摘要：近年来，随着国内地铁的大规模建设和开通运营，城市下穿隧道的大量修建，以及地铁沿线物业的高强度开发，在运营地铁隧道周边进行基坑开挖的工程也越来越多，易造成砂层基础的变形，影响地铁安全运营的保护要求。砂层基础异常沉降处理将成为严重制约地铁隧道安全运营的关键技术问题。
关键词：砂层基础；运营地铁隧道异常沉降；治理措施研究
引言
地铁隧道在富水软弱砂层下穿越建筑物时，容易引起开挖面涌水突泥、围岩滑塌失稳以及建筑物不均匀沉陷等工程灾害。以某西部地区地铁区间隧道软弱砂层带下穿建筑物工程为例，提出了全断面超前帷幕注浆、初支背后径向注浆及洞内补偿注浆联合加固技术。通过数值计算考虑注浆膨胀作用，分析了隧道下穿施工过程的地表变形及建筑物稳定性特性。研究表明：隧道在软弱砂层中采用全断面超前帷幕注浆会引起地表隆起现象，双线隧道地表呈现Ｍ型隆起变形，后开挖隧道变形值较大；地表建筑物在注浆膨胀作用下表现出正曲率变形，后开挖隧道正上方建筑基础最易发生破坏；穿越富水软弱砂层时不能一味提升注浆压力来提高地层刚度，应与现场监测结合进行施工控制。
1背景简述
在运营期间，因外部建筑基坑开挖施工极易造成砂层液化、水土流失，引起隧道结构不均匀沉降，致使结构产生渗漏、破损以及道床脱空翻浆冒泥等病害，严重危及地铁运营安全。如何快速有效控制沉降是运营地铁迫切解决的一个难题。目前，针对建设期间砂层中的隧道沉降问题，国内主要采用普通水泥浆进行高压旋喷注浆治理。但运营隧道受周边环境以及市政管线等因素影响，需进行大量施工协调、管线迁移等准备工作，且运营隧道治理施工时间仅为地铁夜间停运期间，难以快速、高效地开展沉降控制施工。针对运营隧道沉降治理时效性的问题，提出了在软土基础运营隧道采用隧内底部微扰动注浆治理方案，注浆材料采用水泥+水玻璃双液浆，但因浆液耐久性较差，整治后抬升效果极易回弹，致使隧道结构再次沉降，治理效果难以保障。砂层基础的运营隧道如何可靠有效地充填固结砂层，且避免注浆扰动基础加剧结构沉降，目前国内运营地铁缺乏成熟的治理工艺。
2水文地质情况
2.1地质情况
沉降区段隧道埋深为15～17m，横穿淤泥质粉质黏土夹粉砂层和粉土层，隧道底部为粉砂、细砂层。施工期间隧道下穿箱涵时，对其上部D800的钻孔灌注桩进行了部分切除施工，距隧道结构顶部12.1m。淤泥质粉质黏土夹粉砂层和粉土层工程地质性能较差，压缩性和灵敏度较高，粉、细砂层虽地质性能较好，但极易液化。
2.2地下水情况
该地区地下水主要分为孔隙潜水和微承压水，水位变化主要受大气降水和周边河流流域水位的影响，年水位变幅一般为1.0～1.5m，影响隧道稳定性较大的主要为微承压含水层，主要含在粉、细砂层中，水位平均标高为3.2m。
2.3沉降原因分析
沉降区段轨道平面曲线和竖向曲线重叠，曲线半径为350m、坡度为22‰，且隧道底部为具有可液化特性的粉、细砂层，在列车运行循环动荷载的作用下，极易引起地层扰动，致使管片变形，影响结构防水效果，产生水土流失。为验证沉降原因，在隧道内部进行了地震散射、顺变电磁和地质雷达3种物探，发现隧道底部出现土质不均匀、土体较为松散、较为明显的土体液化现象。
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3注浆压力膨胀效果分析
根据以往施工经验及本区间现场监测发现，在浅埋软弱地层中采用全断面帷幕注浆，若注浆压力过大容易引起软弱夹层裂隙贯通、地表隆起抬升、甚至地表顶裂、浆液喷涌等现象，因此注浆压力的模拟是实现该下穿施工注浆效果仿真的关键。为了准确模拟大体积超前注浆引起地层隆起以及对地表建筑物结构的影响程度，在数值模拟中需要考虑注浆体的膨胀效果。根据研究，通过在单元体施加应力的方式将注浆压力传导至地层中，改变地层的位移方向，从而实现注浆体膨胀作用引起的地表抬升隆起效果。区间下穿建筑物段共１８ｍ，按照现场开挖顺序，先开挖左线后开挖右线，每次进尺１ｍ，进尺６ｍ后进行下台阶开挖。：①考虑超前帷幕注浆膨胀作用，地表将发生一定隆起现象。左侧隧道开挖６ｍ时，地表隆起不明显，在注浆膨胀应力施加后，地表向上轻微抬升。随着开挖面推进，地表最大隆起速率出现在开挖面前上方，开挖１８ｍ穿越建筑物后最大隆起值为９．４ｍｍ。②右线隧道开挖的注浆作用将造成地表隆沉叠加增大。当开挖至６ｍ时，左、右线最大地表隆起值分别为９．７ｍｍ和５．６ｍｍ；当开挖至１２ｍ时，左、右线最大隆起值为１０．２ｍｍ和９．３ｍｍ；当开挖完１８ｍ时，左、右线最大隆起值达１４．１ｍｍ和１８．７ｍｍ，注浆膨胀叠加效应显著。右线各间距下变形增幅分别为２７．３％、６６．１％、１０１．１％。尤其当间距由６ｍ减到０ｍ时，地表隆起值提高了１倍多。这对建筑物基础挠曲变形造成了严重不利影响。因此，两隧道纵向施工间距应控制在６ｍ以上为宜。③左、右线地表隆起值随穿越建筑物距离的增大而逐渐增大，右线隧道由于滞后于左线开挖，受左线隧道注浆膨胀叠加作用，其地表隆起值较大。④左、右线隧道地表变形模拟值与现场实测值表现出相似的变化趋势，验证了本文数值模拟的可靠性，其实测值略小于模拟值是由于模拟过程未考虑浆液凝固过程，致使注浆膨胀作用较显著。①在软弱砂层中采用全断面超前帷幕注浆会引起地表隆起现象，这是由于富水软弱砂层孔隙率大、裂隙密布、胶结性差，在注浆压力作用下容易引起地层膨胀抬升、地表隆起等现象。②在注浆膨胀作用下，双线隧道上方地表呈现Ｍ型隆起变形，曲线两极大值点对应左右线隧道轴线处，地层抬升范围约为１倍隧道洞径，即在１倍隧道洞径范围外表现为地层沉降。③后开挖隧道变形值较大，比先开挖隧道增大了３１．７％，说明两隧道注浆叠加扰动较大，因此纵向施工应保持一定间隔，以使先施工隧道注浆体凝固，加固区强度稳定后再开挖另一侧隧 道。④隧道横断面地表变形模拟值与实测值具有较好的吻合度，验证了注浆效果数值模拟的准确性，实测变形曲线较为平缓，这是由于注浆液在强风化岩体中具有良好的扩散作用，隧道围岩变形相对平稳。按照优化后的方案施工后，通过超细水泥浆和水泥+水玻璃双液浆的结合使用，沉降区段隧道结构得到显著提升，同时避免了列车运营振动的较大回弹量，有效地控制了沉降速率。与建设期的方案相比，运营隧道加强了注浆前的渗漏管控，不仅对管片环纵缝渗漏进行了有效的控制，并对道床底部渗漏进行了环氧封堵和加固，极大地降低了施工期间结构裂缝喷水、冒砂的风险，最大限度地保障了列车运营和结构安全。
结语
1）在隧道底部采用超细水泥浆和双液浆的结合注浆方案，可更有效地充填和固结砂层基础，快速控制运营盾构隧道的异常沉降。2）通过抬升隧道结构，控制沉降速率，达到了隧道沉降线型调整的目标，改善了结构受力情况，保障了地铁运营安全，延长了运营隧道的耐久性。3）日间地铁运营列车的振动作用，易使已加固砂层基础再次液化，影响隧道结构安全，后期仍需加强隧道沉降监测和现场巡查。4）超细水泥浆使用成本较高，极大增加了治理费用，后期需进一步研究优化注浆材料，在确保治理效果的同时降低材料费用。
参考文献：
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论文作者:吴体刚,文科,李强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/10/29
标签：隧道论文; 地表论文; 注浆论文; 地铁论文; 结构论文; 建筑物论文; 地层论文; 《基层建设》2019年第22期论文;