樓朝偉，趙冬旭

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430050；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001)

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地鐵隧道下穿淤泥地層工法比選及技術探討

樓朝偉1，趙冬旭2

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430050；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，合肥 230001)

以廣州地鐵4號線南延段地鐵隧道下穿深厚淤泥層為背景，從方案論證、管片特殊設計以及軟基加固等幾個方面進行比選和優(yōu)化，解決淤泥地層盾構隧道偏心受壓和工后隧道沉降量大的問題。得出如下結論：淤泥層區(qū)間設計應優(yōu)先選用盾構法，在淤泥層深厚區(qū)域結合周邊環(huán)境及車站選型選用大盾構可降低總成本，減少后期地鐵保護難度；在欠固結、存在滑移趨勢的淤泥層中應特別重視偏心受壓對盾構管片的影響，可通過增加管片配筋提高抗彎、抗裂性能，通過增設變形縫提高結構柔度等措施提高管片受力狀況及耐久性。

地鐵；深厚淤泥層；大盾構；加固；偏心受壓；沉降

為了有效緩解城市公共交通問題，中國已累計有26個城市建成投運城軌線路116條，運營線路長度3 612 km(含鄭州機場線、蘭州機場線)[1]，2015年新增15條運營線路，運營線路長度438 km。伴隨著地鐵運營長度的急速增長，一系列相關問題也逐漸暴露出來。自地鐵運營開始，由于地質條件、外界環(huán)境、列車振動等諸多因素的影響，運營期間區(qū)間隧道沉降量隨時間不斷增大并有逐漸惡化趨勢，圖1統(tǒng)計了某城市地鐵2002～2011年管片沉降變化趨勢。

圖1 某城市地鐵管片沉降隨時間變化曲線

較大的不均勻沉降將直接影響地鐵運行安全，這種現(xiàn)象廣泛存在于埋設于軟土中的既有地鐵隧道，特別是沿江、沿海等淤泥層深厚城市[2-4]。為了更好地把握軟土隧道中結構的設計規(guī)律，對該地區(qū)軟土區(qū)間隧道的研究和經(jīng)驗總結工作顯得越來越具有實用性和指導作用。

1 廣州地鐵4號線南延段淤泥層介紹

廣州地鐵4號線南延段線路長約12.6 km，全線6個區(qū)間、2條停車場出入線除金洲—金隆區(qū)間、東出入場線外，其余區(qū)間淤泥層均廣泛分布。沿線軟土層厚度變化大，大致為西出入場線靠寡涌、廣隆涌、廣隆—大涌區(qū)間靠大涌、塘坑—資訊園區(qū)間靠三勝圍，資訊園—南沙客運港區(qū)間靠南沙客運港站淤泥層分布較廣，埋深較深，其中南沙客運港站附近軟土厚可達近30 m。

淤泥層主要為海陸交互相沉積層，分層及其特征如下。

〈2-1A〉淤泥：呈深灰色、灰黑色，主要由黏粒及有機質組成，含較多粉砂及貝殼碎片，飽和，流塑，具臭味。含水量平均61%，孔隙比1.69。

〈2-1B〉淤泥質土：灰色、黑色，飽和，流-軟塑，有腥臭味，以黏粒為主，局部含有腐植質。局部分布，含水量平均49.7%，孔隙比1.28。

各區(qū)間軟土物理力學指標見表1。

表1 各區(qū)間淤泥層物理力學指標

表1中物理力學參數(shù)表明：相對于其他區(qū)間軟土，資訊園—南沙客運港區(qū)間軟土分布更廣泛、含水量相對更高、壓縮模量更低、土體承載力更低、滲透性更差，屬于淤泥層中的力學性質更差的特殊段，需考慮做特殊設計。

2 淤泥地層工法的比較

海陸交互相沉積淤泥層〈2-1A〉及淤泥質土層〈2-1B〉具有含水量高，孔隙比大，壓縮性高，靈敏度高的特點。隧道基底位于淤泥層，在上部荷載或振動作用下易產生固結變形和不均勻沉降[5-7]。目前隧道周邊地塊尚未大規(guī)模開發(fā)，開發(fā)過程地下水位下降，孔隙水被擠出，軟土蠕動變形將引起地面沉降及隧道單側偏壓[8-9]，從地鐵自我保護角度出發(fā)，區(qū)間隧道方案宜考慮深、厚淤泥層對隧道結構的影響。

2.1 一般段淤泥層工法比較

根據(jù)規(guī)劃、場地條件及工程地質，區(qū)間隧道可供選擇的工法主要有淺埋明挖+地基加固、淺埋明挖地下橋、雙洞單線小盾構、單洞雙線大盾構。淺埋明挖隧道基底位于淤泥層，淤泥層承載力低，靈敏度高，在上部荷載或振動作用下固結變形，沉降無法滿足運營要求，如采取地基加固，加固工程量大，不經(jīng)濟。采用地下橋可以解決隧道使用過程中沉降的問題，基底采用工程樁，可減少加固工程量，經(jīng)濟上要優(yōu)于淺埋明挖+基底加固。但淤泥地層圍護結構成本高，施工期間交通疏解、管線遷移工作量大，不宜在城市道路下方實施。

盾構中埋+局部地段地基加固方案可以減少交通疏解、管線遷移工作量，同時施工過程中對環(huán)境的影響相對較小，施工風險也顯著下降，對金隆—資訊園區(qū)段、西出入場線大部分區(qū)域淤泥層埋置深度不深，常規(guī)6 000 mm小盾構可滿足受力需要，對盾構中埋+局部基底加固方案與淺埋明挖地下橋方案對比如表2所示。

2.2 特殊段淤泥層工法比較

資訊園—南沙客運港區(qū)間淤泥層深度普遍較深，尤其是區(qū)間后半段，靠珠江入?？?，淤泥層最深達30 m，軟土標貫擊數(shù)和物理力學指標也明顯較其他區(qū)間低，小盾構中埋+基底加固方案基底加固深度深、范圍較大，結合南沙客運港站遠期與地鐵15號線換乘，從降低15號線建設難度出發(fā)，4號線南延段軌道層宜設置在地下負三層，這為采用單洞雙線大盾構提供了條件。

目前國內公路、市政雙向4車道盾構外徑多在11.0～11.6 m，該尺寸盾構機國內保有量較大。φ11.0～11.6 m盾構隧道限界能較好地適應地鐵單洞雙線隧道，雖然資南區(qū)間大盾構隧道長度不長，但盾構機無需定制，成本并不會很高。外徑11.3 m 大盾構管片厚500 mm，隧道抗推剛度大，能更好地適應周邊地塊開發(fā)過程中淤泥層蠕變、側向位移對隧道的影響[10-13]。大盾構基底可基本避開淤泥層，減少了基底加固費用，總體造價基本與小盾構中埋+基底加固相當。資訊園—南沙客運港區(qū)間雙線盾構方案與局部單洞雙線大盾構方案綜合比選見表3。

表2 盾構中埋方案與明挖淺埋方案綜合比選

表3 雙線盾構與局部大盾構綜合比選

3 針對淤泥地層盾構的特殊設計

淤泥地層盾構的設計主要從提高管片自身抗彎、抗變形能力和改善盾構周邊土體強度兩種途徑來減少淤泥層起對盾構隧道的不利影響。

3.1 管片的特殊設計

3.1.1 提高管片自身抗彎能力

淤泥層抗剪強度低，水平及豎向土層地基系數(shù)僅6～7 MPa/m，約為其周邊土層地基系數(shù)的1/4～1/5，土側壓力系數(shù)高達0.75，遠大于其他土層。盾構下穿淤泥層承受更大的水土壓力，在土層分界面，盾構變形不協(xié)調引起管片內力局部偏大現(xiàn)象更為明顯。4號線南延段北側靠山，南側近海，淤泥層較厚區(qū)段線路基本為東西走向，根據(jù)勘測報告，左右線盾構淤泥層埋深差異較大，淤泥層傾角局部近45°(圖2)，盾構兩側位于不同地層，管片承受側向非對稱土壓力作用，土壓力及土抗力均差別較大，有必要對其受力變形特性進行詳細分析。計算采用Midas/GTS三維巖土有限元分析軟件，按地層結構模型模擬盾構在淤泥層中的受力狀況。土層選用Mohr-Coulomb本構模型，管片選用各向同性彈性本構模型，盾構位于淤泥層與一般地層盾構管片內力[14-15]比較見圖3。

圖2 淤泥層橫斷面分布

圖3 淤泥層段與一般段盾構管片內力比較

計算結果表明：管片在偏壓荷載作用下內力分布圖發(fā)生了明顯變化。一般地層的管片彎矩、軸力沿管片中軸線對稱分布，最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂，最大負彎矩出現(xiàn)在側墻；淤泥地層盾構隧道在承受偏壓作用下，管片內力圖雖仍對稱，但對稱軸基本與淤泥層分界線垂直。在同等埋深工況下，一般地層管片每延米最大負彎矩82.87 kN·m，最大正彎矩86.23 kN·m；淤泥層管片最大負彎矩99.85 kN·m，最大正彎矩114.10 kN·m。負彎矩較一般段大約20.5%，正彎矩較一般段大約32.3%，有必要增強管片配筋以提高結構抗彎能力。

3.1.2 提高隧道變形能力

車站和區(qū)間結構剛度的差異，導致在結構連接的薄弱部位容易產生較大變形，甚至出現(xiàn)不協(xié)調變形[16-17]。同時，區(qū)間大盾構直徑較大，拼裝誤差容易造成管片張口較大，區(qū)間管片之間的防水主要通過三元乙丙彈性密封墊等防水材料通過壓縮變形以達到密封防水效果，若采用與小盾構一樣的密封墊厚度容易引起壓縮不密實，為保證區(qū)間大盾構在與車站連接處的防水性能，增強結構在連接部位的柔度，提高隧道變形能力，在區(qū)間與車站銜接位置設置變形縫。變形縫處加厚防水材料，做法為：在三元乙丙彈性密封墊普通橡膠環(huán)框的環(huán)面上加貼3 mm×32 mm矩形遇水膨脹橡膠條；在遇水膨脹橡膠密封墊環(huán)框的環(huán)面上加貼3 mm厚遇水膨脹橡膠條。變形縫設置在始發(fā)、到達加固區(qū)邊緣，每道變形縫連續(xù)設置兩環(huán)。大盾構與車站連接處變形縫特殊設計如圖4所示。

圖4 大盾構與車站連接處變形縫特殊設計

3.2 淤泥地層的加固設計(圖5)

為減少地鐵運營區(qū)間不均勻沉降，提高隧道抗推及自我保護能力，保證地鐵運營期間安全，對盾構基底軟弱地層進行加固。

加固采用格柵布置φ850@600 mm三軸攪拌樁地面加固[18-19]，涉及管線施工困難區(qū)域采用格柵布置φ800@600 mm雙管旋噴樁替代加固。加固橫向至盾構外側2.8 m，底部穿透〈2-1A〉淤泥層、〈2-1B〉淤泥質土層進入下部土層0.5 m。加固后，大、小盾構加固體面積置換率均取盾構基底范圍內加固體，面積置換率均為0.577，對有黏結強度增強體復合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)7.1.5-2條進行計算。

0.8(1-0.577)×65=166 kPa

式中fspk——復合地基承載力特征值；

λ——單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，宜按當?shù)亟?jīng)驗取值；

m——面積置換率；

Ra——單樁承載力特征值，kN；

Ap——樁截面積，m2；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。

地基加固后的復合地基承載力特征值理論計算值為166 kPa，滿足承載力要求。

圖5 三軸攪拌樁加固平面布置(單位：mm)

4 結論

通過對地鐵4號線南延段隧道下穿淤泥層工法技術、經(jīng)濟分析及對管片數(shù)值模擬計算，得出以下結論。

(1)對于周邊環(huán)境復雜，淤泥層埋深較淺地段，相比于明挖法和地下橋方案，小盾構中埋方案管線遷改、交通疏解難度小，工程造價低，通過合理選擇持力層、優(yōu)化管片配筋輔以局部加固，可滿足受力及工后沉降的要求，可實施性強。

(2)對于地質條件較差、淤泥層深厚區(qū)域，相比小盾構中埋方案，在區(qū)間線路條件允許的情況下，采用單洞雙線大直徑盾構方案可減少加固工程量、降低施工及后期地鐵保護難度，利于運營維護，方案的選擇應結合相鄰車站選型、周邊建筑物情況及工程總體造價綜合考慮。

(3)在欠固結、存在滑移趨勢的淤泥層中應特別重視偏心受壓對盾構管片的影響，可通過增加管片配筋提高抗彎、抗裂性能、增設變形縫提高結構柔度等措施提高管片抗變形能力及耐久性。

(4)根據(jù)上海、廣州建成盾構隧道監(jiān)測結果，淤泥層失水固結易引起隧道沉降，在條件允許的情況下建議適當加大盾構內徑，為后期調線預留條件。

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Comparison of Constructive Method and Technological Discussion on Metro Tunnel in Silt Layer

LOU Chao-wei1， ZHAO Dong-xu2

(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China;2.Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Hefei 230000， China)

Based on the southern extension of line 4 of Guangzhou subway， the main aim of this paper is to solve the eccentric compression and after-construction settlement of the shield tunnel in silt layer by means of comparison and optimization of construction method， special design of segments and soft foundation consolidation. The results show that shield tunnel should be selected preferentially for tunnels in silt layer; where the silt layer is very deep， large diameter shield tunnel can be best selected to lower the cost and reduce the difficulties in later metro protection; where located in less consolidated soil with potential slippage， the segments are likely to suffer eccentric compression， which can be avoided by adding more reinforcing bar to improve bending and cracking resistance and by setting additional deformation joints to improve segment stress condition and durability.

Metro; Deep silt layer; Large diameter shield tunnel; Reinforcement; Eccentric compression; Settlement

2016-03-01；

2016-05-30

樓朝偉(1981—)，男，高級工程師，2003年畢業(yè)于華東交通大學土木建筑學院，工學學士，E-mail：chaoweilou@qq.com。

1004-2954(2016)12-0099-05

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.022