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        地鐵隧道變形分析及治理加固技術(shù)研究

        2022-07-13 05:19:48莊緒良
        鐵道建筑技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:工后水塘管片

        莊緒良

        (中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899)

        1 引言

        隨著城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展、交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)以及盾構(gòu)施工技術(shù)的日趨成熟,城市地鐵建設(shè)步伐日益增快[1-2]。然而,面對(duì)不同地域復(fù)雜的地質(zhì)條件,在地鐵修建與運(yùn)營(yíng)過程中,經(jīng)常出現(xiàn)隧道沉降及收斂變形異常,對(duì)隧道質(zhì)量和周邊環(huán)境帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。很多學(xué)者針對(duì)隧道沉降和收斂變形做了大量研究,彭鵬等[3]利用正交試驗(yàn)分析加固參數(shù)對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響,并以模糊決策理論為基礎(chǔ),得出隧道拱頂沉降的特征。不少學(xué)者[4~6]研究了加固措施對(duì)隧道沉降收斂變形的影響和治理效果,周立俊等[7]建立了基于GA-SVR的地鐵隧道沉降預(yù)測(cè)模型,對(duì)地鐵沉降進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。楊兆等[8]基于有限元數(shù)值模擬,分析盾構(gòu)施工引起的地層沉降和結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。陳森森等[9]對(duì)盾構(gòu)隧道滲漏水原因進(jìn)行分析,提出修復(fù)拼縫密封膠系統(tǒng)和回填灌漿的綜合處理措施。

        目前鮮有全面研究軟土地層地鐵隧道沉降收斂的原因及處理方法,本文以南京地鐵2號(hào)線西延天保街站-青蓮街站區(qū)間隧道變形治理為依托,對(duì)地鐵隧道沉降收斂變形異常狀況進(jìn)行分析,并針對(duì)性采用綜合處理技術(shù),為地鐵隧道變形治理提供參考。

        2 工程背景

        天保街站-青蓮街站區(qū)間上行線起訖里程為2WYK1+307.345 m~2WYK2+352.662 m,下行線起訖里程為2WZK1+307.345 m~2WZK2+352.662 m,上、下行線隧道長(zhǎng)度分別為1 045.417 m和1 048.540 m。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

        區(qū)間隧道施工時(shí)隧道上方為秦新路施工場(chǎng)地,隧道頂距離原狀覆土最小處為2.5 m,地鐵區(qū)間施工前秦新路覆土回填土最深為4.92 m,剩余0.47 m水穩(wěn)層未施工,如圖1所示。

        圖1 天保街站-青蓮街站區(qū)間隧道平剖面

        隧道完工一段時(shí)間后,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,天保街站-青蓮街站區(qū)間上行線2WYK2+025.850 m~2WYK2+297.740 m、下行線2WZK2+014.330 m~2WZK2+294.680 m段,即成型隧道600~825環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較為嚴(yán)重沉降與收斂超標(biāo),進(jìn)而發(fā)生較大管片錯(cuò)臺(tái),局部超過20 mm,并出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。為保證區(qū)間隧道行車安全,需對(duì)異常變形區(qū)段采取針對(duì)性治理措施,確保隧道結(jié)構(gòu)本身安全和行車安全。

        3 隧道變形描述及原因分析

        3.1 沉降收斂情況

        (1)沉降變形

        天青區(qū)間成型隧道工后沉降監(jiān)測(cè)于2020年4月份開始,監(jiān)測(cè)頻率為每月一次,截至2021年1月份共完成8期。

        工后沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)600環(huán)~825環(huán)為:左線總沉降累計(jì)最大值為-68.7 mm,工后沉降累計(jì)最大-28.10 mm,隧道工后沉降速率為-0.01~-0.05 mm/d;右線總沉降累計(jì)最大值為-88.8 mm,工后沉降累計(jì)最大-43.20 mm,隧道工后沉降速率為-0.02~-0.11 mm/d,如圖2所示。

        圖2 右線隧道工后沉降變化曲線

        根據(jù)《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)規(guī)定,最后100 d的沉降速率小于0.04 mm/d時(shí)方可判定隧道處于穩(wěn)定階段。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,天青區(qū)間600環(huán)~825環(huán)沉降未進(jìn)入穩(wěn)定階段。

        (2)收斂變形

        基于2020年10月份全斷面掃描結(jié)果,監(jiān)測(cè)頻率為每月一次,截至2021年1月份共完成3期監(jiān)測(cè)報(bào)表。

        水平收斂觀測(cè)數(shù)據(jù)600環(huán)~825環(huán)為:左線收斂與10月份相比累計(jì)最大增量為13.3 mm,環(huán)號(hào)為715環(huán);右線收斂與10月份相比累計(jì)最大增量為10.0 mm,環(huán)號(hào)為661環(huán),如圖3所示。

        圖3 右線隧道結(jié)構(gòu)收斂變化曲線

        3.2 表觀病害情況

        對(duì)600環(huán)~825環(huán)區(qū)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)病害巡查,發(fā)現(xiàn)病害情況為:左右線管片均存在較為嚴(yán)重的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,錯(cuò)臺(tái)量基本在3~15 mm和5~20 mm之間,局部管片錯(cuò)臺(tái)達(dá)22 mm,且左右線均存在較為嚴(yán)重管片滲漏水情況。病害排查結(jié)果如圖4所示。

        3.3 隧道周邊環(huán)境調(diào)查

        經(jīng)查閱相關(guān)地形及勘察資料得知,在區(qū)間隧道工后變形變化較大處存在一處水塘,水塘東西長(zhǎng)約270 m,南北寬約140 m,水面高程為5.60 m,水深約1.6 m,如圖5所示。同時(shí)發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道線路范圍內(nèi)有大面積填土堆積分布,填土層最厚達(dá)11.5 m,填土密實(shí)度、均勻性、穩(wěn)定性較差。

        圖5 秦新路施工前后原地貌水塘與區(qū)間位置

        3.4 隧道沉降收斂原因分析

        通過有限元分析(如圖6所示),獲取不同地基工況下左右線隧道豎向位移及水平收斂數(shù)據(jù),如表1所示,并通過取芯對(duì)其驗(yàn)證,繪制位移、收斂曲線(豎向位移正值表示向下沉降,水平收斂正值代表“扁鴨蛋”變形,位移值及收斂值均為隧道總變形量),如圖7所示。

        圖6 有限元分析結(jié)果

        表1 隧道位移及收斂數(shù)值模擬情況 mm

        圖7 不同工況下隧道位移及收斂曲線

        基于周邊環(huán)境調(diào)查和隧道下地基鉆孔取芯結(jié)果驗(yàn)證,盾構(gòu)區(qū)間沉降及收斂變形原因分析如下:

        (1)隧道處于長(zhǎng)江漫灘深厚軟流塑地層,具有高飽和、低強(qiáng)度、高壓縮性、高靈敏度和流變性。在秦新路大面積、高覆填土堆載的長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降,盾構(gòu)隧道隨圍巖固結(jié)沉降而發(fā)生沉降。

        (2)隧道在軟弱土層固結(jié)沉降拖曳下,隧道頂、底沉降差造成隧道成壓扁狀,發(fā)生較大的收斂變形。

        (3)異常區(qū)段隧道為水塘回填區(qū),在回填土超載作用下,水塘邊坡及下臥軟弱土層產(chǎn)生滑移趨勢(shì),導(dǎo)致盾構(gòu)圍巖側(cè)向約束減弱,形成側(cè)向卸載模式,增大其收斂變形,同時(shí)產(chǎn)生向水塘側(cè)水平位移。

        4 隧道沉降及收斂變形治理措施

        根據(jù)變形機(jī)理分析,采用外控內(nèi)治的原則對(duì)隧道進(jìn)行加固,即洞外采用鉆孔灌注樁隔離、水塘回填、MJS工法樁隧底加固,洞內(nèi)采用深孔注漿、安裝洞內(nèi)鋼環(huán)內(nèi)襯的綜合治理方案。

        4.1 隧道外加固

        (1)設(shè)置隔離樁

        沿秦新路施工回填后的水塘邊設(shè)置一排φ1 000 mm鉆孔灌注樁+φ800 mm雙重管高壓旋噴樁止水+樁頂1 000×800 mm冠梁的隔離支護(hù)體系。隔離樁設(shè)置長(zhǎng)度按超出水塘區(qū)域兩側(cè)各10 m控制,樁長(zhǎng)按間隔入巖1.5 m,非入巖樁樁底入砂層按2.5 m控制。

        (2)水塘回填

        對(duì)隔離柱外側(cè)水塘區(qū)域清淤后回填(20 m寬)至路基頂進(jìn)行反堆載。

        (3)MJS加固

        根據(jù)區(qū)間隧道沉降及收斂數(shù)值大小,采取不同MJS加固型式。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分為收斂≥80 mm,收斂 <80 mm、變形 >60 mm,收斂≤60 mm、變形>50 mm,收斂≤50 mm、變形>35 mm等四種情況,分別采用隧道外側(cè)及拱腰以下施工4 000 mm樁徑160°擺噴、3 000 mm 樁徑 160°擺噴、3 000 mm 樁徑90°擺噴、2 000 mm樁徑100°擺噴,隧道拱腰以上內(nèi)側(cè)為2 000 mm樁徑180°擺噴的MJS樁。按樁徑4 000、3 000、2 000 mm區(qū)分,水泥摻量分別按55%、50%、40%控制,樁底以深入砂層大于0.5 m控制。隧道拱腰以上MJS樁按內(nèi)側(cè)樁徑2 000 mm、水泥摻量40%控制。

        根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)剛度、圍巖性質(zhì)和加固段隧道結(jié)構(gòu)縱向變化及結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺(tái)情況,結(jié)合MJS施工階段地基擾動(dòng)和水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)過程的影響因素,采用隧道兩側(cè)同步施工的方式,跳樁施工,跳樁間隔距離為4~6 m,洞內(nèi)同時(shí)采用全圓針梁式液壓頂升臺(tái)車支撐管片。

        4.2 隧道內(nèi)加固

        (1)管片表觀病害治理

        根據(jù)管片不同裂縫寬度和破損情況,采取不同的處理方案,如表2所示。

        表2 隧道裂縫和破損修補(bǔ)施工

        (2)鋼環(huán)加固

        管片錯(cuò)臺(tái)大于20 mm且伴隨有滲漏水部位,在管片錯(cuò)臺(tái)位置內(nèi)側(cè)焊接鋼板環(huán)作永久加固處理;管片收斂值大于60 mm處,在對(duì)應(yīng)管片中心焊接鋼板環(huán)作永久加固。

        鋼環(huán)采用厚30 mm、寬900 mm鋼板分6塊制作,采用機(jī)械臂拼裝成封閉環(huán)。鋼環(huán)與管片之間的空隙通過注入剛性環(huán)氧漿液填充密實(shí)。

        (3)深孔注漿

        隧道變形治理重在改善隧道周邊土體物理性質(zhì)。依據(jù)“少量、多次、交錯(cuò)”的原則,利用管片預(yù)留注漿孔采用后退式注漿的方式對(duì)隧道周邊的土體進(jìn)行改善,注漿壓力控制在0.4 MPa內(nèi)。通過單液漿的流動(dòng)性可達(dá)到大面積、全方位改善土體性質(zhì)的目的。在MJS施工前采用隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)對(duì)稱注水泥漿的方式,MJS施工完成后采用超細(xì)水泥對(duì)隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)和拱底進(jìn)行補(bǔ)償式深孔注漿。

        5 隧道治理的效果

        經(jīng)監(jiān)測(cè),施工期引起的隧道收斂變形增量為2 mm,水平位移增量及豎向沉降增量為5 mm,均處于可控狀態(tài)。

        隧道治理于2021年4月完成,根據(jù)2021年5月至9月的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,隧道最大累計(jì)沉降量為4 mm,最大百日沉降速率為0.027 mm/d,符合規(guī)范要求。

        6 結(jié)論

        本文以南京地鐵2號(hào)線西延天-青區(qū)間隧道變形加固治理工程為背景,通過理論研究提出洞外和洞內(nèi)綜合加固措施,并依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得出以下結(jié)論:

        (1)運(yùn)營(yíng)期應(yīng)加強(qiáng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)工作,定期分析隧道沉降和收斂變形的相對(duì)曲率關(guān)系,以便掌握隧道結(jié)構(gòu)受力變化狀態(tài)。

        (2)軟土地層隧道上方新增荷載對(duì)變形和收斂值影響敏感,因此隧道兩側(cè)各5 m保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)嚴(yán)禁不采取措施新增荷載。

        (3)軟土地層盾構(gòu)施工前須提前對(duì)地層進(jìn)行加固處理,并確保加固質(zhì)量,同時(shí)對(duì)隧道周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,避免隧道出現(xiàn)水平位移。

        (4)變形隧道內(nèi)部采用鋼環(huán)和補(bǔ)償注漿對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,可提高受損隧道結(jié)構(gòu)的剛度和結(jié)構(gòu)耐久性,控制隧道變形。

        (5)在軟土地層進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施施工時(shí)要充分考慮對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響,需采取洞外預(yù)加固的措施,改良隧道周邊土體,減少對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響。

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