地铁隧道变形分析及治理加固技术研究

庄绪良

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司 江苏南京 211899)

1 引言

随着城市地铁建设快速发展、交通强国战略驱动以及盾构施工技术的日趋成熟，城市地铁建设步伐日益增快[1-2]。然而，面对不同地域复杂的地质条件，在地铁修建与运营过程中，经常出现隧道沉降及收敛变形异常，对隧道质量和周边环境带来严峻考验。很多学者针对隧道沉降和收敛变形做了大量研究，彭鹏等[3]利用正交试验分析加固参数对围岩及支护结构力学响应的影响，并以模糊决策理论为基础，得出隧道拱顶沉降的特征。不少学者[4～6]研究了加固措施对隧道沉降收敛变形的影响和治理效果，周立俊等[7]建立了基于GA-SVR的地铁隧道沉降预测模型，对地铁沉降进行精准预测。杨兆等[8]基于有限元数值模拟，分析盾构施工引起的地层沉降和结构变形规律。陈森森等[9]对盾构隧道渗漏水原因进行分析，提出修复拼缝密封胶系统和回填灌浆的综合处理措施。

目前鲜有全面研究软土地层地铁隧道沉降收敛的原因及处理方法，本文以南京地铁2号线西延天保街站-青莲街站区间隧道变形治理为依托，对地铁隧道沉降收敛变形异常状况进行分析，并针对性采用综合处理技术，为地铁隧道变形治理提供参考。

2 工程背景

天保街站-青莲街站区间上行线起讫里程为2WYK1+307.345 m～2WYK2+352.662 m，下行线起讫里程为2WZK1+307.345 m～2WZK2+352.662 m，上、下行线隧道长度分别为1 045.417 m和1 048.540 m。区间采用盾构法施工，隧道主要穿越粉质黏土、淤泥质粉质黏土层。

区间隧道施工时隧道上方为秦新路施工场地，隧道顶距离原状覆土最小处为2.5 m，地铁区间施工前秦新路覆土回填土最深为4.92 m，剩余0.47 m水稳层未施工，如图1所示。

图1 天保街站-青莲街站区间隧道平剖面

隧道完工一段时间后，根据监测结果显示，天保街站-青莲街站区间上行线2WYK2+025.850 m～2WYK2+297.740 m、下行线2WZK2+014.330 m～2WZK2+294.680 m段，即成型隧道600～825环结构出现较为严重沉降与收敛超标，进而发生较大管片错台，局部超过20 mm，并出现渗漏水现象。为保证区间隧道行车安全，需对异常变形区段采取针对性治理措施，确保隧道结构本身安全和行车安全。

3 隧道变形描述及原因分析

3.1 沉降收敛情况

(1)沉降变形

天青区间成型隧道工后沉降监测于2020年4月份开始，监测频率为每月一次，截至2021年1月份共完成8期。

工后沉降观测数据600环～825环为:左线总沉降累计最大值为-68.7 mm，工后沉降累计最大-28.10 mm，隧道工后沉降速率为-0.01～-0.05 mm/d；右线总沉降累计最大值为-88.8 mm，工后沉降累计最大-43.20 mm，隧道工后沉降速率为-0.02～-0.11 mm/d，如图2所示。

图2 右线隧道工后沉降变化曲线

根据《江苏省城市轨道交通工程监测规程》(DGJ32/J 195—2015)规定，最后100 d的沉降速率小于0.04 mm/d时方可判定隧道处于稳定阶段。根据监测数据分析，天青区间600环～825环沉降未进入稳定阶段。

(2)收敛变形

基于2020年10月份全断面扫描结果，监测频率为每月一次，截至2021年1月份共完成3期监测报表。

水平收敛观测数据600环～825环为:左线收敛与10月份相比累计最大增量为13.3 mm，环号为715环；右线收敛与10月份相比累计最大增量为10.0 mm，环号为661环，如图3所示。

图3 右线隧道结构收敛变化曲线

3.2 表观病害情况

对600环～825环区间进行结构病害巡查，发现病害情况为:左右线管片均存在较为严重的错台现象，错台量基本在3～15 mm和5～20 mm之间，局部管片错台达22 mm，且左右线均存在较为严重管片渗漏水情况。病害排查结果如图4所示。

3.3 隧道周边环境调查

经查阅相关地形及勘察资料得知，在区间隧道工后变形变化较大处存在一处水塘，水塘东西长约270 m，南北宽约140 m，水面高程为5.60 m，水深约1.6 m，如图5所示。同时发现区间隧道线路范围内有大面积填土堆积分布，填土层最厚达11.5 m，填土密实度、均匀性、稳定性较差。

图5 秦新路施工前后原地貌水塘与区间位置

3.4 隧道沉降收敛原因分析

通过有限元分析(如图6所示)，获取不同地基工况下左右线隧道竖向位移及水平收敛数据，如表1所示，并通过取芯对其验证，绘制位移、收敛曲线(竖向位移正值表示向下沉降，水平收敛正值代表“扁鸭蛋”变形，位移值及收敛值均为隧道总变形量)，如图7所示。

图6 有限元分析结果

表1 隧道位移及收敛数值模拟情况 mm

图7 不同工况下隧道位移及收敛曲线

基于周边环境调查和隧道下地基钻孔取芯结果验证，盾构区间沉降及收敛变形原因分析如下:

(1)隧道处于长江漫滩深厚软流塑地层，具有高饱和、低强度、高压缩性、高灵敏度和流变性。在秦新路大面积、高覆填土堆载的长期作用下产生固结沉降，盾构隧道随围岩固结沉降而发生沉降。

(2)隧道在软弱土层固结沉降拖曳下，隧道顶、底沉降差造成隧道成压扁状，发生较大的收敛变形。

(3)异常区段隧道为水塘回填区，在回填土超载作用下，水塘边坡及下卧软弱土层产生滑移趋势，导致盾构围岩侧向约束减弱，形成侧向卸载模式，增大其收敛变形，同时产生向水塘侧水平位移。

4 隧道沉降及收敛变形治理措施

根据变形机理分析，采用外控内治的原则对隧道进行加固，即洞外采用钻孔灌注桩隔离、水塘回填、MJS工法桩隧底加固，洞内采用深孔注浆、安装洞内钢环内衬的综合治理方案。

4.1 隧道外加固

(1)设置隔离桩

沿秦新路施工回填后的水塘边设置一排φ1 000 mm钻孔灌注桩+φ800 mm双重管高压旋喷桩止水+桩顶1 000×800 mm冠梁的隔离支护体系。隔离桩设置长度按超出水塘区域两侧各10 m控制，桩长按间隔入岩1.5 m，非入岩桩桩底入砂层按2.5 m控制。

(2)水塘回填

对隔离柱外侧水塘区域清淤后回填(20 m宽)至路基顶进行反堆载。

(3)MJS加固

根据区间隧道沉降及收敛数值大小，采取不同MJS加固型式。根据监测数据结果分为收敛≥80 mm，收敛 ＜80 mm、变形 ＞60 mm，收敛≤60 mm、变形＞50 mm，收敛≤50 mm、变形＞35 mm等四种情况，分别采用隧道外侧及拱腰以下施工4 000 mm桩径160°摆喷、3 000 mm 桩径 160°摆喷、3 000 mm 桩径90°摆喷、2 000 mm桩径100°摆喷，隧道拱腰以上内侧为2 000 mm桩径180°摆喷的MJS桩。按桩径4 000、3 000、2 000 mm区分，水泥掺量分别按55%、50%、40%控制，桩底以深入砂层大于0.5 m控制。隧道拱腰以上MJS桩按内侧桩径2 000 mm、水泥掺量40%控制。

根据隧道结构刚度、围岩性质和加固段隧道结构纵向变化及结构错台情况，结合MJS施工阶段地基扰动和水泥土强度增长过程的影响因素，采用隧道两侧同步施工的方式，跳桩施工，跳桩间隔距离为4～6 m，洞内同时采用全圆针梁式液压顶升台车支撑管片。

4.2 隧道内加固

(1)管片表观病害治理

根据管片不同裂缝宽度和破损情况，采取不同的处理方案，如表2所示。

表2 隧道裂缝和破损修补施工

(2)钢环加固

管片错台大于20 mm且伴随有渗漏水部位，在管片错台位置内侧焊接钢板环作永久加固处理；管片收敛值大于60 mm处，在对应管片中心焊接钢板环作永久加固。

钢环采用厚30 mm、宽900 mm钢板分6块制作，采用机械臂拼装成封闭环。钢环与管片之间的空隙通过注入刚性环氧浆液填充密实。

(3)深孔注浆

隧道变形治理重在改善隧道周边土体物理性质。依据“少量、多次、交错”的原则，利用管片预留注浆孔采用后退式注浆的方式对隧道周边的土体进行改善，注浆压力控制在0.4 MPa内。通过单液浆的流动性可达到大面积、全方位改善土体性质的目的。在MJS施工前采用隧道结构两侧对称注水泥浆的方式，MJS施工完成后采用超细水泥对隧道结构两侧和拱底进行补偿式深孔注浆。

5 隧道治理的效果

经监测，施工期引起的隧道收敛变形增量为2 mm，水平位移增量及竖向沉降增量为5 mm，均处于可控状态。

隧道治理于2021年4月完成，根据2021年5月至9月的监测结果显示，隧道最大累计沉降量为4 mm，最大百日沉降速率为0.027 mm/d，符合规范要求。

6 结论

本文以南京地铁2号线西延天-青区间隧道变形加固治理工程为背景，通过理论研究提出洞外和洞内综合加固措施，并依据监测数据分析，得出以下结论:

(1)运营期应加强地铁隧道结构变形监测工作，定期分析隧道沉降和收敛变形的相对曲率关系，以便掌握隧道结构受力变化状态。

(2)软土地层隧道上方新增荷载对变形和收敛值影响敏感，因此隧道两侧各5 m保护区范围内严禁不采取措施新增荷载。

(3)软土地层盾构施工前须提前对地层进行加固处理，并确保加固质量，同时对隧道周边环境进行调查，避免隧道出现水平位移。

(4)变形隧道内部采用钢环和补偿注浆对衬砌结构进行加固，可提高受损隧道结构的刚度和结构耐久性，控制隧道变形。

(5)在软土地层进行基础设施施工时要充分考虑对运营隧道的影响，需采取洞外预加固的措施，改良隧道周边土体，减少对运营地铁隧道的影响。