长江漫滩软土地区隧道沉降治理研究

乔小雷 ,高才驰 ,陈 飞

(1.南京地铁运营有限责任公司,南京 210012;2.苏交科集团股份有限公司,南京 210019)

我国东部沿海地区特别是长江下游地区广泛分布着新近沉积的、不同成因类型的软土,这些软土颗粒细、黏土矿物含量高、结构松散,其工程性质表现为含水量高、压缩性大、强度低、透水性差等[1]。因此软土地质条件下的城市地铁隧道稳定期较长,且易受外界降水、开挖施工等扰动,出现较严重的沉降变形[2]。隧道的长期沉降和差异变形将导致结构本体出现大量结构性裂缝,进而对隧道结构的安全性、耐久性和防水性能等构成严重的威胁[3]。华东地区某地铁隧道位于长江漫滩地区,地质条件较差,开通运营后受周边大规模开发的影响,出现了较大的沉降和差异变形[4],先后形成了多个变形沉降槽,对地铁行车安全和舒适性造成了极大危害[5-6]。因此,及时开展隧道沉降病害调研和治理很有必要。王燕平等[7]针对水下大直径盾构隧道运营期结构变形及其病害开展了相关研究。本文针对软土地区地铁隧道长期沉降和差异变形等问题,在隧道结构病害基础上,探讨了运营期的不同治理方案,采用水泥浆加膨润土和水泥-水玻璃双液浆两种注浆材料,通过自上而下、自下而上两种方式对隧道沉降进行治理,并对治理效果进行分析和讨论。

1 工程背景

1.1 工程建设概况

该地铁为某线西延工程,围护结构采用钻孔灌注桩与水泥土深层搅拌桩相互咬合的联合支护方式;隧道结构型式为在轨道线间距中部设置中隔墙,使其成为连接成一体的矩形钢筋混凝土双孔隧道。标准直线段隧道净宽为4.4 m,隧道净高为5.16 m,曲线段隧道结构存在相应加宽、加高。区间标准隧道结构的主要尺寸如下:边墙厚度500 mm,顶板厚度500 mm,底板厚度600 mm,中隔墙厚度300 mm,区间隧道标准段结构剖面图如图1 所示,区间隧道基坑回填与地基加固如图2 所示。

该工程从隧道口往西北方向沿西南大街走行,分别下穿崂山路、青山路、玉山路后向东北方向拐行至仙山路,下穿体育大街后到达河西中心,全长约3.9 km。地铁线路两侧分布有较多高层建筑物(均为地铁修建完成后建设)。该项目于1999 年开工建设,主体结构于2003 年底完工,2004 年2 月完成顶板土回填,2005 年9 月正式投入运营。该条线路长期存在不均匀沉降问题,截至2018 年,相对运营初期累计最大沉降329.4 mm,形成5 个沉降槽,覆盖里程长度为2.2 km。

1.2 工程地质及水文情况

该隧道位于南京河西软土地区,属于长江漫滩地貌单元。地下水主要受到长江和秦淮河影响,地表水系发达。河西地区地下水分为潜水及承压水。地下水水位在地下0.5～1.0 m,为潜水水位,水位受季节性控制,年水位变幅在0.5～1.0 m。隧道穿越地层为②-2b4 淤泥质粉质黏土(流塑)和②-3c3粉土,区间地质剖面图如图3 所示。

2 隧道结构病害情况

隧道目前已出现各种不同程度的病害,主要体现在框架结构环向裂缝、框架结构渗漏水、道床与边墙剥离、道床翻浆冒泥等。

2.1 结构裂缝

经长期变形监测发现,主要是隧道出现的不均匀沉降引发了结构裂缝,尤其是在沉降槽的反弯点附近,隧道内框架环向结构裂缝较多,呈现裂缝间距密、缝宽小的特点。裂缝形式基本为垂直于行车线路的竖直裂缝(局部已发展成贯通性裂缝)和少量斜裂缝,无明显纵向裂缝。框架结构侧墙环向与斜向裂缝如图4 所示。

裂缝总体的发展方向是由下部向顶部发展,裂缝往上宽度逐渐变小。裂缝分布于整个隧道区间内,间距0.3～ 0.8 m 不等,宽度普遍在0.1～0.4 mm 之间,最大达到约5 mm,5 个沉降槽经统计共有1 500 余条裂缝。框架结构裂缝分布与沉降槽区段对应关系如图5 所示。

2.2 结构渗漏水

由于大量裂缝的存在,隧道内一直有较严重的渗漏问题。渗漏水出现的部位也包含了所有裂缝能涉及的部位,例如拱顶、边墙、道床以及水沟,框架结构顶板及侧墙渗漏水如图6 所示。从现场情况来看,渗漏主要为裂缝处的慢渗,局部有快渗现象。

2.3 道床病害

隧道内混凝土整体道床不仅有横向裂缝,还存在着较多的纵向道床与边墙的剥离缝,并长期伴有较多的翻浆、冒泥、渗漏水现象,部分区段水质腐臭发黑,并伴有气泡,水沟内亦有较多细砂和粉质淤泥状物质沉淀,道床裂缝与翻浆冒泥如图8 所示。

3 治理方案

在沉降槽区段进行隧内隧底注浆,可有效减缓沉降槽的沉降,以达到使隧道整体线型相对平缓的目的,并且能够对隧道主体结构病害进行治理。因结构形式、地质状况等条件的特殊性,方案并不固定。为验证整治方案的可行性、收集施工工艺参数、分析工效,以便为全面加固提供依据,开展了两个典型试验段的施工。

3.1 试验段(一)

3.1.1 试验段情况

试验段(一)选择在B 站～C 站区间K5 +833～K5+903 段,试验段(一)位置如图8 所示。平面位于国际博览中心东北侧,处在3 号沉降槽内,上下行线各50 m。

试验段(一)注浆采用水泥+膨润土浆液,注浆孔纵向间距1.3 m(梅花形布置),横向为线路中心两侧1.2 m 处,单洞设两排注浆管,注浆孔孔径42 mm,注浆深度为底板下2.5 m,分层进行注浆,试验段(一)注浆方案如图9 所示。在试验段(一)内又分为两段,每段25 m,间隔20 m,采取两种不同注浆顺序,即由隧底向下部土层注浆和由下部土层向隧底注浆。

3.1.2 治理效果

试验段(一)施工自2017 年10 月13 日起,施工过程中开展同步监测,每日注浆施工前、施工中、施工后各测一遍,及时分析注浆数据,指导注浆作业,防止异常隆沉。注浆期间,平均单日抬升量与回落量为上行1.2 mm/ -0.7 mm,下行1.3 mm/-0.9 mm。试验段(一)施工完成时,相对注浆起始累计抬升量为:上行最大12.7 mm,平均9.2 mm;下行最大13.2 mm,平均9.4 mm,试验段(一)注浆累计沉降量如图10 所示。

2018 年2 月2 日,试验段(一)注浆施工完成,进入跟踪观测期。3 个月后试验段(一)相对注浆前累计抬升量为:上行最大6.5 mm,平均2.3 mm;下行最大6.5 mm,平均2.6 mm;平均沉降速率为上行-0.045 mm/d,下行-0.053 mm/d,试验段(一)期间永久监测沉降量如图11 所示。

根据《南京地铁某区间中心隧道结构表观病害、沉降治理设计方案、验收标准专家审查会专家意见》所确定的治理效果评估标准,试验段较注浆前仍有一定在抬升累量,符合标准,但沉降速率较大,不满足相关稳定指标的要求。

3.2 试验段(二)

3.2.1 试验段情况

对试验段(一)原设计方案进行了调整,在原试验段(一)的基础上再次选择试验段(二),以进一步掌握、分析沉降治理工艺,扩大数据的采集范围,优化整体方案。试验段(二)选择在A 站～B 站区间K4 +840～K4 +890 处,平面位于朗诗国际街区附近,处在4 号沉降槽内,上下行线各50 m,共计100 m,试验段(二)位置如图12 所示。

试验段(二)注浆采用水泥-水玻璃双液浆。注浆孔纵向间距1.3 m,横向为线路中心两侧1.2 m处,单洞设两排注浆管,注浆孔孔径42 mm,注浆深度为底板下1 m,分层进行注浆,由隧底向下部土层注浆,试验段(二)注浆方案如图13 所示。

3.2.2 治理效果

试验段(二)注浆自2018 年7 月4 日至2018 年9月10 日。注浆期间,平均单日抬升量与回落量为上行0.9 mm/ -0.4 mm,下行0.9 mm/ -0.5 mm。试验段施工完成时,相对注浆起始累计抬升量为上行最大18.7 mm,平均13.9 mm;下行最大21.4 mm,平均14.8 mm。

至2018 年12 月完成对试验段(二)的3 个月跟踪期观测,相对注浆前累计抬升量为:上行最大12.9 mm,平均9.3 mm;下行最大13.9 mm,平均10.0 mm,试验段(二)注浆累计沉降量如图14所示;平均沉降速率为上行-0.01mm/d,下行-0.01 mm/d。

4 治理方案效果对比分析

将试验段(一)与试验段(二)的注浆位置、孔位布置、注浆材料、注浆深度、注浆顺序等施工工艺参数进行对比,试验段(一)与试验段(二)参数对比如表1 所示。

表1 试验段(一)与试验段(二)参数对比

试验段(一)注浆采用单液浆,试验段(二)注浆采用双液浆,将试验段(一)与试验段(二)的试验方案和治理效果对比可以看出:

(1) 单浆液流动性较好,单孔注浆时,浆液扩散较远,影响范围及扰动较大。但试验段(一)在注浆施工过程中,平均单日抬升量与回落量达到上行1.2 mm/ -0.7 mm,下行1.3 mm/ -0.9 mm;试验段(二)在注浆施工过程中,平均单日抬升量与回落量达到上行0.9 mm/ -0.4 mm,下行0.9 mm/-0.5 mm。

(2) 试验段(一)单液浆凝固速度慢,导致在注浆完成后3 个月时,沉降速率仍达-0.05 mm/d;在注浆完成6 个月时逐步达到稳定状态,隧道平均抬升量为1.7 mm,最大回落至注浆前-2 mm,平均沉降速率为:上行-0.045 mm/d,下行-0.053 mm/d,未完全达到预期理想效果。

(3) 试验段(二)施工完成后3 个月基本达到稳定状态,此时隧道平均抬升量为9.3～10 mm,隧道结构均处于抬升状态(最小抬升2.5 mm 左右),平均沉降速率为上行-0.01 mm/d,下行-0.01 mm/d,实现了隧道结构沉降整治的目的,加固效果较明显。

5 结论

(1) 试验段(一)采用单液浆注浆,试验段(二)采用双浆液注浆,单浆液流动性较好,浆液扩散较远,影响范围及扰动大,单浆液注浆后单次平均抬升量较大,但次日平均回落量也较大,为单次抬升量的1/2～2/3,隧道结构沉降速率仍较大,整体上单浆液注浆抬升效果较差。

(2) 单液浆凝固速度慢,注浆完成6 个月后才逐步达到稳定状态,平均抬升量仅为1.7 mm,整治周期长;而水泥-水玻璃双液浆凝固速度加快,施工完成后3 个月基本达到稳定状态,隧道平均抬升9.3～10 mm。

(3) 整体上,采用双浆液注浆在整治效率和整治效果方面有一定的优势,能够达到隧道结构沉降整治的目的。