自上海软土地层中地铁隧道不均匀沉降的治理.docx

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自上海软土地层中地铁隧道不均匀沉降的治理

软土地层中地铁隧道不均匀沉降的治理

文章来源:

《上海交通大学学报》原作者：

汪小兵王如路刘建航

摘　要:

针对上海饱和含水软土地层及地铁隧道维修保养的实际工况,提出了革新劈裂注浆的土层微扰动注浆治理方法.利用夜间地铁停运的积累时间，采用适合上海运营地铁隧道实际条件的简易设备和施工操作方法，在地铁隧道内部治理运营隧道的不均匀沉降，选取适合的注浆工艺、材料、设备和参数并通过工程实例,分析注浆设计、施工的过程及其效果.结果表明,所用方法能够减少注浆对地层的扰动,对地层沉降具有良好的补偿效果,可以较好地治理运营地铁隧道的不均匀沉降.

关键词:

软弱地层；地铁隧道;不均匀沉降;注浆治理

     上海地铁隧道大部分埋设于含水量、空隙比和灵敏度高、强度低的流变性软弱地层,在多种因素的作用下,易发生纵向不均匀沉降.这些因素主要包括:

  邻近隧道建筑施工的加、卸载;④隧道在渗漏条件下经受列车长期振动而发生的振陷；（四）盾构隧道穿越不均匀且极软地层引起的地层扰动；   隧道渗漏造成地基水土的流失;   隧道进、出洞及旁通道处因冻结法施工引起的地基土融沉;   　区域不均匀的大地沉降.隧道纵向不均匀沉降发展到一定程度将会影响地铁结构的安全性,应视为地铁隧道的一大病害而亟待采取有效的治理措施[1-２］.

     目前，国内外对于治理饱和含水软土地层隧道不均匀沉降一般采用劈裂注浆或压密注浆的补偿注浆方法,但在高含水量软土地层中难以控制注浆效果且易发生负面影响，在运行的地铁隧道中使用时可能会发生不良后果[3－５].笔者经过近几年的工程实践,探索出了一种微扰动注浆治理方法,并成功用于上海软土地层中运营地铁隧道的不均匀沉降治理.

1　微扰动注浆治理方法

     微扰动注浆治理具体方法如下:

沿隧道治理段纵向以合理间距布设注浆孔,对每个注浆孔通过分阶段、少量、多次地自隧道底部而向下分层叠加注浆，每次注浆量控制适当，并采取减少注浆对地层扰动的措施,以使每次注浆引起的隧道上抬量ΔＳ1≥在2次注浆的间隔时间内隧道自然沉降与地基由于注浆引起的土体结构扰动和超孔隙水压力消散而产生的固结沉降量之和ΔS２（见图1和2）.

     一般地,在初始注浆阶段,必须使治理段隧道抬升至一定的预期值.为此，在初始阶段的抬升注浆过程中,适当减少单次注浆的间隔时间Δt，以增大每次注浆的有效抬升量（ΔS1-ΔS2）.当初始阶段各次注浆所引起的隧道总抬升量

     达到预期值时,使注浆暂停一段时间,以使隧道下卧土层因注浆引起的超孔隙水压消散殆尽,隧道地基得到一定的固结沉降．经试验测试，在淤泥质黏性地层中,超孔隙水压完全消散需要约1周.

     如果有必要进一步提高隧道总抬升量,则开始进行第2阶段的抬升注浆，当注浆抬升量达到预期值时,则停止第2阶段的抬升注浆．经过土层再次固结沉降,隧道沉降速率开始降低，当隧道沉降速率>0．02　mm/d,进行第3阶段,旨在维持隧道沉降相对稳定的间断注浆,此阶段各次注浆的间断时间可适当延长，但各次注浆深度仍处于隧道下卧待加固的土层中．当注浆深度已伸入隧道下卧相对稳定的土层且隧道沉降速率减小至0.02～０.01mm/d时,则进行第4阶段即次固结阶段的间断补浆,补浆是在隧道与下卧注浆加固体之间的空隙中进行.当隧道沉降速率＜0.０1ｍm/d时,结束补浆.

     在各注浆阶段中，每次注浆的间隔时间因地质条件的差异而不同.在淤泥质软黏土中,初始阶段的Δt=2~3ｄ;在第2阶段,Δt＝5~7　d;在第３阶段,Δｔ=2～3周;而在次固结沉降阶段,Δt可延长至１个月以上.

２　注浆工艺及参数

２.1　注浆材料

     　由于ΔS1和ΔＳ2在很大程度上与注入土层的材料性能有关,微扰动注浆要求浆液注入土层后能够产生适量ΔS1且ΔＳ2应尽量小,即注入土层中的浆液必须具有高密度、快速凝结、体积收缩小和高强度,所以,本文选用具有良好速凝效果和高强度的水泥浆与水玻璃双液浆体作为注浆材料.根据浆液泵送浆畅通且增大ΔS１的要求,经过多次试验,水泥浆的水/灰比选为0.６~0．7,水泥浆与水玻璃的比例控制在２．5∶1.0~3．0∶1.0.

2.２注浆设备

     图3所示为微扰动注浆实施过程所用设备.其中包括:

（1）注浆泵.包括水泥浆泵和水玻璃泵，两者都需要同时满足注浆可控性良好、流量较小、稳定可调、能够连续均匀输送浆体、体积小且质量轻,适合于狭小空间内搬运和施工.

  　（２）混合器.可均匀混合2种浆液,一端连接水泥浆和水玻璃送浆管,另一端连接注浆管.混合器外接压力表,以便及时反映双液浆压力.另外,应保持混合器内和各管路中无残留凝结浆体,从而保证进出浆液通畅且混合均匀.

     由于双液浆初凝时间通常为１6~2４s，混合器的作用是使浆液在进入土层之前充分混合均匀但未凝固，浆液进入土层后很快达到初凝效果,从而实现了隧道的适当上抬和对土体的微扰动.

     （3）流量仪.外接送浆管路,用于记录和监测浆液的即时流量，统计累计注浆量，并准确控制单次注入土层的浆液体积.

     （4）拔管装置.图4所示为简易拔管装置结构示意图.该装置在运营隧道内搬运方便,施工过程辅以皮尺测量,可以实现均匀拔管.

     （5）注浆前端装置.如图５所示,注浆前端装置上布置了2排梅花型喷浆孔,孔径为4ｍm,每排均匀分布4个.在注浆之前,用保护套保护喷浆孔，以避免下管过程中喷浆孔被泥土堵塞;在注浆时,脱开保护套管,同时打开８个喷浆孔,以实现同时均匀地注入浆液.

２.3注浆工艺及参数

     采用专用钻孔机及特定工艺打设注浆孔,并将安装了注浆前端装置的注浆管插入土层而进行分层注浆,每层注浆厚度等于设定的注浆长度.当注浆管插入到每次注浆厚度时,利用前端装置同时开启所有喷浆孔进行注浆,并按设定的拔管速度起拔注浆管，每次注浆长度必须确保浆液均匀、定量地注入土层.

注浆治理应按照适时、适量及合适孔位的原则,以均匀、多点、少量、多次的注浆参数进行.其参数的选取如下:

     　（１）单次注浆长度一般为8．８~35.２cm,宜根据不同土层和隧道的注浆情况、注浆效果和监测数据等确定.

（2）单次注浆量应配合单次注浆长度和掺入量来确定,不应大于８0　Ｌ,单次注浆量过大,容易引起超孔隙水压力较大,从而导致孔隙水消散过程中的隧道沉降．

     （3）注浆流量应低且稳定,一般为2０L/miｎ.其中，水泥浆泵流量为１4～16L/miｎ,水玻璃泵流量为4～６L/ｍiｎ.

     　（4）拔管速度根据单次注浆量、单次注浆长度和双液浆流量来确定，即

式中:

v为拔管速度；l为单次注浆长度;q为双液浆流量;Ｖ为单次注浆量.

     （5）单孔注浆按照由上往下、依次搭接的施工顺序，隧道纵向采用间隔跳孔施工,间隔不少于２环管片.同孔注浆至少间隔４8ｈ,如有特殊情况需要补浆,可另行考虑．

3　工程实例

3.1工程概况

     上海地铁2号线某区间隧道于2０１0年5月发现产生了较大的不均匀沉降,其平均沉降速率约为0.3～０.4mm/d,导致洞口和泵站附近局部隧道沉降曲线的斜率较大,约为0.001　6（见图6）,对列车运营和隧道结构安全构成了威胁,且隧道多处出现了渗漏水现象，在其泵站沉降最大的位置出现了严重道床与管片脱开的现象.

     该区间隧道建成于20０9年,为

1０.9ｍ水平外径、

6.3ｍ竖向外径的双圆盾构隧道,隧道产生沉降的区段底部最大埋深为-17．2０8　ｍ，所处的土层为较软的  层淤泥质黏土和   １层黏土（见图７），尤其是  层土体极其软弱,土层一经扰动，其强度明显降低,且在长时间内将产生较大的固结和次固结沉降.

  根据图6、7可知,除了泵站位置外，其他区段隧道上、下行线的沉降情况基本相同,主要是由于双圆盾构推进过程中下卧  层淤泥质黏土扰动过大所造成的.而泵站附近下行线的沉降量明显大于上行线,这是由于下行线外侧泵站采用冰冻法施工而又未及时进行融沉注浆所造成的,并引起上行线隧道沉降，其两者沉降量相差约20mm。

3．2　注浆治理方案

     于2０１0年5月,在充分考虑隧道沉降原因的情况下开始对隧道沉降进行注浆治理,以达到控制和调整隧道沉降的目的．

     由于在靠近车站洞口第8~46环和泵站附近40环区段,隧道沉降曲线斜率达0．00１6,故需优先进行注浆,以抬升该区段隧道而减小沉降曲线斜率.离洞口第47~19２环之间的隧道,则根据上海隧道沉降计算经验公式预测2010年7月之后的沉降量:

式中：

a为参数,可根据2０10年2~6月的实测沉降数据回归分析得出;t为沉降至St所对应的沉降时间;S为最终沉降量.

     根据预测,离洞口第47~1９2环之间隧道沉降稳定需要的时间较长，并且往后1ａ内的累计沉降量较大,至2011年6月,其预测最大沉降量将达到－82.５　mm．此时，不均匀沉降已达到对隧道结构十分不利的程度，需根据隧道沉降发展趋势来制定控制和调整隧道线型的注浆治理方案．总体治理方案为:

在注浆区段内沿隧道纵向每环布置2个注浆孔，分别位于上、下行线上,注浆孔纵向间距为1环;采用连续介质有限元法分析隧道底部注浆压力对隧道结构受力的影响，并结合多次前期测试结果设定,各孔注浆深度应穿过  层土而达到相对稳定的   1层土,而且l=17.6cm,Ｖ＝80　L,v=4.4cm/miｎ，q=20Ｌ/min（其中水泥浆流量为15L/min,水玻璃流量为5L/ｍin）,初始阶段抬升注浆过程中的Δt＝3ｄ．靠近洞口和泵站附近共22５环隧道的总体治理方案如下:

（1）第１区段.上、下行线离车站洞口第8~4６环（见图８中iｖ区段，第1~7环为盾构进洞加固区）及下行线泵站附近4０环（见图8中iv′区段）,该区段于2010年５月优先进行注浆,其主要目的是控制隧道局部线型斜率过大.

（2）第２区段.上、下行线离车站洞口第４７~6６环（ 

区段）在20１0年9月开始注浆,此时,第1区段只需进行适当频率的间断补浆．

     （3）第3区段.上、下行线离车站洞口第6７~96环（

 区段）在2０10年１1月开始注浆，同时,兼顾第1和2区段间断注浆．

     （４）第4区段.上、下行线离车站洞口第97~19２环

 区段）,其中,第97～１36环在2０１0年12月开始注浆，第１３７~192环在201１年３月开始注浆，结合前3个区段的注浆施工,最终的隧道线型如图8中粗虚线所示.整个施工过程中,应密切注意局部区段的隧道沉降，过快时应及时进行治理

3.３　注浆治理效果

     通过合理的微扰动注浆治理，使得注浆范围内隧道抬升ΔS１=8～１0ｍm,其余未注浆区段的隧道沉降与其预测值比较接近,通过注浆区段的抬升和暂不注浆区段的自然沉降调整了隧道线型,使得隧道沉降变化比较均匀，其沉降曲线的最大斜率由0．00１6变为0.0010左右，减少了隧道管片环间错台和改善了结构受力状况；且通过对泵站底部土层和下行线隧道下卧土层的注浆,控制了泵站附近上、下行线的沉降．

     图9所示为分阶段注浆后隧道隆起和沉降实测曲线.可以看出：

在初始阶段,抬升注浆20　ｄ后,隧道普遍抬升8～９ｍm，停止注浆１5　d后，隧道产生的固结沉降量之和约为4~６　mm;第２阶段抬升注浆15　d后,隧道抬升8~10mm,再停止注浆并进行第3阶段间断注浆和次固结阶段间断补浆．其中，第３阶段间断注浆频率为1次/周,注浆时间持续了约3个月.次固结阶段间断补浆平均频率为1次/月,隧道下卧土层次固结时间较长,但总的次固结沉降量较小．目前,iｖ′区段已沉降稳定并结束注浆，ｉv～

 区段仍在进行间断补浆．

     由图１0可知,注浆治理后,隧道的实测沉降量曲线与预期注浆治理后的比较接近,且隧道沉降线型得到了明显的控制和调整,表明在掌握和预测微扰动注浆隧道隆起和沉降规律的基础上，可以对隧道沉降进行治理.

4　结　语

     本文以隧道线型调整控制为目标，提出了一种微扰动注浆治理的可行性方法,体现了均匀、少量、多点、多次的注浆治理概念，能够将隧道隆起和沉降变形预测与现场注浆控制融为一体.解决了软弱土层中运营地铁隧道的沉降治理难题,对运营地铁隧道旁通道、泵站、端头井和穿越段等位置的不均匀沉降线型调整和控制具有显著的效果,还可在其他条件相同的地下和地面构筑物、建筑物的不均匀沉降治理中加以借鉴和参考.

参考文献:

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