軟土地區盾構隧道加固措施研究

龍僑平

（中國水利水電建設工程咨詢中南有限公司，長沙 410014）

1 引言

近年來，城市軌道交通、盾構隧道等地下工程基礎設施建設密集度不斷增加，對周邊建（構）筑物變形控制、保護要求越來越嚴格，同時相關建筑物施工也會在不同程度上擾動區間隧道，進而造成隧道變形。尤其是在軟土地區建設盾構隧道，更容易發生變形問題，需要采取有效的加固處理措施。在預防隧道變形中，鋼環加固技術屬于一種有效的控制技術。施工中，通過在鋼環片上設置螺栓，并在管片、鋼環間灌注剛性新型環氧材料，能使管片和鋼環兩者共同承載，由此限制隧道變形，使隧道結構更加穩定，延長隧道使用壽命。對此，鋼環加固技術應用時，需要結合軟土地基所建設的盾構隧道實際情況，經勘測掌握變形程度，并把握好加固處理要點。

2 案例概況

東湖站位于東湖路東側東湖公園地塊內，站址南側為6號線既有車站、海印大橋以及沿珠江風光帶；站址北側為越秀區文化館以及內環路高架橋；西側為東湖路（規劃道路寬50 m）、路西側有龍湖大廈、東湖肯辛頓、龍湖新村等住宅區；車站東側為東湖公園步道及湖面。站址范圍地下管線較少，地勢稍有起伏，鉆孔地面高程為5.6～7.34 m。

3 軟土盾構隧道變形分析

3.1 變形分析過程

針對該地鐵隧道建設工程，變形分析中首先建立隧道環三維模型，模型當中的隧道環內外徑以及管片厚度和該地鐵工程盾構隧道相關參數相同，內徑是5.5 m，外徑是6.1 m，管片厚度是0.36 m[1]。通常情況下，埋藏在地下的隧道工程為線狀工程，此工程經過勘察發現其有橫線變形，所以從中選擇一環進行計算，順著盾構隧道長向共1.1 m[2]。經分析發現，此地鐵隧道所選取的環計算單元共包含6 片管片，以拼接方式相連接，分別為1 片封底塊，2 片標準塊，2 片臨接塊，1 片封頂塊。所建立模型和工程實際相同，相鄰的管片通過直螺栓連接，所用螺栓強度等級是5.8 級，長480 mm，直徑30 mm。經模型觀察和分析，可發現此隧道環結構和所承受荷載保持左右對稱均勻分布，所以出現的變形也呈現出左右對稱狀。為便于計算，分析期間只計算隧道環左側。此工程在實際施工中，盾構管片均設置了螺栓孔、安裝孔以及手孔等，所以管片幾何形態復雜，增加了網格劃分難度。經分析發現，這些孔均未設置加強鋼筋，因此，不屬于薄弱位置，一般不會發生破壞情況，所以，此次模型分析中不對上述孔位進行考慮[3]。根據該地鐵盾構管片相關設計資料，管片當中的鋼筋和管片混凝土在處理中選用embed 方式，也就是不對鋼筋和混凝土兩者相對滑移進行考量。相鄰兩管片連接中所有螺栓兩端均設置了螺帽，在和管片混凝土相連接中也選用embed 方式。此外，相鄰兩管片的接頭在連接中主要設置hard contact，摩擦系數設為0.3，由此對管片接頭部位受力行為加以模擬。

在對此盾構隧道進行加固處理中，所用加固隧道環相關加固部件按照有關規范標準，主要選擇鋼板，厚度是20 mm[4]。對于隧道環和加固部件之間的連接， 行為模擬中選擇Cohesive Behavior。分析所用加固模擬方法為預加固手段，也就是隧道尚未承受荷載的時候就加固，由此充分考察不同軟土荷載情況下隧道應用鋼板加固的效果[5]。

該工程實際施工中，隧道環在靜水壓力、土壓力共同作用下，很難做出精準反應。為簡化計算，可選擇荷載結構法，具體是先對隧道外部荷載進行計算，之后將其作為面荷載施加在隧道環外壁，之后用地基彈簧模擬土體抗力，此彈簧一端放在地面上，另一端連接于隧道環外壁，一旦隧道環出現橫向變形，地基彈簧能夠對變形產生抑制力。分析中，通過水土合算的方式計算土體豎向壓力及側向土壓力，以隧道環豎向受力平衡為基礎計算土層反力，對于隧道環外側土體，則主要將受壓地基彈簧布置于四周，由此加以模擬。

工程所在區域土體重度通常保持在16.9~20.3 kN/m3，所以在此模型中，土體重度參數選擇20 kN/m3，同時設整體隧道環全面埋設在軟土當中。該區域盾構隧道埋深能夠達到20 m，甚至局部高于30 m。在該區域后期建設期間，部分區段會在上方建設建筑項目，或者在地表堆土，從而造成隧道等效埋深更大，可在40 m 及以上。所以，為便于分析和比較，此次分析當中根據等效埋深計算土體壓力。同時，在工程實際埋深基礎上適當增加深度來確定最大埋深，具體將等效埋深確定為0~60 m，并計算相對應的加載土壓力，也就是隧道環上方豎向土壓力取值范圍是0~1 130 kPa。而在分析模型當中，將靜止土壓力系數確定為0.5，同時土層抗力系數確定為2 450 kPa/m。

另外，根據有關規范，計算當中將管片混凝土本構強度等級確定為C55，并設計算模型當中的鋼板、連接螺栓、管片內鋼筋都有理想彈塑性，且屈服強度分別是300 MPa、510 MPa、405 MPa，鋼材尚未屈服狀態下彈性模量都是200 GPa。

3.2 分析結果

在豎向荷載改變過程中，同步分析隧道環接頭的張開量，可發現不管是否進行加固處理，在隧道上方不斷增加荷載作用過程中，腰部及頂部接頭張開量都會同步增加。同時在增加過程中，和頂部接頭相比，腰部接頭的張開速度更快，所以在軟土地區分析盾構隧道變形中，要著重分析腰部變形。此外，隧道環利用鋼管進行加固處理后，接頭張開得到有效控制，特別在荷載比600 kPa 小的時候，張開發展趨勢明顯比未加固處理的隧道環弱，證明在荷載不大的情況下，鋼板能夠發揮良好的加固作用。經對比，發現隧道上部荷載在比600 kPa 小的情況下，經過加固處理的隧道接頭實際張開量是未進行加固處理隧道接頭處的2/5 左右。

在分析中發現，在隧道所承受荷載不斷增加過程中，隧道頂底趨于靠攏，隧道左右兩側則趨于遠離，隧道發生明顯變形，且呈現為“橫鴨蛋”狀。在荷載相同條件下，隧道的橫向變形稍大于豎向變形。在荷載不大的情況下，鋼板加固可發揮較好的隧道變形控制效果，不過在后續加固部件、隧道環連接逐漸發生破壞之后，加固效果也趨于減弱。經對比，發現隧道上方所承受荷載不超過600 kPa 的情況下，經過加固的隧道其變形程度是沒有進行加固處理隧道的1/2 左右。

4 應對軟土盾構隧道變形的加固措施方案

運用鋼環加固法對該地鐵工程盾構隧道變形進行加固處理，主要包含5 個施工階段：（1）前期籌劃階段。此階段主要是通過勘查現場明確施工范圍，并和設計部門溝通之后確定設計圖。此階段還要按照施工內容及業主需配合內容等清晰地劃分施工界限。（2）施工準備階段。此階段主要對既有機械臂進行調試運行，保證運作正常。同時，在業主協調基礎上，敷設臨時用水以及用電管線，科學編制施工方案。（3）前期施工階段。進行管線改排，并對疏散平臺進行臨拆，使各管線單位能夠相互配合，對排水溝進行切割及鑿除作業。此環節還要做好鋼板放樣工作，并進行后續加工。此外，要合理安排施工人員，分配施工任務。（4）施工階段。主要處理環及縱縫，安裝鋼牛腿與環板，并對整體結構進行焊接作業，最后環氧填充。（5）收尾階段。此環節主要對鋼板防腐進行修補處理，同步進行質量驗收。

具體施工中，需要重點采取以下加固處理措施：

1）做好管線改排、鋼板放樣、排水溝鑿除等工作，同步拆除疏散平臺，要求各管線單位相互配合。在施工期間，根據施工范圍，將頂部觸網彈性支架、強電以及弱點支架拆除，移至施工范圍以外。按照設計方案改排頂部漏纜線，對于零星管線，全部移至雙側管架支架中，同時雙側管架支架長度保持在約50 cm，支架上管線一直到隧道管片內弧面，需確保施工空間充足且統一。在施工現場臨時拆除消防水管，并改成雙側供水管線。對隧道中改排進行加固處理，之后搭建雙側支架。臨時拆除施工現場單側疏散平臺。鋼環拼裝施工期間，要求強、弱電相關管線單位加強現場監理，做好技術指導，保證施工順利。施工中作用的通信、通風、水、電等設備需要事先由專業技術人員進行合理調整，保證符合施工需求和要求。

2）在環、縱縫處理中，一旦發現漏水點，要及時采取有效的堵漏措施。同時，管片的環以及縱縫處理前，要徹底清潔管片表面，維持干燥狀。在管片邊緣間距20 mm 的位置粘貼厚膠條，厚度要超過2 mm，且粘貼平整，保持相同距離。之后，在環、縱縫部位以及膠條中間填充彈性環氧膠泥，保證填充平整，尤其要保證環、縱縫相交T 字部位的填充質量。在膠泥達到一定強度后，將膠條撤除，細致打磨管片表層所黏結膠條。環、縱縫部位完成環氧膠泥施工后，向內部孔隙當中壓注彈性環氧漿液。壓注施工中，注意每間隔20 cm 鉆孔，以確保壓注均勻。在環及縱縫全部處理結束后，要向鋼圈所覆蓋區間內的手孔中填充早強水泥。

3）在鋼環安轉環節，要注意按照施工方案先安裝下部牛腿，之后從下往上逐步安裝側板，最后在頂部安裝封頂塊。完成環形鋼板安裝作業后，對不同支撐間開展焊接作業，由此形成一個完整的受力支撐整體，在隧道中充分發揮加固支撐作用。焊接作業結束后，在鋼環表面涂刷SPUR 進行防腐處理，注意涂刷之前清潔鋼環表面，保證其處于干燥狀，分成兩層逐步涂刷，最終涂刷厚度在1.2 mm 及以上，并且厚度應均勻。此外，要封堵隧道管片和鋼環兩者縫隙，并填充環氧樹脂，保證鋼環受力均衡。填充作業結束后，及時打磨鋼環表面，由此起到保護作用，還可發揮防火防銹功能。最后，做好排水溝及管線的恢復工作，并進行竣工驗收。而在鋼環安裝結束后，需要合理布置監測點，以對變形情況進行動態監測。

5 結語

綜上所述，軟土地區盾構隧道的接頭張開量和上方所覆蓋軟土的厚度基本保持線性關系，即接頭張開會隨著上方荷載不斷加大而越來越大，同時和頂部接頭相比，腰部接頭張開速度更快。同時，軟土地區的盾構隧道在土體壓力影響下，變形主要為“橫鴨蛋”狀，腰部變形量稍大于豎向變形。通過運用鋼環加固技術進行加固處理之后，有效控制了隧道管片環接頭的張開量以及橫向變形，在荷載不大情況下，控制作用尤其明顯，也就是上方荷載在不超過600 kPa 的時候，經過加固處理后的隧道管片接頭張開量較加固前下降60%左右，同時隧道變形程度下降50%左右，而在后續荷載逐步增加期間，加固效果會逐漸減弱。