软土地层地铁盾构隧道管片收敛变形整治方案*

陈春红 周奇辉 邢玉芳 张琼方

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司, 310014, 杭州∥第一作者, 高级工程师)

0 引言

软土地层中的地铁盾构隧道在外部作业影响下极易发生管片横断面收敛变形增大,进而导致隧道衬砌管片裂缝增加、螺栓应力屈服、管片接缝张开、渗漏水增加,甚至是衬砌管片掉块等严重危害地铁运营安全的病害。针对以上问题,已有学者开展了多项针对性研究。文献[1-3]通过建立隧道与地层相互作用的模型,分析了地面超载作用时,不同土层条件下隧道管片横断面收敛变形规律和机理,分析了地面超载附加土压力与隧道穿越土层、隧道上覆土层及下卧土层的物理力学性能关系,揭示了软土地区既有盾构隧道在地面超载作用下极易发生变形超限的机理。文献[4]以上海某运营地铁隧道为研究背景,分析了不同样本元素对盾构隧道管片收敛变形的影响规律。文献[5]针对上海软土地层某地铁区间盾构隧道上方突发大量堆载引起的隧道管片结构变形情况(横向收敛变形最大达到了34.5‰倍的隧道外径),研究了采取卸载、芳纶布及钢环结构补强整治措施后,地铁盾构隧道的受力变形规律。

以上文献对隧道管片收敛变形机理研究较多,但对针对性的管片收敛整治措施,尤其是改善隧道管片收敛变形的整治措施研究较少。杭州某地铁区间隧道由于受各种外部作业的影响,隧道管片横断面收敛变形较大、管片病害较多,影响了隧道的管片结构安全和地铁的运营安全。

本文以该区间隧道为例,介绍了隧道管片的病害情况并分析了隧道管片收敛变形的机理,在此基础上,提出一种隧道管片收敛变形的整治方案,即采用隧道外部MJS(全方位高压喷射)工法桩+微扰动注浆措施,对隧道管片横断面收敛变形进行整治,同时对隧道内的病害进行了修补。本文研究可为盾构隧道管片收敛变形机理和整治措施提供理论依据。

1 地铁隧道收敛变形概况

1.1 地铁隧道结构概况

该地铁隧道位于杭州市萧山区,于2012年年底开通运营。盾构区间隧道管片内径为5 500 mm,隧道衬砌管片采用直线环+转弯环进行错缝拼装,壁厚为350 mm,环宽为1.2 m,采用C50混凝土,环向管片间用12个M30螺栓连接,纵向衬砌环间用16个M30螺栓连接。管片外弧侧设弹性密封垫,内弧侧设嵌缝槽。整个环面及分块面密贴,环与环、块与块以弯螺栓连接。环向螺栓、纵向螺栓均采用锌基铬酸盐+抗碱涂层作防腐蚀处理。

1.2 工程地质

该地铁区间隧道所处区域除地面表层有一层2-2粉质黏土层外,其余基本为淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土,淤泥质土层厚约30 m,隧道所处地层均为淤泥质土层。该淤泥质土层具有高压缩性,物理力学性质较差,且为沼气的主要储存层和气源层。隧道上部覆土厚约12 m。土层物理力学参数如表1所示,隧道区域土层分布示意图如图1所示。

图1 隧道区域土层分布示意图

表1 土层物理力学参数

1.3 地铁隧道管片变形情况和病害

隧道横断面管片收敛变形主要集中在上行线第1186环—第1137环、下行线第159环—第200环。管片的收敛变形值为46.7～65.5 mm,收敛变形大多处在50～60 mm范围,收敛变形小于50 mm的管片约占管片总数的10%,收敛变形大于60 mm的管片约占管片总数的13%。

除隧道管片横断面变形较大外,该范围隧道内管片裂缝主要位于管片拱顶位置,最大裂缝宽度约为0.43 mm,接缝最大张开量约为15 mm,环间错台量最大约为9 mm,上下行线各有两处管片破损和若干渗漏水点,上行线局部范围道床脱开。隧道病害分布情况如图2所示。

a) 上行线的管片收敛变形值及管片裂缝数量

2 隧道收敛变形机理分析

软土地层中的盾构隧道外部作用力主要有垂直和水平土压力、外水压力、侧向地层抗力、地层反力、地面超载、施工荷载及地震力等,本文将这些荷载简化为4个方向的作用力(P1—P4),隧道管片受力示意图如图3所示。常规情况下P2>P3=P4>P1,一旦发生地面超载即P1增大,或旁侧卸载P3或P4减小时,就会发生隧道管片横向受力变形增大的情况,即隧道横断面成为“横鸭蛋”状。

注:R为隧道外径。

3 隧道整治方案

当隧道管片发生横断面收敛变形较大时,整治措施通常从两方面着手:① 减小上部荷载,即降低P1;② 加大侧向压力,即增大P2。在单独减小P1的情况下,隧道管片和周边土体的应力将会重新分布,隧道管片收敛变形的改善效果并不明显。增大侧向压力对隧道管片收敛变形的改善作用较大,但若隧道管片的收敛变形是由于前期上覆附加荷载增大引起的,只增大侧向压力虽对隧道的收敛变形改善虽有所帮助,但由于隧道管片受压增大,需复核隧道管片结构的受力情况。

目前,增大管片侧向压力常用的方法为微扰动注浆,即通过注浆体填充提高隧道管片两侧的土体强度和土体侧压力,进而改善隧道管片的收敛变形情况。而软土地层中,由于隧道管片结构的刚度远大于周边软土地层,要达到整治目标需要多次注浆,且后期管片收敛变形反弹量较大,整体整治效果不佳。

本文采用MJS工法桩+微扰动注浆的形式对隧道管片的横断面收敛变形进行整治。隧道两侧各布置一排φ2 400 mm@1 700 mm的MJS工法桩作为隔离结构,桩中心距隧道外侧1.5 m,桩顶处于隧道上方0.5D(D为隧道洞径)处,桩底至隧道底部下方1.0D处。隧道及其上下0.5D范围内进行MJS半喷。微扰动注浆孔距离隧道外侧1.2 m,注浆范围为隧道顶至隧道底部下方1.0D处,注浆孔孔距为1.2 m。

4 整治方案效果分析

4.1 施工过程

MJS工法桩于2020年10月施工完成,于2021年1月开始微扰动注浆,2021年8月微扰动注浆完成,共历时约8个月。注浆时注一跳五(间隔注浆,相邻两次注浆的注浆孔之间应间隔不少于4个注浆孔),相邻注浆孔间隔天数不小于2 d。注浆期进行实时监测,一般于地铁停运后开始注浆,地铁运营恢复前结束注浆,基本注浆时间为晚上23:00至次日凌晨4:00左右,每15 min监测一次数据。注浆压力一般为0.3～0.5 MPa。注浆点布置示意图如图4所示。

图4 注浆点布置示意图

根据实时监测,注浆期的隧道管片横断面收敛变形有所减小,单次注浆以管片收敛变形3 mm控制,当收敛变形达到3 mm即停止注浆。施工期隧道的水平变形和竖向变形均有发生,隧道竖向变形以隆起为主,隧道水平变形方向为背离注浆侧,其变形量较小,一般不超过2 mm。

根据实际监测数据,2021-08-03和2021-08-05的隧道管片变形时程曲线图如图5所示。由图5可知:注浆前期隧道管片变形量较小,基本在0.5 mm以内;在注浆2～3 h后,当注浆量达到一定阈值,隧道管片的收敛变形、竖向变形和水平变形均有一个明显的变化过程,注浆持续30～45 min后基本就能达到单次注浆的目标值(3 mm);在达到目标值后,进入停止注浆期(2～3 h),隧道变形基本稳定,略有回弹,回弹量在0.5 mm以内。注浆期的主要影响区域发生于注浆孔对应环及邻近环(约2～3环)附近,对注浆孔对应环3环以外的影响量极小,故注浆基本为一环对应一注浆孔。

a) 2021-08-03的隧道管片竖向变形

4.2 整治效果

上下行线管片的收敛变形量、整治量和回弹量如图6所示。根据施工前后的监测结果,隧道管片横断面收敛变形整治效果总结如下:

a) 上行线的管片收敛变形

1) 整治期间,隧道管片收敛变形明显减小,管片的最大整治量达到了26 mm,大部分管片的整治量基本能达到5～20 mm,能有效改善隧道的收敛变形状况。隧道横断面收敛变形由原来的60 mm左右减小至50 mm以内,其横断面收敛减小量最大可达原横断面收敛变形的46%。

2) 加固完成后,隧道管片收敛变形会有一定的回弹量,收敛变形回弹量约为0～5 mm,收敛变形回弹量约为收敛变形整治量的0～20%。

3)注浆范围从隧道顶至隧道底部下方0.5D处,加固期隧道有一定的隆起量,但隆起量较小,整体加固期的隧道隆起变形约为5 mm,工后隧道有一定的沉降变形,但最终前期隧道隆起量与后期隧道沉降量基本相同,因此隧道总体的竖向变形量较小。

4) 整治期间,隧道横断面的水平位移有一定的波动,但由于注浆位于隧道两侧,故对隧道水平位移基本无影响。

5 结语

本文详细介绍了隧道管片横断面收敛变形情况及隧道内管片的相应病害,分析了管片横断面收敛变形产生的机理和相应的隧道管片横断面变形整治原理,本文采用MJS工法桩+微扰动注浆的形式对隧道管片的横断面收敛变形进行整治,主要获得以下结论:

1) 软土地层中,隧道管片的横断面收敛变形主要是由于隧道上方加载或旁侧卸荷引起的,管片横断面收敛变形增大会引起隧道内病害增加,进而影响地铁运营安全,甚至是危害隧道结构安全。

2) 软土地层中,隧道管片横断面收敛变形通常采用隧道上方卸载、隧道侧进行微扰动注浆或结合两种方法同时进行整治,但由于软土地层的特性,其整治效果有限。

3) MJS工法桩+微扰动注浆的形式能在软土层中形成一道隔离墙,从而约束隧道管片收敛整治过程中的注浆体,使注浆过程中的注浆体和注浆压力仅作用在隧道管片外侧一定的范围内,能达到明显的整治效果。收敛变形整治量能达到10～20 mm,整治后期管片收敛有一定的回弹,但由于MJS桩的隔离作用,回弹量较小,其最大值约为5 mm。

4) 本文使用的整治方案适用于软土地层中,隧道管片横断面收敛变形较大的盾构隧道,施工时需对称跳孔施工,施工过程中进行实时监测,以控制注浆压力和隧道管片变形量。

5) 注浆加固会增大隧道管片旁侧竖向土压力,进而引起隧道沉降变形,加强隧道底部的注浆能有效防止施工期和后期隧道的沉降变形。