地鐵隧道變形分析及治理加固技術研究

莊緒良

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 引言

隨著城市地鐵建設快速發展、交通強國戰略驅動以及盾構施工技術的日趨成熟，城市地鐵建設步伐日益增快[1-2]。然而，面對不同地域復雜的地質條件，在地鐵修建與運營過程中，經常出現隧道沉降及收斂變形異常，對隧道質量和周邊環境帶來嚴峻考驗。很多學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對圍巖及支護結構力學響應的影響，并以模糊決策理論為基礎，得出隧道拱頂沉降的特征。不少學者[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的地鐵隧道沉降預測模型，對地鐵沉降進行精準預測。楊兆等[8]基于有限元數值模擬，分析盾構施工引起的地層沉降和結構變形規律。陳森森等[9]對盾構隧道滲漏水原因進行分析，提出修復拼縫密封膠系統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，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。區間采用盾構法施工，隧道主要穿越粉質黏土、淤泥質粉質黏土層。

區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水穩層未施工，如圖1所示。

圖1 天保街站-青蓮街站區間隧道平剖面

隧道完工一段時間后，根據監測結果顯示，天保街站-青蓮街站區間上行線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環結構出現較為嚴重沉降與收斂超標，進而發生較大管片錯臺，局部超過20 mm，并出現滲漏水現象。為保證區間隧道行車安全，需對異常變形區段采取針對性治理措施，確保隧道結構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

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

工后沉降觀測數據600環～825環為: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《江蘇省城市軌道交通工程監測規程》(DGJ32/J 195—2015)規定，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定階段。根據監測數據分析，天青區間600環～825環沉降未進入穩定階段。

(2)收斂變形

基于2020年10月份全斷面掃描結果，監測頻率為每月一次，截至2021年1月份共完成3期監測報表。

水平收斂觀測數據600環～825環為:左線收斂與10月份相比累計最大增量為13.3 mm，環號為715環；右線收斂與10月份相比累計最大增量為10.0 mm，環號為661環，如圖3所示。

圖3 右線隧道結構收斂變化曲線

3.2 表觀病害情況

對600環～825環區間進行結構病害巡查，發現病害情況為:左右線管片均存在較為嚴重的錯臺現象，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。病害排查結果如圖4所示。

3.3 隧道周邊環境調查

經查閱相關地形及勘察資料得知，在區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。同時發現區間隧道線路范圍內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、穩定性較差。

圖5 秦新路施工前后原地貌水塘與區間位置

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據，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 有限元分析結果

表1 隧道位移及收斂數值模擬情況 mm

圖7 不同工況下隧道位移及收斂曲線

基于周邊環境調查和隧道下地基鉆孔取芯結果驗證，盾構區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生固結沉降，盾構隧道隨圍巖固結沉降而發生沉降。

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

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

4 隧道沉降及收斂變形治理措施

根據變形機理分析，采用外控內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，洞內采用深孔注漿、安裝洞內鋼環內襯的綜合治理方案。

4.1 隧道外加固

(1)設置隔離樁

沿秦新路施工回填后的水塘邊設置一排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。隔離樁設置長度按超出水塘區域兩側各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

對隔離柱外側水塘區域清淤后回填(20 m寬)至路基頂進行反堆載。

(3)MJS加固

根據區間隧道沉降及收斂數值大小，采取不同MJS加固型式。根據監測數據結果分為收斂≥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，隧道拱腰以上內側為2 000 mm樁徑180°擺噴的MJS樁。按樁徑4 000、3 000、2 000 mm區分，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樁按內側樁徑2 000 mm、水泥摻量40%控制。

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

4.2 隧道內加固

(1)管片表觀病害治理

根據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，在管片錯臺位置內側焊接鋼板環作永久加固處理；管片收斂值大于60 mm處，在對應管片中心焊接鋼板環作永久加固。

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

(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。依據“少量、多次、交錯”的原則，利用管片預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。通過單液漿的流動性可達到大面積、全方位改善土體性質的目的。在MJS施工前采用隧道結構兩側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構兩側和拱底進行補償式深孔注漿。

5 隧道治理的效果

經監測，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。

隧道治理于2021年4月完成，根據2021年5月至9月的監測結果顯示，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，符合規范要求。

6 結論

本文以南京地鐵2號線西延天-青區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綜合加固措施，并依據監測數據分析，得出以下結論:

(1)運營期應加強地鐵隧道結構變形監測工作，定期分析隧道沉降和收斂變形的相對曲率關系，以便掌握隧道結構受力變化狀態。

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

(3)軟土地層盾構施工前須提前對地層進行加固處理，并確保加固質量，同時對隧道周邊環境進行調查，避免隧道出現水平位移。

(4)變形隧道內部采用鋼環和補償注漿對襯砌結構進行加固，可提高受損隧道結構的剛度和結構耐久性，控制隧道變形。

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