软土地区盾构隧道加固措施研究

龙侨平

（中国水利水电建设工程咨询中南有限公司，长沙 410014）

1 引言

近年来，城市轨道交通、盾构隧道等地下工程基础设施建设密集度不断增加，对周边建（构）筑物变形控制、保护要求越来越严格，同时相关建筑物施工也会在不同程度上扰动区间隧道，进而造成隧道变形。尤其是在软土地区建设盾构隧道，更容易发生变形问题，需要采取有效的加固处理措施。在预防隧道变形中，钢环加固技术属于一种有效的控制技术。施工中，通过在钢环片上设置螺栓，并在管片、钢环间灌注刚性新型环氧材料，能使管片和钢环两者共同承载，由此限制隧道变形，使隧道结构更加稳定，延长隧道使用寿命。对此，钢环加固技术应用时，需要结合软土地基所建设的盾构隧道实际情况，经勘测掌握变形程度，并把握好加固处理要点。

2 案例概况

东湖站位于东湖路东侧东湖公园地块内，站址南侧为6号线既有车站、海印大桥以及沿珠江风光带；站址北侧为越秀区文化馆以及内环路高架桥；西侧为东湖路（规划道路宽50 m）、路西侧有龙湖大厦、东湖肯辛顿、龙湖新村等住宅区；车站东侧为东湖公园步道及湖面。站址范围地下管线较少，地势稍有起伏，钻孔地面高程为5.6～7.34 m。

3 软土盾构隧道变形分析

3.1 变形分析过程

针对该地铁隧道建设工程，变形分析中首先建立隧道环三维模型，模型当中的隧道环内外径以及管片厚度和该地铁工程盾构隧道相关参数相同，内径是5.5 m，外径是6.1 m，管片厚度是0.36 m[1]。通常情况下，埋藏在地下的隧道工程为线状工程，此工程经过勘察发现其有横线变形，所以从中选择一环进行计算，顺着盾构隧道长向共1.1 m[2]。经分析发现，此地铁隧道所选取的环计算单元共包含6 片管片，以拼接方式相连接，分别为1 片封底块，2 片标准块，2 片临接块，1 片封顶块。所建立模型和工程实际相同，相邻的管片通过直螺栓连接，所用螺栓强度等级是5.8 级，长480 mm，直径30 mm。经模型观察和分析，可发现此隧道环结构和所承受荷载保持左右对称均匀分布，所以出现的变形也呈现出左右对称状。为便于计算，分析期间只计算隧道环左侧。此工程在实际施工中，盾构管片均设置了螺栓孔、安装孔以及手孔等，所以管片几何形态复杂，增加了网格划分难度。经分析发现，这些孔均未设置加强钢筋，因此，不属于薄弱位置，一般不会发生破坏情况，所以，此次模型分析中不对上述孔位进行考虑[3]。根据该地铁盾构管片相关设计资料，管片当中的钢筋和管片混凝土在处理中选用embed 方式，也就是不对钢筋和混凝土两者相对滑移进行考量。相邻两管片连接中所有螺栓两端均设置了螺帽，在和管片混凝土相连接中也选用embed 方式。此外，相邻两管片的接头在连接中主要设置hard contact，摩擦系数设为0.3，由此对管片接头部位受力行为加以模拟。

在对此盾构隧道进行加固处理中，所用加固隧道环相关加固部件按照有关规范标准，主要选择钢板，厚度是20 mm[4]。对于隧道环和加固部件之间的连接， 行为模拟中选择Cohesive Behavior。分析所用加固模拟方法为预加固手段，也就是隧道尚未承受荷载的时候就加固，由此充分考察不同软土荷载情况下隧道应用钢板加固的效果[5]。

该工程实际施工中，隧道环在静水压力、土压力共同作用下，很难做出精准反应。为简化计算，可选择荷载结构法，具体是先对隧道外部荷载进行计算，之后将其作为面荷载施加在隧道环外壁，之后用地基弹簧模拟土体抗力，此弹簧一端放在地面上，另一端连接于隧道环外壁，一旦隧道环出现横向变形，地基弹簧能够对变形产生抑制力。分析中，通过水土合算的方式计算土体竖向压力及侧向土压力，以隧道环竖向受力平衡为基础计算土层反力，对于隧道环外侧土体，则主要将受压地基弹簧布置于四周，由此加以模拟。

工程所在区域土体重度通常保持在16.9~20.3 kN/m3，所以在此模型中，土体重度参数选择20 kN/m3，同时设整体隧道环全面埋设在软土当中。该区域盾构隧道埋深能够达到20 m，甚至局部高于30 m。在该区域后期建设期间，部分区段会在上方建设建筑项目，或者在地表堆土，从而造成隧道等效埋深更大，可在40 m 及以上。所以，为便于分析和比较，此次分析当中根据等效埋深计算土体压力。同时，在工程实际埋深基础上适当增加深度来确定最大埋深，具体将等效埋深确定为0~60 m，并计算相对应的加载土压力，也就是隧道环上方竖向土压力取值范围是0~1 130 kPa。而在分析模型当中，将静止土压力系数确定为0.5，同时土层抗力系数确定为2 450 kPa/m。

另外，根据有关规范，计算当中将管片混凝土本构强度等级确定为C55，并设计算模型当中的钢板、连接螺栓、管片内钢筋都有理想弹塑性，且屈服强度分别是300 MPa、510 MPa、405 MPa，钢材尚未屈服状态下弹性模量都是200 GPa。

3.2 分析结果

在竖向荷载改变过程中，同步分析隧道环接头的张开量，可发现不管是否进行加固处理，在隧道上方不断增加荷载作用过程中，腰部及顶部接头张开量都会同步增加。同时在增加过程中，和顶部接头相比，腰部接头的张开速度更快，所以在软土地区分析盾构隧道变形中，要着重分析腰部变形。此外，隧道环利用钢管进行加固处理后，接头张开得到有效控制，特别在荷载比600 kPa 小的时候，张开发展趋势明显比未加固处理的隧道环弱，证明在荷载不大的情况下，钢板能够发挥良好的加固作用。经对比，发现隧道上部荷载在比600 kPa 小的情况下，经过加固处理的隧道接头实际张开量是未进行加固处理隧道接头处的2/5 左右。

在分析中发现，在隧道所承受荷载不断增加过程中，隧道顶底趋于靠拢，隧道左右两侧则趋于远离，隧道发生明显变形，且呈现为“横鸭蛋”状。在荷载相同条件下，隧道的横向变形稍大于竖向变形。在荷载不大的情况下，钢板加固可发挥较好的隧道变形控制效果，不过在后续加固部件、隧道环连接逐渐发生破坏之后，加固效果也趋于减弱。经对比，发现隧道上方所承受荷载不超过600 kPa 的情况下，经过加固的隧道其变形程度是没有进行加固处理隧道的1/2 左右。

4 应对软土盾构隧道变形的加固措施方案

运用钢环加固法对该地铁工程盾构隧道变形进行加固处理，主要包含5 个施工阶段：（1）前期筹划阶段。此阶段主要是通过勘查现场明确施工范围，并和设计部门沟通之后确定设计图。此阶段还要按照施工内容及业主需配合内容等清晰地划分施工界限。（2）施工准备阶段。此阶段主要对既有机械臂进行调试运行，保证运作正常。同时，在业主协调基础上，敷设临时用水以及用电管线，科学编制施工方案。（3）前期施工阶段。进行管线改排，并对疏散平台进行临拆，使各管线单位能够相互配合，对排水沟进行切割及凿除作业。此环节还要做好钢板放样工作，并进行后续加工。此外，要合理安排施工人员，分配施工任务。（4）施工阶段。主要处理环及纵缝，安装钢牛腿与环板，并对整体结构进行焊接作业，最后环氧填充。（5）收尾阶段。此环节主要对钢板防腐进行修补处理，同步进行质量验收。

具体施工中，需要重点采取以下加固处理措施：

1）做好管线改排、钢板放样、排水沟凿除等工作，同步拆除疏散平台，要求各管线单位相互配合。在施工期间，根据施工范围，将顶部触网弹性支架、强电以及弱点支架拆除，移至施工范围以外。按照设计方案改排顶部漏缆线，对于零星管线，全部移至双侧管架支架中，同时双侧管架支架长度保持在约50 cm，支架上管线一直到隧道管片内弧面，需确保施工空间充足且统一。在施工现场临时拆除消防水管，并改成双侧供水管线。对隧道中改排进行加固处理，之后搭建双侧支架。临时拆除施工现场单侧疏散平台。钢环拼装施工期间，要求强、弱电相关管线单位加强现场监理，做好技术指导，保证施工顺利。施工中作用的通信、通风、水、电等设备需要事先由专业技术人员进行合理调整，保证符合施工需求和要求。

2）在环、纵缝处理中，一旦发现漏水点，要及时采取有效的堵漏措施。同时，管片的环以及纵缝处理前，要彻底清洁管片表面，维持干燥状。在管片边缘间距20 mm 的位置粘贴厚胶条，厚度要超过2 mm，且粘贴平整，保持相同距离。之后，在环、纵缝部位以及胶条中间填充弹性环氧胶泥，保证填充平整，尤其要保证环、纵缝相交T 字部位的填充质量。在胶泥达到一定强度后，将胶条撤除，细致打磨管片表层所黏结胶条。环、纵缝部位完成环氧胶泥施工后，向内部孔隙当中压注弹性环氧浆液。压注施工中，注意每间隔20 cm 钻孔，以确保压注均匀。在环及纵缝全部处理结束后，要向钢圈所覆盖区间内的手孔中填充早强水泥。

3）在钢环安转环节，要注意按照施工方案先安装下部牛腿，之后从下往上逐步安装侧板，最后在顶部安装封顶块。完成环形钢板安装作业后，对不同支撑间开展焊接作业，由此形成一个完整的受力支撑整体，在隧道中充分发挥加固支撑作用。焊接作业结束后，在钢环表面涂刷SPUR 进行防腐处理，注意涂刷之前清洁钢环表面，保证其处于干燥状，分成两层逐步涂刷，最终涂刷厚度在1.2 mm 及以上，并且厚度应均匀。此外，要封堵隧道管片和钢环两者缝隙，并填充环氧树脂，保证钢环受力均衡。填充作业结束后，及时打磨钢环表面，由此起到保护作用，还可发挥防火防锈功能。最后，做好排水沟及管线的恢复工作，并进行竣工验收。而在钢环安装结束后，需要合理布置监测点，以对变形情况进行动态监测。

5 结语

综上所述，软土地区盾构隧道的接头张开量和上方所覆盖软土的厚度基本保持线性关系，即接头张开会随着上方荷载不断加大而越来越大，同时和顶部接头相比，腰部接头张开速度更快。同时，软土地区的盾构隧道在土体压力影响下，变形主要为“横鸭蛋”状，腰部变形量稍大于竖向变形。通过运用钢环加固技术进行加固处理之后，有效控制了隧道管片环接头的张开量以及横向变形，在荷载不大情况下，控制作用尤其明显，也就是上方荷载在不超过600 kPa 的时候，经过加固处理后的隧道管片接头张开量较加固前下降60%左右，同时隧道变形程度下降50%左右，而在后续荷载逐步增加期间，加固效果会逐渐减弱。