南京河西地区地铁运营盾构隧道收敛变形的治理措施

许 文

(南京地铁运营有限责任公司，南京 210012)

随着经济的快速发展，我国城市人口越来越密集，交通问题日益困扰着政府及出行的市民，轨道交通应运而生。盾构隧道以其质量好、施工安全、掘进快速、对环境影响小等优点，在城市轨道中得到广泛运用。南京河西地区软土地层分布较广，地质条件差，现有地铁运营线路中二号线和十号线部分区段位于该地区，盾构隧道线路总长约11 km。由于该地区线路周边高层建筑开发较多，其深大基坑施工致使隧道产生收敛变形、竖向和横向位移[1-3]，极易造成隧道漏水漏沙、道床剥离脱空、管片开裂崩角和严重错台等结构病害，严重影响隧道结构安全。通过监测与分析，管片收敛变形的危害影响程度最高，因运营隧道施工环境的特殊性，如何采取安全有效的收敛变形控制措施成为地铁保护的难点。借鉴上海地铁的治理经验，结合南京地铁实际情况，提出了收敛变形的分级治理措施，取得了较好的治理效果，为隧道结构保护提供借鉴。

1 工程概况

1.1 水文地质情况

南京河西地区位于长江东侧凸岸，区内沟、塘等地表水系发达，地势宽广低平，地面标高5.5～7 m，地下水埋深一般为0.5～1.5 m，并随季节波动。该区域位于长江及秦淮河古河道漫滩区，地层软弱，地质条件复杂，地层上部以黏性土为主，下部以砂砾石层为主。地铁隧道主要穿过全新世沉积土地层，主要为粉土层和流塑状淤泥质粉质黏土层，其中淤泥质粉质黏土层含有机质及少许腐植质，具高含水量、高压缩性、大孔隙比、低强度等特点，易产生土体流动，开挖面失稳等现象。

1.2 盾构隧道情况

南京河西内现有地铁运营线路主要是二号线和十号线的部分区段，在此区域内盾构隧道共18 661环、共计22 393.2 m，管片内径5.5 m、厚0.35 m、宽1.2 m，包含3块标准块、2块邻接块和1块封顶的楔形块，主要采用标准环与拐弯环组合错缝拼装。

2 收敛变形

2.1 变形原因分析

盾构隧道收敛变形是指在外力作用的影响下，管片的径向直径发生变化，管片剖面由正圆向椭圆发展的变形过程。当隧道建成运营以后，随着时间的推移，结构自身受力达到了平衡状态。当沿线周边高层建筑深大基坑开挖，在隧道上部进行堆载或隧道附近进行基坑开挖卸载施工时，隧道的受力平衡状态被打破，上部堆载增加了隧道上部压力，使结构上下两端产生内缩的“竖向”位移，同时产生了结构水平向附加应力，使结构两侧产生外扩的“横向”位移；侧边基坑开挖卸载施工时，导致隧道侧向抗力严重降低，致使结构侧向变形逐步增大，最终使隧道结构由“圆形”逐步变成“横鸭蛋”状[4]，见图1。

图1 盾构隧道管片收敛变形

2.2 结构表观病害

因外部施工致使管片收敛变形过大，极易引起环纵缝渗漏水、道床剥离脱空和管片开裂崩角等结构病害，若不进行及时控制治理，甚至会出现管片受力破坏，严重影响隧道结构安全，见图2。

(a) 渗漏水道床翻浆冒泥

(b) 管片崩角拱顶裂缝

2.3 结构劣化等级

根据《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》规定，对隧道结构裂损、结构漏水、冻害及材料劣化的类型、等级和评定方法做了标准化规定，将隧道各种劣化划分为5个等级[5]，见表1。结合盾构隧道结构现状，选择合理的结构等级。当在周边深大基坑施工影响下盾构隧道结构劣化等级达到B级时，需及时开展治理工作。

表1 隧道劣化等级划分

2.4 收敛变形分级治理措施

随着管片收敛变形的增大，结构病害也逐渐增多，劣化等级由D级逐步向AA级发展。因运营隧道环境的特殊性，为经济合理的采取收敛控制措施，结合病害发展规律，对收敛变形进行分级治理，见表2。

表2 收敛变形分级治理措施

(续表)

3 收敛治理措施

3.1 隧外地面微扰动注浆

隧外地面微扰动注浆是通过隧道两侧外部地面钻孔注浆，对隧外两侧土体进行充填，提高周围土体的强度和刚度，改善隧道的椭圆度，从而实现控制管片的收敛变形。

(1) 孔位布置和注浆范围：注浆孔在距隧道两侧外边缘3.0 m、3.6 m、4.2 m进行对称布置，可依据监测情况适当调整，在隧道底标高以上5.2 m范围进行注浆，见图3。

图3 注浆孔位布置(单位：mm)

(2) 注浆工艺：在隧道外土层打设注浆管至要求深度，再进行微扰动注浆加固(单孔工艺见图4)。

图4 隧外地面微扰动单孔注浆工艺

(3) 浆液配比：采用水泥(A液)+水玻璃(B液)双浆液。A液水泥采用PO 42.5级，水灰比0.6～0.7∶1，B液采用35°Be′中性水玻璃，模数2.85；A液与B液体积比为2～3∶1。

(4) 注浆压力与流量：0.6～0.8 MPa，可根据监测情况进行调整；水泥浆泵流量14～16 L/min；水玻璃泵流量5～10 L/min。

(5) 注浆顺序与注浆量：每孔由下而上均匀注浆，按每跳5～10环进行施工，相邻孔注浆间隔不少于2天；单孔注浆量约1.1 m3。

(6) 注浆终止条件：注浆量达到单次注浆的要求；单次注浆管片收敛变形接近或达到允许值，收敛回缩量预警值为3 mm，达到5 mm则停止注浆。

3.2 隧内壁后微扰动注浆

隧内壁后微扰动注浆是利用管片两侧腰部(3和9点钟方向)原有注浆孔，对两侧土体进行分层压密注浆，充填外部土体空隙改善其力学性能，在注浆充填挤压和外部土体压力共同作用下控制管片收敛变形，见图5。

(1) 注浆范围：因隧内注浆环境的局限性，为控制单环管片的收敛变形，需在其前后各延伸2环同时进行注浆。

(2) 注浆顺序和深度：采用由深到浅的方式进行对称注浆，注浆总深度90 cm，分三层注射浆液，在管片外侧90 cm注射水泥+水玻璃双浆液，在管片外侧60 cm和30 cm注射水泥单液浆。

图5 隧内壁后微扰动注浆示意

(3) 注浆工艺：在隧道腰部两侧注浆孔钻射至90 cm，再进行分层注浆加固(单孔工艺见图6)。

图6 隧内壁后微扰动单孔注浆工艺

(4) 浆液配比：①水泥单浆液，水灰比0.6～0.7∶1；②水泥(A液)+水玻璃(B液)双浆液，A液水泥采用P42.5级，水灰比0.8∶1，外加剂采用0.005～0.01Bx-2，B液采用35°Be’中性水玻璃，A液与B液体积比为6：1。

(5) 注浆压力与注浆量：在初始压力的基础上，注浆压力应小于0.4 MPa，并根据监测情况及时调整；单次注浆量不大于0.7 m3。

(6) 注浆终止条件：注浆量和注浆压力超过单次注浆要求；单次注浆管片收敛变形达到5 mm则停止注浆。

3.3 管片内衬钢环加固

管片内衬钢环加固是指为防止管片收敛加剧危及结构安全，在管片内侧增设一层钢质衬砌，通过刚性环氧充填使两者连成整体，加强单环管片的刚度和强度，共同抵抗管片的收敛变形。

(1) 施工工艺

因隧道内部空间的局限性，管片内衬主要分为6块钢构件，上部三块钢环板、下部两块钢牛腿和底部钢拉条。为提高工效，钢组件拼装时需采用专业设备机械手平板车，同时也确保了钢环的拼装质量，工艺流程见图7。

图7 管片内衬钢环加固工艺流程

(2) 管线改排

因运营隧道顶部和两侧腰部存有强弱电、通信信号和消防水管等设施，而钢环拼装施工仅利用地铁夜间停运的“天窗”时间，为确保次日运营和钢环顺利拼装，需对上述管线进行迁移改排，前后对比见图8。主要内容有：①隧道拱顶接触网悬挂点和两侧管线桥架均需迁移至管线安装的范围外；②两侧桥架上的管线至管片内弧面的间距至少15 cm；③管片拼装范围内的消防水管需临时移除，改为两端供水。

(a) 迁移前

(b) 迁移后

(3) 环纵缝封堵

为防止钢构件受潮腐蚀影响其耐久性，需对钢环拼装环和其前后3环进行环纵缝封堵和渗漏水治理。首先对管片的环纵缝进行打磨清理，其次对缝内涂刷填充弹性环氧胶泥，为保证充填密实，最后进行缝内弹性环氧自下而上压注施工。

(4) 钢构件拼装与焊接

钢环宽90 cm、材质为Q345B、厚度2 cm，钢牛腿弧长2.83 m、环板弧长2.97 m，采取先牛腿、其次两侧板、后顶板的拼装流程，通过化学锚栓永久固定在混凝土管片上，待其焊接完毕后进行钢拉条的拼装焊接施工。焊缝采用CO2气体保护焊，焊接质量等级为二级，验收前均需通过焊缝探伤检测。

(5) 环氧填充

钢环拼装完成后，与混凝土管片之间存有2～3 cm 的间隙，为确保两者共同受力抵抗收敛变形，需在两者之间充填刚性环氧。为填充密实，应遵循“少量、多次、交错”的注浆原则，采用自下而上的压注顺序，完成后进行注水试验检测浆液密实度。

4 治理效果

通过监测，钢环加固完成的管片收敛无外扩趋势，处于稳定状态；微扰动注浆期间因改变了隧外土体力学性能，对隧道形成一个定向推力，可使管片产生1～2 cm的收敛回缩量，见图9。注浆结束后由于注浆形成的复合土体侧向强度较低，不能完全抵抗隧道收敛扩张变形，致使收敛回缩量出现少量回弹，回弹后的收敛值仍明显小于原值且基本稳定，满足结构安全要求。

图9 收敛治理效果

5 结论

文章通过对盾构隧道收敛的受力分析，结合隧道表观病害发展趋势，提出了收敛变形分级治理措施，并通过长期监测总结了治理效果，得出结论如下：

(1) 隧外地面微扰动注浆、隧内壁后微扰动注浆和管片内衬钢环加固三种治理措施可有效地控制南京地铁盾构隧道收敛变形，确保了隧道结构安全。

(2) 应优化微扰动注浆压力、注浆范围、浆液配比、注浆量等技术参数，减小收敛变形回弹量。

(3) 在软弱土层的河西地区，隧道收敛变形受周边商业开发的影响较大，应严格控制周边商业开发，加强其基坑施工的管控措施，减少对隧道结构的影响。