軟土地區(qū)地鐵不同結(jié)構(gòu)間差異沉降特點分析

黃大維，周順華，宮全美，韋 凱

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

引起盾構(gòu)隧道長期沉降的因素有很多，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、隧道施工、地鐵運(yùn)營、周邊環(huán)境等.地鐵隧道長期沉降過程中必然會導(dǎo)致線路的不均勻沉降，由此造成道床與管片的分離脫空、道床開裂、管片破損，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲漏水、軌道狀態(tài)惡化、列車動荷載加大等，最終將影響地鐵的正常使用與行車安全.關(guān)于地鐵線路長期沉降的機(jī)理研究較多，主要集中在動力因素［1-4］、地質(zhì)因素［5］及排水固結(jié)因素［6］等，但關(guān)于由沉降結(jié)果反分析導(dǎo)致沉降的因素的相關(guān)研究還很少［7-8］.地鐵不同結(jié)構(gòu)間的差異沉降早已受到了關(guān)注，但由于其影響因素的復(fù)雜性與現(xiàn)場實測的長期性，地鐵不同結(jié)構(gòu)間差異沉降特點與防治措施方面的分析較少.本文通過統(tǒng)計與分析軟土地區(qū)46個地鐵車站與隧道連接處、34個聯(lián)絡(luò)通道兩端線路處以及4個U型槽與隧道連接處運(yùn)營約10年后線路的長期沉降觀測數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)間差異沉降的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，通過差異沉降規(guī)律及其發(fā)生與發(fā)展的特點，分析了導(dǎo)致差異的因素，并提出了防治差異沉降的措施和在設(shè)計、施工及運(yùn)營中需要解決的問題.

1 車站與其鄰接隧道間差異沉降

1.1 車站沉降小于隧道沉降

圖1～4為車站與其鄰接隧道的累積沉降曲線（圖底的箭頭方向為行車方向，圖中豎線對應(yīng)的里程為車站與隧道連接處的里程，圖5～7同）.從圖1可以看出，同一車站的上下行線，車站與其鄰接隧道的累積沉降曲線相似.從所統(tǒng)計的其他車站來看，同一車站的上下行線中，車站與其鄰接隧道的差異沉降趨勢非常相似，且上下行線的總沉降量也接近.

圖1～4均為車站累積沉降小于兩側(cè)隧道累積沉降（在隧道一側(cè)取約50m的累積沉降與車站端頭的累積沉降進(jìn)行比較），從圖中可以看出，軟土地區(qū)多數(shù)地鐵運(yùn)營不到1年，在車站與隧道連接處出現(xiàn)了沉降槽，差異沉降值一般在5mm以內(nèi)（差異沉降值為沉降槽最低點與沉降槽車站一側(cè)最高點的高程差值），極少數(shù)差異沉降值大于5mm，但在10mm以內(nèi).有個別車站與隧道連接處的差異沉降是在運(yùn)營數(shù)年后才出現(xiàn)，如圖1a進(jìn)站一側(cè)、圖1b進(jìn)站一側(cè)、圖3進(jìn)站一側(cè)、圖4進(jìn)站一側(cè).在車站與隧道連接處差異沉降出現(xiàn)后，在隧道一側(cè)形成沉降槽，沉降槽內(nèi)沉降速率比兩側(cè)要大，因此車站與隧道的差異沉降值也將繼續(xù)增長，而且在車站與隧道的沉降達(dá)到相對穩(wěn)定后沉降槽的深度繼續(xù)加大，沉降槽的影響范圍也在不斷擴(kuò)大，往往最終導(dǎo)致車站內(nèi)的線路也出現(xiàn)不均勻沉降，即線路在車站內(nèi)兩端沉降大于中間，使車站內(nèi)的線路呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的趨勢.從所統(tǒng)計的軟土地區(qū)的地鐵車站與隧道連接處的差異沉降來看，車站的后續(xù)沉降小于其鄰接隧道的約占70%.

從圖1～4還可以看出，同一車站的兩端一般在出站一側(cè)先出現(xiàn)沉降槽，且在運(yùn)營多年后出站一側(cè)的沉降槽一般要大于進(jìn)站一側(cè)的沉降槽，同一車站兩端的沉降槽深度相差約15～35mm，沉降槽的影響范圍相差約為20～50m.由此可見，在地鐵設(shè)計時，在隧道一側(cè)應(yīng)進(jìn)行一定范圍加固，確保線路剛度與后期沉降的良好過渡，且進(jìn)站端頭井與出站端頭井的加固應(yīng)區(qū)別對待，出站端頭井的加固深度與長度應(yīng)大于進(jìn)站端頭井.

1.2 車站沉降大于隧道沉降

圖5～7表明，在車站與隧道連接處車站比其鄰接隧道沉降較多.從圖中可以看出，車站與隧道在連接處的差異沉降值不大，在連接處未形成明顯的沉降槽.在線路累積沉降增長過程中，差異沉降值變化不大，車站與隧道的連接處累積沉降曲線形狀變化也不大.從圖中還可以看出，車站內(nèi)的線路累積沉降基本是車站的中間大于兩端，從所統(tǒng)計的結(jié)果來看，約有25%的車站比其鄰接隧道沉降較多.

所有車站與隧道在連接處的差異沉降相對該處線路的總沉降而言，差異沉降值占總沉降值的比例很小.從整個地鐵線路的長期累積沉降曲線來看，車站與隧道連接處結(jié)構(gòu)間差異對線路的總沉降影響不大.由此可見，地鐵車站與端頭井的加固對減小長期沉降的作用非常小，因此在地鐵車站與端頭井的加固過程中，應(yīng)主要從兩者的剛度過渡及減小結(jié)構(gòu)間差異沉降來考慮.

2 聯(lián)絡(luò)通道旁線路不均勻沉降

2.1 聯(lián)絡(luò)通道旁線路沉降大于兩側(cè)

從圖8～10可以看出，聯(lián)絡(luò)通道旁線路出現(xiàn)的累積沉降大于兩側(cè)，即出現(xiàn)了沉降槽（圖中豎線對應(yīng)的里程為聯(lián)絡(luò)通道中線的里程，圖11～12同）.從圖8a可以看出，線路運(yùn)營在1.5～2.5年期間出現(xiàn)不均勻沉降，而圖8b是在運(yùn)營不到1.0年就已產(chǎn)生了不均勻沉降，即同一聯(lián)絡(luò)通道兩端的線路不均勻沉降不是同時發(fā)生，同時，沉降槽的深度相差較多，累積沉降曲線的形狀差別較大.圖9a，b表明，線路運(yùn)營到9.0年后，基本同時產(chǎn)生了不均勻沉降；圖10a，b顯示線路運(yùn)營不到1.0年就已經(jīng)產(chǎn)生不均勻沉降，即圖9和10中聯(lián)絡(luò)通道兩端的線路基本是同時產(chǎn)生不均勻沉降，而且同一聯(lián)絡(luò)通道兩端的線路沉降槽深度與影響范圍接近，累積沉降曲線形狀相似.從軟土地區(qū)地鐵聯(lián)絡(luò)通道兩端的線路來看，也存在一端線路出現(xiàn)不均勻沉降而另一端運(yùn)行約10.0年后線路平順性仍良好的情況.

從圖8～10可以看出，對于同時出現(xiàn)不均勻沉降的線路，同一聯(lián)絡(luò)通道兩端線路的沉降槽深度與影響范圍比較接近，累積沉降曲線形狀也接近；對于不同時出現(xiàn)不均勻沉降的線路，同一聯(lián)絡(luò)通道兩端線路沉降槽的深度與影響范圍及累積沉降曲線的形狀相差較大.對于同一聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)線路同時出現(xiàn)的不均勻沉降，可以認(rèn)為導(dǎo)致不均勻沉降的因素為共同因素，如：聯(lián)絡(luò)通道施工對周圍土體的擾動，尤其是采用凍結(jié)法施工時，解凍后周圍土體強(qiáng)度降低較多；周圍環(huán)境影響導(dǎo)致同時在隧道管片上出現(xiàn)滲漏水；在聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)出現(xiàn)滲漏水等.同一聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)線路不同時出現(xiàn)不均勻沉降，可以認(rèn)為導(dǎo)致不均勻沉降的因素為非共同因素，如某一側(cè)線路出現(xiàn)了滲漏水而另一側(cè)未出現(xiàn)滲漏水，或出現(xiàn)滲漏水的時間不同.

從所統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道旁線路出現(xiàn)沉降槽的情況來看，在線路產(chǎn)生沉降槽后，沉降槽的深度與影響范圍基本都會隨著運(yùn)營時間的增長而加大.在軟土地區(qū)運(yùn)營超過10.0年的地鐵中聯(lián)絡(luò)通道旁線路的沉降槽深度可達(dá)40mm之多，影響范圍也可達(dá)到50m以上.在統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道旁線路累積沉降中，約80%的聯(lián)絡(luò)通道旁線路出現(xiàn)了不均勻沉降，其中約90%為沉降槽.

2.2 聯(lián)絡(luò)通道旁線路沉降小于兩側(cè)

在統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道旁線路的累積沉降中，也存在部分線路在聯(lián)絡(luò)通道旁的累積沉降小于兩側(cè)，如圖11a，b和圖12a.當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道旁線路累積沉降小于兩側(cè)時，說明聯(lián)絡(luò)通道處的地質(zhì)較好，很可能聯(lián)絡(luò)通道周圍土體在盾構(gòu)隧道施工前進(jìn)行了永久加固，如三重管旋噴樁、深層攪拌樁、SMW等水泥系工法加固，而不是凍結(jié)法加固.圖12b為聯(lián)絡(luò)通道E對應(yīng)的另一端，從圖中可以看出，盡管在聯(lián)絡(luò)通道旁線路出現(xiàn)了沉降槽，但沉降槽的深度與影響范圍都不大，相比圖8～10而言，其發(fā)展程度也小得多.由此推斷聯(lián)絡(luò)通道E周圍土體很可能進(jìn)行了永久加固.在統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道旁線路出現(xiàn)的不均勻沉降中，約10%的聯(lián)絡(luò)通道旁的線路長期累積沉降都小于兩側(cè).

從所統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道兩端的線路的累積沉降中，不管聯(lián)絡(luò)通道兩端線路是否都出現(xiàn)了不均勻沉降，也不管兩端線路不均勻沉降是否同時產(chǎn)生，上下行線的累積沉降值在聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)接近，且線路的沉降趨勢也相同（即大里程一側(cè)與小里程一側(cè)的累積沉降變化趨勢相同），聯(lián)絡(luò)通道旁線路不均勻沉降值相對線路的累積沉降值而言很小，因此可以認(rèn)為聯(lián)絡(luò)通道對線路不均勻沉降的影響相對線路的總體沉降而言影響較小，可見決定線路總體沉降的因素為該處的地質(zhì)及周圍環(huán)境.

3 隧道與U型槽間差異沉降

圖13和14為隧道與U型槽連接處的累積沉降，從圖中可以看出，隧道與U型槽連接處（圖中豎線對應(yīng)的里程為隧道與U型槽連接處的里程）的差異沉降非常小.圖14在隧道一側(cè)隨著里程增加累積沉降值有所增大，對此可認(rèn)為是地質(zhì)均勻變化所致，并非結(jié)構(gòu)差異所致，且可認(rèn)為對軌道的平順性影響不大.從累積沉降來看，同一地鐵的上下行線隧道與U型槽連接處的差異沉降與線路的總沉降非常相似.

與U型槽連接的隧道一般采用明挖法施工，當(dāng)采用明挖法施工時一般采用矩形隧道，因此U型槽與矩形隧道的結(jié)構(gòu)形式非常接近，兩者的基底應(yīng)力與結(jié)構(gòu)剛度相差不大，因此兩種結(jié)構(gòu)間的差異沉降不大.從圖13與14中還可以看出，U型槽的后續(xù)總沉降不大，這是因為U型槽基底應(yīng)力較小，有利于減小后續(xù)沉降.

4 減小不同結(jié)構(gòu)間差異沉降措施

車站與隧道連接處產(chǎn)生差異沉降的主要原因包括車站與隧道結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的剛度差異、車站與隧道的基底加固方式不同、車站與隧道出現(xiàn)差異沉降后軌道不平順導(dǎo)致的行車振動、連接部位易出現(xiàn)滲漏水等.為了減小甚至避免車站與隧道連接處差異沉降的發(fā)生，應(yīng)該設(shè)置一定長度的剛度過渡段，長度一般設(shè)置為15～20m，剛度過渡段的做法可借鑒高速鐵路的線路剛度過渡段設(shè)置方法；對進(jìn)站端頭井與出站端頭井的加固應(yīng)區(qū)別對待，出站端頭井的加固深度與長度應(yīng)適當(dāng)加大；此外還可以考慮在車站與隧道連接處一定范圍內(nèi)采用減振型軌道結(jié)構(gòu).在運(yùn)營階段應(yīng)加強(qiáng)車站與隧道連接處的監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)滲漏水時要盡快治理［9］，發(fā)現(xiàn)軌道不平順時要及時調(diào)整軌道，以防惡性循環(huán)發(fā)生.

聯(lián)絡(luò)通道旁線路的不均勻沉降產(chǎn)生可分為兩類，一類是線路剛開始運(yùn)營就產(chǎn)生不均勻沉降；另一類是在線路運(yùn)營數(shù)年后才產(chǎn)生不均勻沉降.剛開始運(yùn)營就產(chǎn)生不均勻沉降的主要原因為聯(lián)絡(luò)通道施工過程中對周圍土體產(chǎn)生了擾動；運(yùn)營數(shù)年后才出現(xiàn)差異沉降的主要原因為聯(lián)絡(luò)通道處發(fā)生了滲漏，進(jìn)而導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生固結(jié)沉降.在線路不均勻沉降出現(xiàn)后，線路的平順性受到影響，同時管片間發(fā)生相對位移后易出現(xiàn)滲漏，最終多因素形成惡性循環(huán)，這也是線路一旦發(fā)生不均勻沉降后，不均勻沉降值與影響范圍往往要增大的原因.為了減小聯(lián)絡(luò)通道旁線路的不均勻沉降發(fā)生，建議在盾構(gòu)隧道施工前將聯(lián)絡(luò)通道周圍的土體進(jìn)行永久性加固，如采用旋噴法或深層攪拌法.當(dāng)條件不允許而必須采用凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道時，應(yīng)盡量采取措施來減小凍結(jié)法施工對土體的擾動，如：降低冷卻溫度、增大凍結(jié)速度，把凍結(jié)范圍控制在必要的最小限度內(nèi)［10］，通過增加孔隙水的黏性來控制向凍結(jié)面的水分遷移量［11-12］等，并在施工完后加強(qiáng)壁后注漿.

從結(jié)構(gòu)間的差異沉降來看，在局部出現(xiàn)差異沉降后，隨著運(yùn)營時間的增長，在沉降槽的附近線路往往會形成新的不均勻沉降，其主要原因是列車在沉降槽附近出現(xiàn)了顛簸，因此應(yīng)加強(qiáng)線路的平順性監(jiān)測［13］，當(dāng)線路出現(xiàn)差異沉降后應(yīng)及時采取措施，以防止多因素惡性循環(huán)導(dǎo)致更大的不均勻沉降.

5 結(jié)論

（1）同一車站兩端的沉降槽一般是出站一側(cè)先出現(xiàn)，而且沉降槽的深度與影響范圍基本都是出站一側(cè)大于進(jìn)站一側(cè).沉降槽產(chǎn)生后其深度與影響范圍一般要增大，并可能導(dǎo)致車站內(nèi)的線路呈現(xiàn)出中間高兩側(cè)低的趨勢.

（2）從所統(tǒng)計的軟土地區(qū)地鐵車站與隧道連接處差異沉降來看，車站沉降小于其鄰接隧道的約占70%；車站沉降大于其鄰接隧道的約占25%.當(dāng)車站比其鄰接隧道的沉降大時，連接處差異沉降值較小，且沉降槽的影響范圍不大.

（3）導(dǎo)致同一聯(lián)絡(luò)通道兩端線路不均勻沉降的因素有共同因素與非共同因素，對于共同因素導(dǎo)致不均勻沉降的，沉降槽的深度與影響范圍及累積沉降曲線的形狀非常接近；對于非共同因素導(dǎo)致的不均勻沉降，不均勻沉降值與累積沉降曲線的形狀相差較大.在統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道旁線路中約80%出現(xiàn)了不均勻沉降，其中約90%為沉降槽.

（4）在聯(lián)絡(luò)通道旁線路沉降小于兩側(cè)時，不均勻沉降值與影響范圍基本能保持穩(wěn)定.在聯(lián)絡(luò)通道一端線路中出現(xiàn)的沉降小于兩側(cè)時，在聯(lián)絡(luò)通道另一端即使出現(xiàn)了沉降槽，沉降槽的深度與影響范圍也基本能保持穩(wěn)定.在統(tǒng)計的聯(lián)絡(luò)通道處線路出現(xiàn)了不均勻沉降中，約10%的聯(lián)絡(luò)通道處的長期累積沉降小于兩側(cè).

（5）隧道與U型槽連接處差異沉降值很小，基本無明顯的沉降槽出現(xiàn)，且U型槽的累積總沉降一般較小.

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