)管片內(nèi)徑、管片厚度、螺栓數(shù)量及型式等應(yīng)考慮長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)條件下的要求。

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【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】U455.43

[作者簡(jiǎn)介]孟剛(1982～)，男，本科，工程師，從事項(xiàng)目管理工作。

[定稿日期]2015-09-24