特殊地基隧道变形分析与治理应用

张 斌

(南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210012)

地铁长期运营隧道发生结构变形、管片破损、掉块、渗漏、翻浆冒泥等病害时，一般会优先考虑地铁周边是否有工程项目开发，造成隧道基础水土流失。经长期监测，在软土地区盾构隧道存在局部区段非地铁周边外部施工引发隧道结构变形，这类现象一直严重困扰结构运营管理单位，若不探究隧道变形基理，将无法有针对性的控制结构变形。本文以软土夹砂地区某隧道局部区段变形情况为例，研究非外部施工诱发的隧道变形基理，以及应对该类现象的针对性方案，为后续运营隧道类似结构保护提供借鉴。

1 工程概况

该运营隧道为外径6.2 m、内径5.5 m、管片厚度350 mm、宽度1.2 m的错缝拼装盾构结构，区间总长度982 m，为大弯弧段。 隧道顶埋深4.7～14.7 m，主要穿越地层为流塑状淤泥质粉质黏土和粉细砂层，局部穿越粉土(隧道断面为②-2b4流塑状淤泥质粉质黏土、隧道下卧层为②-3b3-4软塑-流塑粉质黏土)，其坐落淤泥层约4～20 m。该区间长期监测频率为1次/3个月，至2020年3月已完成36期运营期永久监测。监测发现自2019年7月第34期开始，该区间呈现加速沉降的状态，第35期上行超过沉降控制标准(-0.06 mm/d)的监测点位有19个，占该段的34.5%；第36期下行超标点位有46个，占该段的83.6%，以下为上行线、下行线详细沉降速率情况示意图(见图1—图2)，该异常区段地质剖面示意图见图3。

图1 上行线沉降速率情况图

图2 下行线沉降速率情况图

图3 问题区段地质剖面图

2 变形机理研究

2.1 轨后历年变形分析

首先分析该区间开通以来年度累计沉降量变化情况，经统计发现规律如下，年度变化曲线(见图4—图5)。

图4 上行线年度累计沉降量统计图

图5 下行线年度累计沉降量统计图

(1)2011年、2013—2014年、2019年这三个时间段沉降较大，其中2013—2014年沉降最大，年度最大沉降量53.1 mm，区间平均沉降量31.6 mm；

(2)2019—2020年上行线、下行线沉降较前几年速率加快，区间呈现整体下沉趋势。

2.2 沉降对应区域分析

根据图4—图5，可知上行线、下行线隧道沉降变化规律一致，上行线、下行线分别在对应的3个沉降槽里程位置发生了沉降；同时经调查发现图4—图5中区域①隧道平面位于半径400 m的圆曲线内，竖向位于下坡段(上行坡度29.3‰、下行坡度29.2‰)；区域②平面位于半径550 m的圆曲线内，竖向位于上坡段(上行坡度30‰、下行坡度27.148‰)。

2.3 变形原因分析

根据以上基础数据，剖析隧道变形基理，可以从五个方面进行考虑。

(1)地质条件方面

根据图3，隧道地处长江漫滩淤泥质粉质黏土，强度低、灵敏度高、变形大，存在长期沉降的问题[1]；且隧道横穿淤泥质夹粉砂，粉砂地质性能较好，但极易液化，容易受列车冲击震动产生不良影响[2]。

(2)设计方面

沉降区域平面圆曲线及纵向坡度较大，且沉降槽位置与区间变坡点位置较为吻合，列车运行的冲击振动对地质产生不良影响。

(3)排查外部施工因素

根据图4—图5，自2015年下半年后，该区域地铁周边无任何项目施工，且在2015年下半年到2018年底区间结构总体稳定。

(4)隧道病害情况

经巡查，该隧道病害主要表现为环纵缝渗漏、管片裂缝、管片崩角掉块、道床裂缝以及道床轻微翻浆冒泥，其中道床裂缝病害较多，主要为承轨道床横向贯穿裂纹、人行道床横向贯穿裂纹、人行道床与承轨道床纵向裂缝及人行道床与管片开裂[3]。为探究沉降原因，采用地质雷达物探，发现土体有一定液化，土质呈不均匀、松散状态，但未发现水土流失。

(5)问题发生时间段

2019年7月以来，区间沉降速率逐渐增加，区间变形速率超标，上行差异沉降橙色预警(每米差异沉降在(1.4～2.0 mm)区间)、下行差异沉降超红色预警(每米差异沉降在2.0 mm及以上区间)，沉降主要发生在历史沉降槽内[4]。

综合以上，该区间近两年隧道周边无外部开发活动，结合隧道所处地质和运营环境情况，分析可得异常沉降主要原因是该区间处于极软地层淤泥质土层，该土层灵敏高、强度低；同时又位于线路小曲线半径400 m和线路纵大坡度30‰区间地段，受列车冲击，加剧了隧道沉降。

3 隧道沉降治理对策

3.1 常规方案

隧道沉降治理一般采用隧底分层注浆，注浆材料可选用超细水泥浆或水泥+膨润土，但根据过往治理经验，超细水泥浆虽然和易性好，充填效果也很好，但造价非常高，且扰动大；水泥加膨润土造价低，和易性、耐久性较好，但固结太慢，对土体扰动大，故本次治理计划改用其他充填材料，选用造价低、浆液凝固快的水泥+水玻璃。同时，以往治理以隧道抬升为目的，治理范围普遍为全段治理，代价高，且隧道多次的不均匀沉降与抬升，对隧道造成二次破坏，所以本次治理以缓解沉降速率，改善地铁结构受力为目标。

3.2 方案确定

隧道目前总体结构状态尚好，但为防止隧道进一步下沉，必须对异常区域进行治理，由于涉及治理区域达2 km，应该采取哪些治理措施，加固范围为多少，才能高效、低成本地阻止隧道下沉，是目前运营管理单位需要思考的问题。本区段初步考虑以下三个思路。

(1)由于现场道床病害较为明显，判断道床有一定脱空情况，先进行道床加固治理。

(2)现阶段尚不需要对全部隧道进行治理，过度治理反而会造成对隧道的二次破坏，但对两处沉降槽的部位进行治理以缓解沉降速率是必需的。对沉降段开展洞内隧底注浆，采用水玻璃—水泥双液浆，按照多层、均匀、少量、多次原则，自上而下分层进行，注浆深度1 m；整体顺序按照隧道沉降最低点往最高点推进注浆；单孔次注浆量按照注浆压力与当日抬升量进行控制[5]。

(3)治理上行K9+104—203，根据图4轨后沉降数据，该段累计沉积量均大于130 mm，且K9+164为整个沉降段最大累计沉降量184.4 mm，此外该区域道床因差异沉降出现了较多的横向贯通裂缝和道床脱空等病害，应予以治理以缓解沉降速率；治理上行K9+536—654，根据近5期沉降速率情况，该段平均沉降速率均为上行最大(见图1)，分别为0.12 mm/d、0.07 mm/d、0.10 mm/d、0.14 mm/d、0.07 mm/d，且无减缓趋势，此外，该段也位于沉降槽槽底位置，累计沉降量较大，应予以治理以缓解沉降速率；治理下行K9+558—663，根据监测数据，下行线K8+503—K9+417区段虽然轨后沉降量较大，但是沉降速率近5期沉降速率较小(见图2)，可暂不对此处进行加固。下行线K9+558—663平均沉降速率均为下行最大(见图2)，且无减缓趋势，此外，该段也位于沉降槽槽底位置，累计沉降量较大，应予以治理以缓解沉降速率。

3.3 道床加固

道床加固又称道床脱空治理，主要采用环氧树脂材料填充。首先，采用高压空气或高压水冲洗道床混凝土表面的浮渣、油污等杂质，然后在道床与管片接缝处沿缝压注环氧树脂进行封闭；其次，沿道床与侧墙接洽位，沿水沟破损位及水沟与整体道床接洽位布设注浆孔，孔径10 mm，间距350～400 mm，深度150 mm，钻孔严禁破坏混凝土管片；再次，沿钻孔位骑缝开槽，槽宽X槽深为20～30 mm，清孔、清槽，采用早强水泥封闭，并埋设注浆铝管，压贴紧密；最后待早强水泥凝固后，注浆材料采用高渗透亲水性环氧树脂灌浆材料，依孔序进行施灌，注浆压力0.3 MPa，稳定后二次注浆，注浆压力0.5 MPa，直至压力稳定不上升[6]，详细注浆孔布置位置(见图6)。

图6 道床注浆孔布置图

3.4 隧底注浆加固

隧底注浆又指沉降治理，在隧道内部以合理间距布设注浆孔，直接对隧底下部土层以均匀、多点、多次的方式，分层叠加注浆并形成固结体，使得隧道缓慢抬升逐步达到治理效果。首先在道床上等间距进行布孔，根据结构地板厚度钻孔埋设注浆套管，完成后需进行套管密闭性压力检测；其次安装防喷装置且二次钻孔完成后，采取梅花状按序跳孔分层叠加注浆。注浆期间需严格执行“注浆压力、注浆量、单次抬升量” 的三控指标。运营期间采取人工车巡和自动化实时监测密切关注结构状态。注浆埋管工艺流程见图7，本工程注浆管平面布置见图8，具体施工参数见表1[7-8]。

图7 注浆埋管工艺图

图8 注浆管平面布置图

表1 施工参数表

4 治理效果分析

按照以上方案操作，使用持续稳定的螺杆泵注射“水泥+水玻璃”双液浆，严格按“均匀、多点、少量、多次” 的注浆原则，分4～5层注射完成，能减少注浆过程对土体扰动影响的同时，有效控制轨后沉降槽位置的沉降速率。结构异常的差异沉降会造成结构裂缝处喷水、涌砂风险。本项目治理后，上行线、下行线分别最大抬升了7.6 mm、9.4 mm，上行线、下行线平均抬升量分别为3.8 mm、3.9 mm，治理期间变化量见图9。治理结束后跟踪监测一年，治理区段沉降速率基本小于稳定指标(0.06 mm/d)，达到治理效果，具体跟踪监测速率见图10。

图9 治理期间抬升变化图

图10 治理后沉降监测速率图

为了确保沉降治理效果，治理前需进行渗漏封堵，防止施工期间结构裂缝喷水、涌砂，故治理段所有结构裂缝用环氧树脂进行了修复，后期巡查未见原裂缝处有渗漏。

5 结 论

(1)不同的隧道结构形式、不同的地质条件，诱发隧道沉降变形的机理都是不一样的，需要进一步深入研究。本文总结了软土夹砂地区隧道因自身原因变形规律及变形基理。

(2)根据土层结构、隧道穿越层等地质信息，实践证明本文采取的治理措施手段能有效缓解隧道变形。

(3)该案例虽取得了一定成果，但在其他地层条件下，隧道内注浆对使用注浆材料、注浆量、注浆间距、深度、流速控制等仍需进一步探究。