盾构隧道不均匀沉降原因分析及应对措施研究

2019-09-05王泽洋赵玉成兰庆男

水利与建筑工程学报 2019年4期

王泽洋，赵玉成，杨茜，兰庆男

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障教育部重点实验室，河北石家庄 050043；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

随着我国经济的不断发展，城市化水平不断提高，城市人口越来越多。为了解决大中型城市的交通出行问题，越来越多的城市开始立项建设地铁。2000年以前，我国仅有北京、天津、香港、上海、广州这五座城市运营地铁。2000年之后，地铁建设进入高峰期，截止到2018年10月份，我国已有36座城市拥有地铁，地铁运营里程超过5 306 km。从地铁的运营状况来看，地铁在建成之后都会出现大大小小的问题，其中纵向不均匀沉降现象最为典型，对隧道结构的损害最大。如何能有效控制地铁隧道的沉降和在保证地铁正常运营状态下的修复、养护工作是运营单位今后要面临的挑战。

1 盾构隧道不均匀沉降案例分析

1.1 上海地铁

自1990年上海地铁1号线正式开工建设以来，上海轨道交通建设期已经近30年，运营总里程超过705 km，其中大部分是采用盾构法施工的地下线路。上海地铁的隧道大部分处于高含水率、高孔隙比、高灵敏度的软弱黏土层，在此类地层中修建地铁缺少经验，地铁建成运营后如何控制隧道的沉降变形是非常困难的[1]。本节将上海地铁出现不均匀沉降的案例及采取的措施进行归纳整理。

(1) 上海地铁1号线自1995年通车运营以来，地下线路每年进行2次沉降监测，地上线路每年1次沉降监测，积累了近25年的监测数据。通过对数据进行分析，能够反映出隧道不均匀沉降的原因及规律。地铁1号线累计沉降曲线见图1。

图1上海地铁1号钱累计沉降曲线

文献[1]表明，1号线的沉降分三个阶段：第一阶段(1995年—2000年)沉降速率较快，约为-3.2 cm/a，这一阶段的总沉降量占总体沉降比例的50%～70%，沉降以施工完成后扰动土体的固结沉降为主；第二阶段(2000年—2005年)沉降速率有减缓的趋势，约为-2.1 cm/a，这一阶段的总沉降量占总体沉降比例的35%～55%，沉降以施工完成后扰动土体的次固结沉降为主；第三阶段(2005年—2011年)沉降接近平稳，约为-0.2 cm/a，这一阶段的总沉降量占总体沉降比例的0%～10%，以区域性的沉降为主。可见在软土中的盾构隧道经过十几年的沉降变形最终是能稳定的。

从宏观上来看，衡山路站、黄陂南路站、人民广场站—新闸路站是三个较大的沉降漏斗，沉降量分别达到了210 mm、130 mm、290 mm，出现了较大范围的不均匀沉降。衡山路站在施工阶段，由于施工客观条件限制，车站不能满足设计的抗浮要求，因此设置有倒滤层，由于常年排水，导致土体固结沉降大，产生了明显的沉降漏斗[2]；黄陂南路站建成以来，周边建设了太平洋百货、香港广场、新世界大厦等大型建筑，这些大型建筑的基础都属于深大基坑，基坑开挖和上层建筑的施工都会使隧道产生较大变形，监测数据显示，黄陂南路—人民广场站区间，差异沉降约为21 mm，对隧道结构产生了严重的危害。

(2) 上海地铁2号线龙阳路车辆段出入库下行线隧道泵站施工期发生较大生产事故，导致隧道大量漏水漏砂，地层产生较大的空洞。隧道运营之后，由于列车的振动和土层的固结沉降，使隧道发生较大的错台变形，最大环间错台达到几厘米，最大沉降达26 cm。过大的环间错台导致隧道结构受损、开裂、破坏，对隧道结构安全产生严重的影响[3]。

(3) 上海地铁某区间隧道为大直径双圆盾构隧道，2009年年底通车运营后，2010年2月发现隧道产生了较大的不均匀沉降。沉降速率为0.3 mm/d～0.4 mm/d，导致洞口和泵站附近隧道产生较大的局部沉降。经过勘察发现，隧道的上下行线地层为淤泥质黏土，盾构隧道推进的扰动使得通车后的隧道产生长期的沉降。但是泵房附近下行线隧道沉降大于上行线，原因在于泵房施工采用冻结法，泵房施工完成后停止冻结，冻结的土体自然融化，在融化过程中产生收缩，从而产生压密沉降，使得靠近泵房的下行线产生较大沉降，使得该区段隧道出现多处渗漏水，沉降最大处出现道床与管片脱开的现象。随后上海地铁运营维保部门采取水泥浆-水玻璃浆双液微扰动注浆施工，通过长达1年的注浆加固，使沉降较大的隧道抬升达到15 mm，使得隧道坡度比较平均，改善了结构的受力状态，使得泵房附近的下行线不再持续沉降[4]。

(4) 上海地铁2号线东延线创新中路—华夏东路区间隧道为单线单洞盾构隧道，埋深16 m。2008年12月该区间正上方地表突发大量堆土，平均堆高4 m，最高处堆高达7 m。堆载发生后，隧道出现明显的收敛变形、严重的渗漏水和结构损伤。拱顶出现了混凝土块脱落及环向接缝张开，甚至有的螺栓发生断裂，见图2、图3，拱腰处混凝土挤碎明显，多处接缝出现渗漏水甚至严重的漏水漏砂，从监测数数来看，隧道水平直径最大变形超过21 cm，结构呈横鸭蛋变形。事故发生之后，地铁运营公司迅速展开病害治理，首先先卸除上部推载，采用聚氯酯和环氧及时堵漏，采用芳纶布和钢板环对隧道结构进行加固，加强隧道的承载力[5]。整个隧道的维修加固历时8 a，可见，一次灾害的发生对隧道的结构、后期维修都增加了很多困难。

图2 混凝土脱落

图3接缝张开、螺栓脱落

1.2 北京地铁机场线

2014年8月17日，机场线司机在列车行驶途中感觉车体出现下沉。随即，北京地铁运营公司对K4+838.4—K4+876.8里程段内的的隧道进行检查，发现在东西线40 m的范围内管片出现多处错台、渗漏水、道床剥离现象。T2航站楼至三元桥西线共有渗漏8处、贯穿裂缝10条、错台11处，主要发生在拱顶及拱底接缝处，最大错台19 mm；T2航站楼至三元桥东线共有渗漏18处、裂缝23处、错台31处，主要发生在拱底附近，最大错台20 mm；T2航站楼至T3航站楼区间隧道共有渗漏18处、裂缝2处、错台34处，主要发生在拱脚处，最大错台20 mm[6]。管片边角压溃见图4。

图4管片边角压溃

通过地质勘探以及北京地区的地质情况可知，北京地区地层主要由砂、砂卵石、圆砾及黏质粉土、粉质黏土、粉土等组成。机场线位于北京东部，该区域地铁所处地层为黏性土、粉土和砂层，发生局部沉降的的地铁下部土层为粉土和粉细砂。地质剖面图见图5。由于当时处于汛期，连续的强降雨使得地铁下卧土层处于饱和状态，列车荷载作用下粉土和粉细砂发生液化流失，导致机场线出现了严重的纵向不均匀现象[7]。通过地面注浆加固、洞内注浆堵漏、道床治理等措施，隧道结构和道床沉降趋于稳定[6]。这是北京地铁第一次出现局部沉降事件，为以后的监测预警与修复治理提供了经验。

图5灾害发生位置地质剖面图

2 盾构隧道不均匀沉降原因分析

对于城市地铁盾构隧道来讲，影响隧道沉降的因素有很多，在隧道的不同阶段影响因素是不一样的，本节从施工期和运营期两个方面来介绍盾构隧道产生不均匀沉降的原因。

2.1 施工期间对隧道沉降的影响

施工期的沉降主要是由盾构工法施工所产生的沉降。盾构工法因盾构直径、隧道埋深和地质状况及各单位施工状况的不同。引起盾构隧道的沉降变形有以下几个因素。

(1) 盾构开挖对周围土体的扰动。盾构掘进时，如果推进速度相对于出土速度比较慢，围岩无法通过自身来维持原来的稳定状态，开挖掌子面前方的围岩会出现松动，严重的可能导致崩塌，造成地层中土体损失，从而引起地面的沉降和管片环的沉降。

(2) 当隧道所处地层地下水位较高而采取降水措施时，根据土力学原理，这时土颗粒之间的有效应力增加，土体会再次进行固结沉降，从而导致管片环的二次沉降[8]。

(3) 同步注浆不及时、不充分。

(4) 盾构机转弯、盾构机仰头推进、盾尾纠偏等都会使隧道出现超挖现象，加之同步注浆的不及时，使管片环在开挖初期就产生一定的沉降。现有的案例表明，地铁运营后，隧道超挖引起的盾构隧道沉降会持续很长时间，对隧道结构产生较大的影响。

(5) 盾构壳与地层的摩擦和剪切作用，造成土体的扰动，使得土体在相当长的时间内持续沉降。

(6) 盾构推进导致障碍物的移动，使地层在盾构通过后产生空隙引起的沉降。

尽管现有的盾构技术已经足够成熟，大多数情况下能够将地层与隧道的变形控制在一定的范围内。但是当盾构施工工序复杂，周围土体复杂导致对地层扰动过大时，盾构在施工阶段就会出现不均匀沉降，导致每一环之间的差异沉降大，并且分布不规律。根据现有的监测数据表明，盾构推进依然是软土地层施工期隧道产生沉降的重要原因。下图6为日本某地铁盾构施工过程中地面与隧道的沉降曲线。隧道埋深15 m，盾构机为土压平衡盾构，外径9.8 m，长9.115 m。图中显示当盾构机到达时，地表沉降跟隧道沉降都非常小，当盾构机开始开挖工作时，隧道的沉降迅速增大，当盾构机外壳整体经过衬砌环时，隧道沉降达到最大，超过40 mm，盾尾通过衬砌环后，地面沉降和隧道沉降趋于稳定，隧道的沉降大于地表的沉降，在其他的地铁施工监测中都有类似的曲线。

图6盾构施工过程中地面与隧道沉降曲线

(6) 隧道下卧土层不均一。在相同的施工条件下，在不同性质的地层中进行盾构法开挖产生的瞬时沉降和固结沉降不同。如图7为上海打浦路越江隧道沿轴线方向的沉降曲线图。地铁线路较长时，隧道的标高往往不一致，沿线会穿越不同性质的土层，这时隧道埋深、隧道所在土层、下卧土层的性质都在随时变化，这种差别会导致隧道在施工期就发生不均匀的沉降。软土压缩模量低、灵敏度高，对扰动较为敏感，在盾构经过时会产生较大的沉降且难以收敛；砂性土压缩模量高、灵敏度低，扰动产生的沉降小，隧道经过这种地层时产生的沉降也就小。打浦路越江隧道投入运营后，处于砂性土层的隧道总沉降只有40 mm～50 mm，而处于软土中的隧道沉降则高达100 mm，两者的沉降差异很大。

图7上海打浦路越江隧道沉降曲线图

2.2 运营期间隧道沉降的原因

地铁建成开始运营后，引起隧道产生纵向不均沉降的因素就更多了。实际工程的施工监测数据及竣工后的监测数据表明，运营期产生的沉降占隧道总沉降的很大一部分。隧道在长期运营过程中产生沉降变形的影响因素主要有以下几个方面：

(1) 地铁所在地区地层的整体沉降。由于各种工程活动的影响，如地下水的开采、建筑施工、各类降水等都会使地层发生整体沉降。地层沉降影响范围和发展速率在不同空间、时间上具有很大的差异性。文献[9]指出上海地区地表年平均沉降为6.4 mm，中心城区平均地面沉降则为7.6 mm，最大沉降超过10 mm。通过监测数据发现，地层发生整体沉降的区域隧道沉降往往也比较大。

(2) 复杂的地质条件。以上海地区为例，上海地区地表浅层为第四纪海相沉积，厚度高达200 m～300 m。地铁车站及区间埋深为地下10 m～40 m，穿越的地层多为饱和淤泥质黏性土层，该土层经过扰动后，强度显著降低，固结时间长，累积变形量大。各类施工数据表明，只要对周边土体产生扰动，变形会在较长时间内持续增加。通过分析可知饱和软土和砂性土对隧道产生的威胁最大，一定要加强施工中的质量控制。

(3) 列车振动引起下卧土层的液化或振陷。饱和砂土、粉土受到列车动荷载作用，其土体结构丧失，强度下降，转变为类似液体的状态。振陷是隧道下部土体受到列车循环荷载而产生的附加沉降。分析表明，隧道的防水质量、接缝的施工质量、列车动荷载、行车密度、振动频率和地层条件等都会影响地层的振陷。在隧道建成初期，土体受到扰动后固结沉降没有完成，隧道在列车振动作用下沉降的速率有加大的趋势；随着隧道运营时间的增加，振动引起隧道的沉降会逐渐减小。

(4) 施工质量。案例2表示，凡是在施工阶段发生过质量事故或者有过对隧道扰动较大的施工行为时，在隧道运营后其沉降变形也会比较大。所以在施工过程中一定要注意尽量减小对地层的扰动，提高施工质量。当施工某处发生较大的质量问题时，要采取注浆等加固措施及时进行处理，将施工质量问题对隧道的影响减小到最小。

(5) 隧道周边进行的建筑加卸载施工。随着城市的不断发展，在既有隧道周围会增加越来越多的高层建筑，高层建筑的基础施工不可避免要进行排水作业，一个深基坑可能要抽排上万方的地下水，这对地层的影响是不可逆转的[10]。施工完成后，建筑荷载所产生的附加应力也会引起隧道的附加沉降；案例4表明，当隧道上方进行大量堆土后，会使该区域内隧道产生较大的结构变形，堆载卸除之后，隧道仍然无法恢复到原来的状态，修复所花费的时间和成本都非常大，给运营部门造成很大的麻烦。

(6) 邻近隧道的施工。城市地铁涉及多个地铁车站的换乘，新建地铁线路的建设不可避免要穿越既有线路，新线施工引起的结构变化，地层的损失都会使既有隧道结构产生差异沉降[11]。所以，在新线路施工之前必要时一定要做好地层的加固，施工过程中加强对既有隧道的监测，达到预警值时及时采取措施。

(7) 隧道下卧土层的水土流失。当隧道周围为粉土或砂质粉土，隧道产生裂隙之后，在动水压力作用下，土颗粒会随水流经管片裂隙进入隧道，导致隧道周围，尤其是下卧土层的水土不断流失，管片结构在自重和列车荷载作用下不断下沉，导致隧道结构出现变形，也会加大隧道的纵向不均匀沉降。

(8) 特殊的地下结构。靠近地铁端部一般会设置旁通道加强车站的通风，区间中部会设置旁通道，用来在发生灾害时乘客的撤离和救援人员的进入。由于其结构的特殊性，会采用冻结法施工，当结构施工完成后，地层土变得饱和，会使隧道产生不均匀的沉降；建设期，因施工条件不足，车站不能满足抗浮要求，会在有的车站设置倒滤层，由于常年排水，统计表明，设有倒滤层的车站会产生较大的纵向不均匀沉降，倒滤层的设置是今后设计需要考虑的问题。

(9) 根据统计，小曲率半径范围内隧道沉降较大、道床破坏严重，有的小曲率半径处的轨道已经全部更换。所以，在设计中尽可能避免小曲率半径，如果因为线路规划不可避免会出现小曲率半径，应当在实际施工中采取特殊的措施，如在小曲率半径处严格控制注浆量，从而在源头上进行控制。

3 应对措施

盾构隧道过大的差异沉降对隧道结构来讲是巨大的威胁。由上一节的分析可知，引起隧道产生纵向沉降的因素有很多，本节从地区的地质特点、城市规划与线路规划相结合、设计、施工、周边环境特点等因素出发，制定适合本地区的隧道保护技术标准，为之后的新建工程提供依据，确保既有隧道的安全。

3.1 预防措施

(1) 健全本地区隧道保护的相关规范和条例。对隧道的保护不仅仅是地铁公司、施工单位的责任，政府主管部门应当牵头建设单位、设计单位、施工单位等，组织制定本地区的隧道建设、安全保护条例。以法律的形式规范地铁邻近相关工程的建设与施工[12]。

(2) 制定科学的安全保护技术标准[13]。地铁隧道一般由引道段、暗挖段、隧道段等几部分组成，由于其结构形式的不同，各区段的安全保护标准也不同。在制定标准时，应根据各部分的结构形式、埋深、施工特点等，针对不同情况下、不同新建构筑物进行分析计算，再根据隧道现状、隧道运营安全要求，结合现有的工程案例进行综合分析。

(3) 对隧道结构进行定期的健康评估。对隧道进行定期的检查，能够及时反应隧道的养护状态，能够反映隧道对新建工程的承受能力。任何一种附加影响都会对隧道结构产生或大或小的削弱，我们要做的是将影响控制在隧道结构正常使用的范围内，实现隧道结构安全与新建工程的双赢结果。如果只是单纯套用标准，而不结合隧道的实际情况，将可能会造成土地资源的浪费，或者其他严重的后果。

(4) 优化设计、施工方案。地铁作为百年大计工程，应当与城市的中长期规划相结合，地铁线路的规划应根据地下管线、地下构筑物、工程地质、城市的水文地质条件、结构类型、施工方法等因素，并经过经济比较确定。

在比较复杂的工况条件下，应加强地质勘探，根据特殊的地层，制定特殊的隧道结构和施工方案，并做好充分的方案论证。在上部荷载、地层发生突变的部位，通过设置合理的变形缝来减少隧道的差异沉降。

当盾构隧道穿越既有隧道时，要求既有线路变形在5 mm之内，难度很大。施工中需采取以下措施：

① 在进行隧道穿越施工前，一定要进行盾构机试推或者模拟推进，优化施工参数(盾构平衡压力、推进速度、出土速度等)，将盾构施工对环境的影响减小到最小。

② 信息化施工。在穿越过程中，监测系统和信号传递系统应采取实时采集和传输，使得施工技术人员能够实时了解到运营隧道的沉降变形，不断调整盾构推进各项参数。

③ 下穿既有隧道可能会引起既有隧道的隆起，为控制隧道隆起，可在轨枕下侧采用钢砂进行加载，要根据实际情况进行压载重量的量化分析。

④ 二次注浆。数据表明，盾构穿越结束初期，既有线路沉降较快，对既有隧道顶部和下部进行二次注浆，可减缓既有线路的沉降，持续的注浆会使隧道逐步稳定，甚至使下沉的隧道上抬。最后采用置换注浆、土体加固等方式，使运营地铁线路达到最终稳定。

(5) 采用数字化技术建立隧道全寿命周期管理系统[14]。

3.2 治理措施

结合盾构隧道衬砌结构的特点，从以下几个方面来阐述隧道病害的治理措施。

(1) 微扰动双液注浆法。对于治理隧道沉降，经过科研工作者的努力，总结出了微扰动双液注浆工艺[15]。微扰动双液注浆法是根据隧道的预测曲线进行分区分阶段的注浆措施，在隧道纵向注浆实施少量多次的注浆，从而实现隧道抬升和稳固地层的作用。

(2) 采用聚氨酯和环氧树脂材料堵漏。隧道接缝处的渗漏主要为接缝处渗水，隧道壁后注入聚氨酯材料，聚氨酯遇水发泡，在隧道外壁形成一层隔水膜，阻止水流通过接缝进入隧道。当隧道渗漏过于严重或堵漏效果不明显时，可在隧道接缝处进行隔断密封注浆。在隧道封顶块，宜采用刚性环氧树脂材料，在封顶块以下，宜采用弹性环氧树脂材料。

(3) 加固措施。隧道结构产生裂缝或混凝土破碎时，要采取一定的加固措施。加固分为地层加固和隧道结构加固。通过洞内注浆加固和地面注浆加固能够稳固隧道结构周边的地层，为下一步的钢板加固创造条件。洞内加固主要有张贴芳纶布加固和钢板环加固[15]。芳纶布断裂强度极高，在洞内裂缝较大部位，采用刚性材料张贴，能够阻止裂缝进一步发展，随后在盾构环内采用钢板加固，增强已变形隧道的承载能力，能够起到很好的效果。