史緒鑫， 孫吉晨

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司煙臺分公司，山東 煙臺 264000 2.青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266031)

0 引 言

為了優(yōu)化地鐵隧道結(jié)構(gòu)，提高整體的承載力與結(jié)構(gòu)強度，施工方已制定了嚴密且謹慎的作業(yè)方案，但按照標準化施工設(shè)計的成果在投入使用后，仍無法避免隧道出現(xiàn)沉降。因此，本文將基于注漿加固技術(shù)的應(yīng)用，以地鐵隧道結(jié)構(gòu)為例，設(shè)計一種沉降施工處理方法，解決結(jié)構(gòu)沉降問題，發(fā)揮地鐵在城市建設(shè)與發(fā)展中更高的效能[1]。

1 地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降原因分析

總結(jié)造成地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降的原因，主要為以下五點：

(1)地鐵隧道出現(xiàn)沉降現(xiàn)象最常見的階段為施工階段，在此階段中，施工行為的發(fā)生將會對隧道結(jié)構(gòu)周圍的土體造成擾動，擾動后的土體結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)承載力下降、失穩(wěn)等現(xiàn)象，當施工方?jīng)]有及時發(fā)現(xiàn)此種問題，或沒有及時進行土體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的加固處理，便會導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)在施工中出現(xiàn)沉降[2]。

(2)地鐵在建成并投入使用后，需要承擔由軌道下部向上傳遞的列車荷載，還需要承擔周邊建筑物傳導(dǎo)的受力，當集中受力長期存在不均勻現(xiàn)象時，便會出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)土體變形，自然而然地便會發(fā)生隧道不均勻沉降。此外，地鐵隧道整體結(jié)構(gòu)上部或頂部突然出現(xiàn)受力的變化(增加/減少荷載)、隧道周邊地下水流速與流向突然發(fā)生變化等現(xiàn)象，都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降[3]。并且，沉降現(xiàn)象是一個長期過程，以某地區(qū)發(fā)生沉降危險的地鐵隧道結(jié)構(gòu)為例，該工程在2005年建成，并在當年年底投入使用，運營10年后發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不規(guī)則沉降，在此后連續(xù)數(shù)年的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，該地鐵隧道的沉降每年都處于發(fā)展趨勢，甚至已經(jīng)影響到了地鐵的安全持續(xù)運營[4]。

(3)地鐵隧道結(jié)構(gòu)下方土層分布不均勻，也是造成地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降的主要原因之一。通常情況下，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的長度較大，當隧道沿著縱向方向上各個土層的穩(wěn)固性存在差異時，將會誘發(fā)地鐵隧道沉降風(fēng)險?？梢哉J為土層的厚度、土層的過渡情況、土層的有效埋深都會影響到地鐵隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當下部土層存在分布不均現(xiàn)象時，不同點的承載力將存在差異，如在一個區(qū)段中，A點可承載1 000 kN的重量，B點可以承載2 000 kN的重量，此時在A點與B點施加一個1 500 kN的重量，A點將發(fā)生沉降或變形，而B點將不會受到影響，在此種作用力的影響下，整體結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)受力不均的問題，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不均勻沉降。

(4)當?shù)罔F隧道工程所選的施工區(qū)域位于或涵蓋軟土地基時，隧道上方的荷載將直接造成地鐵結(jié)構(gòu)沉降。沉降原理與第三點相同。

(5)當?shù)罔F在隧道中行進時，隧道不僅要承受來自地鐵自身的荷載，也要承受地鐵行駛中的震動荷載。盡管現(xiàn)有研究成果證明了地鐵振動對隧道結(jié)構(gòu)的影響是相對較低的，但振動荷載與地下水影響發(fā)生重疊時，整體結(jié)構(gòu)在與道床的結(jié)合位置，將會出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)地下黏土層振陷[5]。此外，地鐵隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還會受到自然因素的影響，例如，當?shù)貐^(qū)出現(xiàn)地震災(zāi)害時，地鐵結(jié)構(gòu)又屬于地下結(jié)構(gòu)，自然而然地將受到影響。因此，在設(shè)計地鐵隧道結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注意對地鐵結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防設(shè)計。

2 注漿加固技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降處理中的應(yīng)用

2.1 注漿材料選擇

為實現(xiàn)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降的有效處理，在引入注漿加固技術(shù)前，針對注漿所需的材料進行合理選擇。綜合注漿材料的性質(zhì)，將其按照無機系和有機系進行劃分。通常情況下，注漿材料使用最頻繁的是水泥漿材料和化學(xué)漿材料[6]。其中，水泥漿材料為懸濁漿液，其強度極高，并且具有良好的抗?jié)B性能，且取材相對容易，在處理成本上能夠具備更高優(yōu)勢。但實際應(yīng)用中可灌性較差，并且凝固所需時間較長?；瘜W(xué)漿材料同樣具備良好的晶體強度，并且抗?jié)B性能良好，由于近幾年超細水泥的研制取得顯著成效，因此這一類注漿材料的可灌性得到有效提升，但實際應(yīng)用中取材難度較大并且價格十分昂貴[7]。除此之外，不同類型注漿材料的適用范圍見表1。

結(jié)合表1中記錄的無機系和有機系注漿材料適用范圍，綜合考慮地鐵隧道結(jié)構(gòu)的沉降處理需要，對注漿材料進行選擇[8]。同時，由于隧道結(jié)構(gòu)中巖土的縫隙相對較大，并且透水性較強，因此在具體施工過程中應(yīng)當選擇水灰比為0.5∶1.1的注漿材料，并將水泥灌漿與環(huán)氧化學(xué)漿液充分混合，得到沉降處理所需的注漿材料[8]。按照上述方式完成配備的注漿材料其吸水率能夠達到1.84%；漏斗黏度為25.3 s；凝膠初凝時間為10 min，凝膠終凝時間為15 min；結(jié)石濕容重為1.52 g/cm3；結(jié)石干容重為1.25 g/cm3。

2.2 注漿加固施工

在完成對注漿材料的選擇后，針對地鐵隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降的位置進行注漿加固施工在道床結(jié)構(gòu)上進行開孔處理，將孔徑尺寸設(shè)置為φ75 mm，將1個孔之間的距離設(shè)置為2.1 m，將套管的孔徑設(shè)置為φ72 mm，將套管的長度設(shè)置為850 mm。注漿孔位布置基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 注漿孔位布置基本結(jié)構(gòu)示意圖

按照圖1中的內(nèi)容完成對注漿孔位置的布設(shè)設(shè)計后，在實際開始鉆孔前還應(yīng)當對地鐵隧道結(jié)構(gòu)周圍的裂縫進行修補，并針對各個水溝嵌縫問題以及道床與襯砌之間嵌縫問題進行封堵處理，并采用環(huán)氧漿材料對其進行注漿[9]。圖2為裂縫修補結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 裂縫修補結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，1表示地鐵隧道暗挖區(qū)域內(nèi)整體道床，其厚度應(yīng)當控制在35～45 cm；2表示二襯混凝土結(jié)構(gòu)，其厚度應(yīng)當控制在25～35 cm；3表示ECB防水層結(jié)構(gòu)；4表示噴射混凝土保護層結(jié)構(gòu)，其厚度應(yīng)控制在25～35 cm；5表示水溝結(jié)構(gòu)；6表示地鐵隧道當中水溝結(jié)構(gòu)外側(cè)與二襯混凝土結(jié)構(gòu)之間形成的嵌縫；7表示水溝結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與道床之間形成的嵌縫。在完成對地鐵隧道內(nèi)部縫隙的封堵處理后，針對道床表面進行鉆孔施工。結(jié)合上述布置的注漿孔位置，在道床上完成對鉆機設(shè)備的安裝。結(jié)合鉆孔施工的要求，將鉆孔的孔徑設(shè)置為65 mm[10]。在鉆孔時應(yīng)當確保其開孔的垂直度符合沉降處理的要求，并將其誤差控制在0.5%以內(nèi)。同時，在處理過程中，應(yīng)當盡可能避免在結(jié)構(gòu)底板鋼筋周圍施工。同時，在沉降處理過程中，鉆孔質(zhì)量的好壞會直接影響到注漿加固技術(shù)的應(yīng)用效果，因此基于這一特點，針對鉆孔的方向、角度和孔徑等都需要進行嚴格的控制，并按照鉆機設(shè)備使用規(guī)范完成鉆孔作業(yè)。在完成鉆孔后，需要對鉆孔內(nèi)部進行清洗，并將規(guī)格為φ73 mm的孔口套管安裝在鉆孔結(jié)構(gòu)當中，利用早強水泥材料對孔口邊進行封閉處理，并在距離孔口4～6 cm的范圍內(nèi)完成對注漿封閉孔結(jié)構(gòu)的布設(shè)。完成上述操作后，在現(xiàn)場安裝灌漿設(shè)備，進行水泥灌漿，并在灌漿結(jié)束后，持續(xù)10 min 的穩(wěn)壓，最后完成灌漿[11]。待完全凝結(jié)后，針對第一個完成施工的鉆孔結(jié)構(gòu)進行掃孔，并待其結(jié)構(gòu)完全形成后，進行清孔處理。按照本文上述的灌漿流程完成灌漿后，將地表灌漿孔口管切斷，并向注漿管當中添加適量的水泥漿材料，再完成對鉆孔結(jié)構(gòu)的封孔處理。針對封孔材料的選擇，可選用環(huán)氧砂漿來實現(xiàn)。

2.3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)異常情況處理

按照本文上述內(nèi)容，在結(jié)合注漿加固技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對地鐵隧道沉降問題的處理，考慮到在實際處理過程中會遇到突發(fā)異常情況，為了確保施工整體的安全以及沉降處理質(zhì)量，還需要針對特殊情況提前給出相應(yīng)的處理方案。例如，當處理的過程中，灌漿泵出現(xiàn)了故障問題，則此時應(yīng)當立即停止灌漿，并判斷灌漿泵故障的具體原因，對其進行更換。當灌漿過程中進漿量不斷增加，并且達到無法控制的程度，應(yīng)當適當降低灌漿的濃度。同時，還應(yīng)當通過小泵量和低壓力相結(jié)合的方式完成注漿施工。當處理過程中出現(xiàn)跑漿的問題，則應(yīng)當立即停止注漿，并待完成外部堵漏處理后，才能夠繼續(xù)灌漿。當注漿的過程中灌漿壓力突然出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，則應(yīng)當立即對漿液的濃度進行調(diào)整，并適當縮短其凝膠的時間，確保灌漿的穩(wěn)定性，提高整體沉降處理質(zhì)量。同時，在進行沉降處理的工程中，還應(yīng)當適當增加備用泵的數(shù)量，確保在注漿泵出現(xiàn)故障時，能夠在第一時間將其更換，保證沉降處理的進度。當注漿的過程中漿液從其他灌漿孔出現(xiàn)，發(fā)生串漿現(xiàn)象時，還應(yīng)當針對漿液的濃度進行適當調(diào)整，并盡可能縮短凝膠的時間，避免串漿問題持續(xù)，提高沉降處理效率。

3 使用本文方法對比施工后地鐵結(jié)構(gòu)實際沉降量與預(yù)測沉降量

以某地區(qū)的地鐵隧道沉降處理工程為例，獲取該工程的概況信息，見表2。

表2 地鐵隧道沉降處理工程概況

根據(jù)施工方對該隧道地鐵數(shù)年的監(jiān)測可知，截至今日，該結(jié)構(gòu)沉降現(xiàn)象呈現(xiàn)發(fā)展趨勢，即沉降數(shù)值正逐年遞增，需要及時采取有效的施工措施進行沉降處理。

獲取工程監(jiān)測方反饋的數(shù)據(jù)可知，在2021年的最后一次監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，地鐵隧道左側(cè)區(qū)間已經(jīng)出現(xiàn)累計超過20 mm的沉降量，地鐵隧道右側(cè)區(qū)間已經(jīng)出現(xiàn)累計超過35 mm的沉降量。由于兩側(cè)沉降不均勻，導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)變形，結(jié)構(gòu)縫與頂板臺已發(fā)生了細微的錯位現(xiàn)象，錯位的距離超過18.0 mm。

施工中，根據(jù)地鐵結(jié)構(gòu)的整體處理需要，合理選擇注漿材料，按照標準化施工作業(yè)流程與施工方案，進行注漿加固施工。根據(jù)近年來對地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降的監(jiān)測可知，該結(jié)構(gòu)將繼續(xù)發(fā)生沉降。

按照本文設(shè)計方法對沉降的地鐵隧道進行施工，對比施工后地鐵結(jié)構(gòu)實際沉降量與預(yù)測沉降量。將對比結(jié)果繪制成曲線圖，如圖3所示。

圖3 地鐵隧道沉降對比

圖3中，Ⅰ階段與Ⅱ階段為地鐵隧道已發(fā)生沉降的階段，在時間點為A時開始地鐵隧道注漿加固施工作業(yè)，根據(jù)歷史沉降數(shù)據(jù)，預(yù)測該地鐵隧道在后續(xù)一段時間內(nèi)將繼續(xù)發(fā)生沉降，且沉降量將呈現(xiàn)逐年遞增趨勢。但在使用本文設(shè)計的加固沉降處理施工方法后，根據(jù)施工方與工程監(jiān)理方對施工成果的監(jiān)測可以看出，注漿加固施工處理后的地鐵隧道實際沉降值趨近于0，證明在完成施工后，地鐵隧道沉降現(xiàn)象被有效遏制，說明了本文研究設(shè)計的沉降處理方法可以解決地鐵沉降問題。

4 結(jié)束語

本文開展了注漿加固技術(shù)在地鐵隧道結(jié)構(gòu)沉降處理中的應(yīng)用研究，對比實驗結(jié)果表明，本文研究設(shè)計的沉降處理方法可以解決地鐵沉降問題，按照設(shè)計的施工方法進行工程施工，可以保證地鐵隧道在后期的使用中不發(fā)生持續(xù)沉降問題?？傊?，地鐵沉降問題是國家重點關(guān)注的問題，也是保證人們?nèi)粘３鲂邪踩年P(guān)鍵。因此，要持續(xù)加大對此項工程的投入，定期進行地鐵沉降的監(jiān)測，掌握地鐵隧道結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)造成影響的因素，在保證列車安全行駛的前提下，控制地鐵沉降，解決工程問題?？傮w來說，在城市建設(shè)逐步完善的產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下，城市人口呈現(xiàn)與日俱增的趨勢，而地鐵是綠色出行中的主要工具，要想保證城市經(jīng)濟的發(fā)展，便要將此項工作作為重點工作，給予足夠的重視，以保證地鐵隧道成為推動與優(yōu)化城市發(fā)展的關(guān)鍵。