软土地层地铁区间隧道抗震加固设计研究

薛 珏

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

经过长期发展，我国的地铁建设施工技术逐渐完善，但仍存在加固维护问题[1]。随着地铁使用时间增加，其原本的运行隧道会因荷载动力不均匀而出现耦合性振动故障，直接影响地铁的稳定性。除此之外，受大量动力荷载影响[2]，地铁隧道的结构也会出现细微变形和各种各样的变形裂缝，一旦不及时进行控制这些裂缝，在地震等自然灾害中很容易导致整个隧道坍塌，对地铁的运行安全造成严重威胁[3]，因此，需要进行有效地铁间隧道抗震加固设计。

软土地层是一种较常见的地层结构，其主要由含水量较高、承载性较低的碎石土、沙土等组成。其具有几个基础特性[4]，首先是触变性，即当软土地层受外力影响后，极易出现振动或起伏，使整个地层滑动，增加地基的沉降风险，不仅如此，当部分土体受到破坏后，软土地层还会进行多向滑动[5]，导致土体滑移问题。其次，软土地层具有较强的流变性，其水分含量较高，在外界环境影响下，土壤中的水分会不断发生改变，使土壤产生徐变力，造成地基剪切变形。最后，软土地层具有较强的压缩性[6]，对软土地层组成进行分析发现，其内部颗粒的空隙较大，充盈大量的水分与空气，在施工过程中，容易导致水分空气压缩，出现软土均值沉降。因此，在软土地层的地铁区间隧道施工难度较高[7]。该文根据软土地层的特点，提出了一种有效的地铁区间隧道抗震加固优化设计方法，为提高软土地层的施工可靠性做出贡献。

1 软土地层地铁区间隧道抗震加固优化设计

1.1 浅埋暗挖布置隧道路面结构

软土地层的自稳能力较差，若使用常规的开挖技术很容易导致侧向塌方，针对上述问题，该文设计的抗震优化加固技术使用浅埋暗挖法布置了隧道路面结构。在地铁隧道两端[8]，需要使用管棚注浆技术进行支护处理，开挖若干个路面布置隧道。在隧道路面结构布置过程中，为了保证路面结构的支护可靠性，需要使用超小导管进行灌注浆支护，开挖满足浅埋暗挖要求的导洞。待上述步骤完毕后，需要开挖侧向、中柱孔桩，进行注浆处理，布设路面支撑板。全部过程完毕后，再进行基底封闭，使用侧向顺作法进行衬砌处理[9]，分层对隧道路面结构进行浇筑。在软土地层中，一旦隧道侧向应力发生改变，路面结构会立即出现细微裂缝，影响隧道抗震加固结果。因此，该文使用混凝土裂缝抵抗板，调整了路面的基础布置结构，路面结构布置如图1所示。

图1 隧道路面结构布置示意图

由图1 可知，风亭也可以作为路面结构布置的临时施工管棚，连接东西路面开挖断面。在路面结构布置的过程中，需要注意地层与隧道上部弧形的关系，提高拱部的可靠性。

隧道路面的南北两侧的结构与中间不同，该文使用盖挖半逆作法设置施工临时立柱，将基坑填至顶板表面，待浇筑完成后，进行路面恢复，依次铺设施工板。新布置的隧道路面结构与原本结构相差较大，新型路面结构使用预制钢筋砼板作为面板材料，厚度适中，纵梁使用HN700×300 型钢。新型隧道路面的稳定性更高，能最大程度地提高路面的抗震可靠性。新型路面结构主要使用临时路面梁做支撑，底部设置了端构架，能与路面两端进行横纵向联结，从而提高了路面的刚度。隧道路面在地铁运行的过程中荷载会发生变化，因此在路面结构布置时需要计算构件轴力a，如公式（1）所示。

式中：k为横纵向最小内力，结合上述的折减系数，可以进行循环处理，对荷载进行计算循环，从而调整路面结构的横纵向内力，提高隧道路面结构的抗震加固效果。

1.2 开挖隧道围护加固止水桩

软土地层具有较强的流动性，需要使用有效的围护结构进行止水处理，避免隧道坍塌，该文选取1.2m 的止水桩作为止水结构，开挖了隧道围护止水桩，此时的止水桩排布示意图如图2所示。

图2 围护止水桩排布示意图

由图2 可知，在开挖过程中，需要使用交替处理法关注砼护壁，直至其满足隧道加固设计要求，此时使用潜水泵进行抽水处理，若此时的排水量满足隧道施工要求，则可以进行下一施工步骤，反之需要进行注浆加固处理，保障施工安全，避免出现施工塌陷。

围护止水桩的桩身开挖长度要保证在一定范围内，需要根据该开挖程度调整护壁厚度，避免隧道地面的水流入孔桩中。受隧道组成结构影响，需要对其进行钢支撑抗震加固处理，即使用挖掘机进行盖挖，在保证基坑稳定的基础上安装隧道主体支撑钢结构，保证钢结构的水平间距合理。

地铁区间隧道的主体选用双层大跨度钢筋砼框架结构，设置独立的沉降缝隙，可以按照沉降长度调整孔洞立柱，进行纵向弯矩处理，使开挖端满足设计标高。隧道抗震加固模板选用竹胶板，导管选用钢模导管，利用满堂脚手架进行泵送处理。为了保证不同梁节点的安装效果，该文使用龙门吊车安装支撑钢筋模板，完成开挖工作。加固施工混凝土通过出入口进行泵送循环，完成施工材料供应。

不同施工结构的裂缝产生风险不同，因此，可以将隧道抗震加固施工主体结构划分成多个施工段，针对每个施工段进行统一化处理。使用的加固装置采用双渗粉煤灰材料，严格控制塌落度。砼结构的入模温度需要满足浇筑需求，尽量避免夜间浇筑，提高振捣质量。在容易发生裂缝的部位需要进行养护处理，铺设钢筋止水网片，实现防水与堵漏。

1.3 水平旋喷桩超前隧道抗震预加固

常规的袖阀管注浆加固技术进行抗震加固处理时可能会破坏切割隧道土体，部分土体受浆液喷射作用影响混合为水泥土，通过多种作用力进行排列，降低隧道结果的可靠性，水平旋喷桩预加固可以降低旋喷对土体的影响形成固结桩体提高隧道的抗剪强度。水平旋喷桩在旋喷的过程中可以进行相互咬合，形成一个水泥固结拱壳，提高隧道的抗震性，降低隧道的沉降风险。

进行水平旋喷桩超前隧道抗震预加固可以形成一个相对完整的隧道加固拱壳，使整个隧道的受力更均匀。除此之外，该抗震加固方法形成的旋喷桩重叠比较规则，可以通过调整旋喷桩直径控制抗震加固方向，提高隧道的土体强度，减少软土地层对隧道施工造成的干扰，在水平旋喷桩施工的过程中需要注意土体的自稳性，此时生成的水平旋喷桩超前隧道抗震预加固施工流程如图3所示。

图3 水平旋喷桩超前隧道预加固施工流程

由图3 可知，结合上述的水平旋喷桩超前隧道抗震预加固施工流程可以有效调整旋喷桩尾部的位置，使用小型导管进行补充注浆处理，可以最大程度地提高隧道围岩的加固抗震止水效果。在施工的过程中，需要有效地进行泥浆处理，对部分旋喷加固部分进行补充，提高抗震加固施工的施工效率。

2 实例分析

2.1 概况及准备

结合软土地层地铁区间隧道抗震加固设计实例分析要求，该文选取某工程进行实例分析，已知某工程位于某市的铁路穿越区，全场为1586.25m，工程最小曲线半径为1500m，存在“V”字施工坡度。根据隧道抗震加固施工设计要求，该工程选用高压旋喷加固的方式，其旋喷直径为600m，旋喷桩间距为800mm，该工程示意图如图4所示。

图4 某工程示意图

为验证所提技术的实用性，使用该文设计方法进行抗震加固。先浅埋暗挖布置隧道路面结构，然后开挖隧道围护加固止水桩，最后进行水平旋喷桩超前隧道抗震预加固。由于某工程的隧道加固均匀性较差，抗压强度相对较低，因此，该工程设置了6.2m 的有效加固桩，使用单重管进行翻浆施工，并且在施工过程中，还预设了排浆沟，使其满足抗震加固需求。

2.2 抗震加固结果

结合上述的施工概况及准备，可以进行地铁区间隧道抗震加固设计实例分析，使用该文设计的软土地层地铁区间隧道抗震加固优化设计方法进行施工，抗震加固施工结果见表1。

表1 抗震加固施工结果

由表1 可知，使用该文设计的软土地层地铁区间隧道抗震加固优化设计方法进行施工后，各个监测点号的拱顶沉降满足施工预警要求，证明该文设计的软土地层地铁区间隧道抗震加固优化设计方法的施工效果较好，具有可靠性和应用价值。

3 结语

综上所述，地铁是我国重要的交通工具，研究表明，目前我国开通地铁的城市已经超过了40 个，地铁隧道的建设长度也突破了7000km，地铁对人们的日常出行有重要作用。但某些软土地层区域的地铁隧道经常出现裂缝问题，一旦出现地震等灾害会导致隧道坍塌，会对地铁的安全运行造成威胁。常规的软土地层区间隧道抗震加固设计方法主要使用袖阀管注浆加固技术处理隧道路基结构，易受隧道盾构下穿作用影响，导致隧道拱顶沉降过高，不符合软土地层的地铁区间隧道施工要求，因此，该文结合软土地层的特点，对地铁区间隧道进行了抗震加固设计。实例分析结果表明，该文提出的设计方法的拱顶沉降变化状态符合施工要求，具有可靠性，有一定的应用价值，为降低地铁区间隧道运行风险做出贡献。