软土地区大面积堆载致盾构隧道变形及其整治技术分析

曾华蔚 （1. 上海地铁监护管理有限公司， 上海 00070；. 上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心， 上海00030）

上海的浅层土总体为软弱土层，存在着大量的饱和高压缩性软黏土层、饱和含水含砂土层。基于此先天不良地质条件，再加上在地铁运营期间盾构隧道易受运营环境和周边情况等因素的影响[1-3]，盾构隧道更易出现整体沉降、不均匀沉降[4]和横向收敛变形等结构变形[5-6]，严重时会引发渗漏水等病害，甚至对地铁运营造成一定威胁。

本文拟结合实际工程案例，充分考虑特殊性和复杂性，详述大面积堆载影响下的盾构隧道结构变形及其整治方案。最后以实测数据对整治过程中隧道结构的变化情况和整治效果进行研究，并分析微扰动注浆技术的整治机理，以揭示出盾构隧道横向变形特征和规律。

1 工程案例

1.1 项目概况

小黄浦河桥位于上海市浦东新区前滩地区，平家桥路以西、高青西路两侧附近，临近轨道交通 M 号线，且距离地铁车站约 700 m，如图 1 所示。高青西路小黄浦桥引桥南、北两侧地面标高在 4.0～6.0 m，原设计标高基本在 3.9 m。由于区间隧道埋深范围内土层地质情况及上部堆土过多，导致下卧区间隧道部分区域管片收敛变形与设计比值较大，并伴随结构渗漏水等病害。其中，上行线 S 250 环和 S 255 环处的隧道收敛变形与设计值相比差值更是 ＞ 9 cm。

图 1 项目平面图

1.2 整治方案

鉴于隧道结构病害较为严重且相对集中，易导致突变影响地铁 M 号线的正常运营，因此该区段急需进行综合治理。根据注浆等施工因素引起的地铁隧道结构外壁的附加荷载 ≤ 20 kPa 的相关要求，按照“对症下药、综合治理”的原则，采用“消除病源，治理病症，恢复功能”的方式，最终制订“上部卸载→微扰动注浆→EPS换填”三阶段整治对策。同时，为保证施工的安全性和科学性，在整治作业的过程中对相应区间隧道结构（上行线 S 180 环～S 320 环）进行严密监测，并确保数据的准确性和及时性。

（1）第一阶段：上部卸荷。针对高青西路小黄浦河桥引桥南侧绿化前期堆土严重的问题，对东至地铁隧道外边线20.0 m、西至河边的范围进行上部卸土卸荷，直至场地标高为 + 4.0 m。同时严格控制卸荷过程，减少多次施工扰动。

（2）第二阶段：微扰动注浆。对堆载严重影响范围内的隧道管片（上行线 S 205 环～S 265 环）进行微扰动注浆，注浆范围为隧道底标高以上 5.2 m，共设置 4 排注浆孔，即隧道两侧距离隧道边线 3.0 m、3.6 m 处各设置 2 排注浆孔。注浆时优先对变形量较大的位置进行注浆，对隧道收敛进行控制，确保隧道结构安全，其次对收敛变形较小的区域进行注浆。微扰动注浆与地铁盾构隧道相对位置关系如图 2所示。

图 2 注浆相对位置关系

（3）第三阶段：EPS换填。针对小黄浦河桥东侧引桥53.0 m 范围（位于 M 号线隧道正上方）内，利用 EPS（聚苯乙烯泡沫）进行换填，以减少隧道正上方荷载，恢复引桥作用，确保今后道路在正常运营过程中，上部覆土和车辆等荷载不至于对下埋隧道产生过大的影响。其中，EPS 相关物理参数如表 1 所示。

表 1 EPS 物理参数

2 整治过程分析

2.1 第一阶段分析

第一阶段整治（约 7 d）上行隧道变形累计曲线如图 3所示，即上部卸荷之后 M 号线上行线对应区间的隧道结构垂直位移累计变形曲线和收敛累计变形曲线。

图 3 卸荷阶段上行隧道变形累计曲线

由图 3 可知，当卸土至场地标高为 +4.0 m 时，由于隧道正上方荷载的减少，隧道结构整体呈现出抬升的现象，其中，最大抬升变化量（上行线 S 260 环处）约 3.58 mm。此外，沉降累计变形曲线呈中间高、两头低的类正态分布。与此同时，隧道结构水平直径也稍有减小，呈现整体收敛现象，最大收敛变化量（上行线 S 262 环处）约 6.10 mm。从变形曲线两端的趋势分析，开挖卸荷区域外的隧道结构并未受到过多扰动，从而证明该区域隧道结构沉降是由上部卸载卸荷所引起。

经分析可知，隧道正上方卸载使地层应力得到释放，从而使得一定范围内场地地层发生回弹，而地层的回弹对下部既有隧道产生上浮的作用，使其产生竖向的抬升变形以及横向的收敛变形。这也证明，隧道上部荷载的超限是造成隧道结构发生沉降和收敛的重要因素。此外，由数据可知，沉降与收敛变化最大处比较接近，说明两者在一定程度上存在相互耦合影响。

2.2 第二阶段分析

第二阶段整治即微扰动注浆阶段。M 号线上行线对应区间的隧道结构变化情况如图 4 所示。

图 4 注浆阶段上行隧道变形累计曲线

由图 4 可知，在该阶段治理病症的过程中，注浆范围内的隧道结构呈明显上抬，最大抬升变化量（上行线 S 255 环处）达 18.26 mm，沉降累计变形曲线形似驼峰状，即在 S 240 环处出现一个沉降变形“小漏斗”。这是由于在微扰动注浆过程中，注浆管打设深度的偏差—注浆管只打至隧道腰部位置处，使得浆液未能注到隧道底标高，抬升作用相对较小。隧道结构收敛变化量普遍超过 30.00 mm，水平直径也明显减小。不仅如此，随着浆液的不断注入，盾构隧道周边土体的密实度和弹性模量等物理性能不断增大，隧道两侧约束也增加，即隧道侧向抗力急剧增加，可改善隧道的“椭圆度”，隧道横向收敛变形得到有效控制。

为确保微扰动注浆整治效果保持良好，在注浆结束之后的一段时间内，不宜立即进行 EPS 换填施工，需要对盾构隧道进行持续跟踪监测和观测，待稳定后方可进行换填。注浆后盾构隧道结构变形如图 5 所示。

图 5 观测期上行隧道变形累计曲线

由图 5 可知，在微扰动注浆区域内仍存在一定抬升量。隧道收敛变形的增加亦使得盾构隧道附近的孔隙水压力增加，在停止注浆后，一部分超孔隙水压力会逐渐消散，进一步使隧道横向收敛变形又有所增加，出现变形“回弹”现象。

2.3 第三阶段分析

第三阶段整治即 EPS 换填阶段。M 号线上行线对应区间的隧道结构变化情况如图 6 所示。

由图 6 可知，在此阶段中，盾构隧道收敛变形量并不大，整体较为稳定。只有局部区段出现上抬，而此处刚好位于引桥处，即 EPS 换填区域。在换填施工时，需要将原有一定厚度覆土换为轻质材料 EPS（本工程中所用 EPS 密度为 36.7 kg/m³，仅为普通土的 1/40），使得隧道上覆荷载又减少较多，地层应力状态也相应发生变化。

图 6 EPS 换填阶段上行隧道变形累计曲线

3 结 语

结合该实际工程案例，针对软土地区堆载引起的盾构隧道结构变形做出整治方案，分析研究了微扰动注浆技术和隧道整治效果，最终得到以下结论。

（1）大面积堆载容易对下卧盾构隧道产生较大横向收敛变形，严重时会导致结构渗漏水等病害，因此在对于绿化、道路等工程需特别注意场地标高。

（2）在整治由堆载引起的盾构隧道结构变形时，首先需及时对超载覆土进行卸载，从根源上解决问题。

（3）微扰动注浆可以有效整治软土地区盾构隧道的横向收敛变形，且整治效果显著。

（4）通过 EPS 换填有效减小了盾构隧道上部荷载，且综合整治后期隧道变形趋势稳定，又保留了引桥道路的运输功能。

经过卸载、注浆整治、换填最终使得该项目对应区段的隧道结构变形安全可控。该案例的成功整治可为今后类似情况和整治对策研究提供重要的参考。