濱海軟弱地層地鐵盾構斷面研究

孟 偉，郭 靚，馬興偉

(1. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司 天津300308；2. 天津濱海新區建投軌道交通建設有限公司 天津300459)

濱海軟弱地層地鐵盾構斷面研究

孟 偉1，郭 靚1，馬興偉2

(1. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司 天津300308；2. 天津濱海新區建投軌道交通建設有限公司 天津300459)

濱海新區屬海積-沖積濱海平原，區域沉降大。淤泥質粉質粘土、粉質粘土具有含水量高、孔隙比大、強度低、高壓縮性、低滲透性、觸變性和流變性等特點，在濱海地區修建地鐵容易發生地鐵盾構隧道沉降、變形、拱頂開裂、管片崩角、滲漏水等現象。結合上海、南京、北京等地的工程實例，提出濱海新區盾構直徑加大方案，為盾構隧道預留足夠空間，對發生病害、災害的盾構隧道進行修復。

盾構斷面 隧道病害 軟弱地層

0 引 言

隨著天津市城定位的不斷提升，未來空間布局結構將得到逐步優化。2008年開展的城市發展戰略研究提出了“雙城雙港、相向拓展、一軸兩帶、南北生態”的發展策略，天津市將由中心城區、濱海新區“一主一副”的城市結構，向中心城區、濱海新區并重的“雙城區”空間轉變。

濱海新區核心區作為雙城之一，在區域發展中的龍頭地位上升到了前所未有的高度。中新生態城、于家堡、響鑼灣的規劃建設已使得濱海新區核心地位初步顯現，濱海新區核心將發展成為特大城市。隨著濱海新區城市規模的擴展，城市交通壓力將不斷增加。軌道交通系統作為現代化大都市的標志，是城客客運的骨干系統，將引導城市空間布局的演化。濱海新區開展軌道交通建設已經迫在眉睫，目前濱海新區軌道交通B1線、Z2線、Z4線已展開設計工作。

如今，全國共有34個城市在修建軌道交通，而盾構法因安全性高、機械化程度高、施工快捷、經濟性好等特點占據了70%,以上的正線隧道。特別是在上海、天津、寧波等土質軟弱、地下水豐富的地區，盾構法成為修筑地鐵隧道的不二之選。

1 隧道變形及病害治理

1.1 天津濱海地區地質特點

1.1.1 地層軟弱，地下水位高

天津濱海地層為陸、海相交互沉積地層，主要以淤泥質粘性土為主，為軟～流塑狀態，具有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高等不良工程特性。其中盾構隧道穿越土層主要由粘土、粉質粘土、粉砂、淤泥質粉質粘土等構成；濱海新區地下水埋深較小，地下水主要類型為潛水、承壓水，主要賦存于砂性土、粉土中。[1]各土層物理力學參數如表1所示(以欣嘉園片區地層為例)：

表1 土層物理力學參數表Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil

主要特點：濱海新區屬海積～沖積濱海平原，其中⑥2層淤泥質粉質粘土(呈流塑狀態，局部以淤泥為主)、第⑦層粉質粘土(呈流塑～軟塑狀態，局部含泥炭土)具有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高等特點，同時軟土還有低滲透性、觸變性和流變性等特點。

1.1.2 區域沉降大

圖1 2012 年天津市濱海新區地面累計沉降量圖Fig.1 The total ground subsidence of Tianjin Binhai New Area in 2012

根據2012年濱海新區沉降年報，2012年濱海新區平均沉降量為24,mm，比2011 年增加3,mm，沉降主要發生在塘沽的中部、漢沽的東北部和大港的北部。1959—2012 年地面沉降累計監測結果顯示，全區最大累計沉降量為3.427,m，同時全市最大累計沉降量位于塘沽區上海道與河北路交口的一帶，已低于平均海平面1.087,m，濱海新區核心區塘沽2012年平均沉降量為23,mm，與2011年持平，最大沉降量為55,mm；1985—2012年天津市濱海新區地面(濱海西站～于家堡站)累計沉降量為500～800,mm之間；2013 年天津市濱海新區地面(濱海西站—于家堡站)沉降量圖為20～30,mm，如圖1、2所示。

圖2 2013 年濱海新區地面沉降等值線圖Fig.2 The ground subsidence isogram of Tianjin Binhai New Area in 2013

地面沉降對地鐵的危害主要為：過大的地面沉降會造成地鐵結構變形和滲漏。設計應考慮地鐵運營過程中地面沉降對地鐵的長期不利影響。

1.2 軟土地區隧道病害調查

由于天津濱海尚未有地鐵運營，而天津濱海地質與上海地質相近，因此本文以上海市地鐵為例，對軟土地區的隧道病害展開調查。

上海地鐵規劃22條線路，總長1,050,km，其中大部分為地下鐵道。上海地鐵區間隧道95%,以上采用土壓平衡盾構掘進施工。上海市區的地層從地表以下依次為雜填土、粘土、灰色淤泥質粘土、灰色淤泥質粉質粘土、灰色粉質土、粉砂、暗綠色粘土。盾構穿越的地層大多為淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土，也有穿越粉質土、粉砂。

1.2.1 軟土地層隧道變形問題

上海地鐵調研結果顯示：上海地鐵1號線(1995年通車)、上海地鐵2號線(1999年通車)、上海地鐵4號線(2005年通車)、上海地鐵3號線(2008年通車)均存在非常嚴重的沉降現象。以上海地鐵2號線為例，如圖3、4所示，1999年10月～2011年11月，12年累計沉降量最大為150,mm，沉降規律為開始運行5年2.9,cm/年，運行5～10年后0.7,cm/年，10～15年以后有趨于穩定的跡象。

圖3 上海地鐵2號線沉降結果(12年)Fig.3 The subsidence of Shanghai Metro Line 2(12 years)

圖4 上海地鐵2號線人民廣場下行線沉降速率Fig.4 The sedimentation rate of Shanghai Metro Line 2 RenMinGuangChang Station

此外，上海地鐵多條線路運行區間發現，部分區間隧道有異常情況：①部分區間隧道有較嚴重滲漏水現象；②隧道收斂監測有較大橫向變形(大于10,cm)；③部分管片存在碎裂現象。

根據對上海軌道交通已運營線路的結構狀態監測結果，區間隧道管片收斂變形超過10,cm的有955環，結構滲漏水病害有6,827處，結構損傷的有3,805處，如圖5、6所示。上述病害均對襯砌結構的使用壽命有較大影響。

圖5 區間隧道存在嚴重滲漏水現象Fig.5 Leakage in the shield tunnel

圖6 區間隧道存在嚴重錯臺及開裂現象Fig.6 Cracking in the shield tunnel

1.2.2 工程周邊二次開發對隧道的影響

我國軌道交通線網規劃中TOD線路越來越多，并且越建越長。但沿線土地規劃利用一般都滯后，地鐵建設時，沿線和站點周邊土地基本沒有開發。在線路開通運營后，沿線和站點周邊高強度的開發建設才逐步實施。地鐵隧道沿線的開發，對地鐵隧道保護提出了一個新課題。[2]

目前我國城市軌道交通結構的建設和使用年限并不長，但許多地方的隧道結構已被外界嚴重擾動，如繼續發展則可能影響正常運營和結構安全。例如南京市金融城基坑開挖期間，引發南京地鐵盾構隧道沉降、變形、拱頂開裂、管片崩角、滲漏水等一系列嚴重后果。天津地鐵2號線卞興站—曹莊站區間，因周邊開發施工導致地鐵結構發生損傷，停運達半年。

1.3 目前隧道病害治理手段

針對隧道病害，上海地鐵主要采用以下兩種方式對隧道進行加固：[3]

1.3.1 內張鋼圈加固法(見圖7)

整環加固法，鋼板厚度為20,mm，寬度為850,mm，各鋼板間采用焊接，鋼板與混凝土間隙用環氧樹脂灌注，如圖8所示。

圖8 內張鋼圈加固——整環加固法Fig.8 Reinforcing with internal tension steel ringintegral domain

半環加固法，牛腿處鋼板厚度為30,mm，其余處為20,mm，寬度為850,mm，各鋼板間采用焊接，鋼板與混凝土間隙用環氧樹脂灌注，拱底塊處設置道床及鋼牛腿，并在道床上布置兩根鋼拉桿連接兩端牛腿，如圖9所示。

圖9 內張鋼圈加固——半環加固法Fig.9Reinforcing with internal tension steel ring-half ring

整環和半環加固試驗中結構極限承載力相對于未加固隧道均有較大提高，提高幅度分別為30.8%,與25.0%,；加固一環管片的費用為30萬元，加固費用昂貴，且鋼環后期維修費用高。

1.3.2 微擾動注漿工藝

上海地鐵從運營開始，沉降持續不斷，運營單位為了保證正常運營，需要常備微擾動注漿治理措施以應對不均勻沉降發生，如圖10所示。

圖10 微擾動注漿工藝Fig.10 Micro disturbance Grouting Technology

從以上隧道變形的實例可以看出，大部分案例發生在地質較差的地層，特別是上海、南京，與濱海新區的地質有較大相似之處。濱海新區地鐵沿線多為未開發地塊，根據規劃，部分地段為高強度開發，若二者不能同期實施，后期臨近基坑的施工、上蓋開發的荷載、可能的堆土都將對建成的盾構隧道有較大影響。

綜上所述，盾構隧道若不預留足夠空間，一旦發生病害、災害，修復將極為困難。因此需要研究盾構直徑加大方案。

2 盾構內徑加大方案

2.1 盾構隧道現狀調查

地鐵隧道基本以單圓盾構為主，目前國內地鐵盾構隧道尺寸統計如表1所示。

2.2 盾構內徑加大方案

結合上海、北京地鐵盾構內徑加大方案，推薦濱海新區盾構內徑為5,900,mm，即在傳統內徑5,500,mm的基礎上，預留200,mm的加固空間(或200,mm的二次襯砌空間)。

2.2.1 全線加大與局部加大

北京、上海等城市的新建線路均為一次全線加大，其優勢在于全線標準的統一。

在建線路如北京地鐵16號線，其北段(先期通車段)主要地段采用原標準，在小半徑曲線地段及特殊地段，采用內徑5,800,mm加大盾構；其南段全部采用內徑5,800,mm加大盾構。

2.2.2 預留二襯與同步二襯

北京、上海等城市均為預留二襯空間；過海、過江段基本為同步二襯；如預留二襯，管片厚度仍建議350,mm厚，當隧道變形較大或者病害嚴重時施做二襯；如同步二襯，管片視為初期支護結構，其厚度可減小為300,mm或者250,mm厚，同步二襯后隧道整體剛度加強，避免大面積變形或漏水等病害，同時防腐耐久性等問題得到解決。

表1 國內地鐵盾構隧道尺寸Tab.1 Dimensions of domestic subway shield tunnels

2.3 既有盾構設備改造工藝、性價比分析

根據分析論證，目前盾構直徑增大40,cm，現有土壓平衡盾構掘進機的關鍵零部件可繼續利用，僅需對其刀盤、盾殼、盾尾、同步注漿系統等裝置進行改造；如盾構直徑超過7,m，將會對盾構總體配置要求有較大幅度的提高，盾構改造及購置成本將大幅提高。

從經濟性比較來看，盾構內徑增大后，每延米造價(不包括二襯費用)增加約7%,。盾構機可以利用既有的進行改造。盾構機改造費用大約為700～900萬元，改造時間約為6個月。土建雙線每延米綜合增加費用為0.62萬元(含土方、管片)。

新采購盾構機每臺增加300萬元，雙線每延米平均攤銷0.06萬元。

3 結論及建議

從隧道變形及治理方面分析，很有必要對濱海軟弱地層盾構斷面進行擴大。結合上海、北京地鐵盾構內徑加大方案，推薦濱海新區盾構內徑為5,900,mm，即在傳統內徑5,500,mm的基礎上，預留200,mm的加固空間(或200,mm的二次襯砌空間)。在資金等條件允許的前提下，最好同步施工二襯；條件不允許時，應預留二襯空間。設計過程中不僅要重視施工期間安全，也要充分考慮到運營期間的病害，將隧道安全概念拓展為全壽命周期內的安全。■

［1］ 張宇. 軟土地區近距離下穿隧道盾構施工對地表沉降及既有隧道變形影響分析 [D]. 天津：天津城市建設學院，2014.

［2］ 張翠，周志炫. 基于TOD模式下地鐵站點周邊用地規劃策略探析[J]. 城市建筑，2015(32)：13.

［3］ 鄒家南. 地鐵盾構隧道鋼板襯加固效果的數值試驗研究[D]. 廣州：華南理工大學，2014.

Research of Shield Tunnel Section in Soft Area of Tianjin Binhai New Area

MENG Wei1，GUO Liang1，MA Xingwei2
(1．China Railway Liuyuan Group Co.，Ltd.，Tianjin 300308，China；2．Tianjin Binhai New Area Jiantou Rail Transit Construction Co.，Ltd.，Tianjin 300459，China)

Tianjin Binhai New Area is an alluvial deposition coastal plain with high regional subsidence．The silty clay and clay have characteristics of high water content，large void ratio，low strength，high compressibility，which cause subsidence，deformation，cracking，damage，leakage in the shield tunnel of Binhai Area．Combining with practical works in Shanghai，Nanjing and Beijing，a scheme of expanding the section of shield tunnel was proposed which can ensure the space enough to repair shield tunnel when it withstands diseases and disasters。

shield tunnel section；tunnel disease；soft area

U231+.3

：A

：1006-8945(2016)10-0054-05

2016-09-01