軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道橫向變形特征研究

周 群，沈 璽，李筱旻

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司工務(wù)分公司 監(jiān)護(hù)之眼青年技術(shù)工作室，上海 200070)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，地下空間的開發(fā)利用逐漸提高[1]，與此同時，軌道交通也得到了進(jìn)一步發(fā)展[2]。盾構(gòu)法施工作為暗挖法的一種，因其安全性、技術(shù)性、效率性、經(jīng)濟性等特點受到廣泛關(guān)注和采用。然而，在上海等軟土地區(qū)，受上部荷載、周邊施工[3-6]以及運營擾動等多因素復(fù)雜影響下，盾構(gòu)隧道容易產(chǎn)生縱向沉降和橫向變形[7]，其中橫向變形又體現(xiàn)為豎向的管徑壓縮和水平向的收斂變形，尤其是過大的橫向變形會引起結(jié)構(gòu)滲漏水、螺栓失效、管片破損等嚴(yán)重病害[8-9]，極端情況下甚至導(dǎo)致隧道管片整體破壞。因此，如何有效地控制和整治軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫向變形成為工程中的研究熱點之一。微擾動注漿技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的盾構(gòu)隧道收斂整治和糾偏工藝技術(shù)，尤其在上海和江浙等軟土地區(qū)，微擾動注漿技術(shù)效果顯著、過程可控，通過在隧道兩側(cè)實施數(shù)排水泥、水玻璃雙液漿的注入，來增強隧道周邊土體的密實度和彈性模量等物理性能，增加土體側(cè)向約束和抗力，減小隧道收斂變形，遏制隧道發(fā)生進(jìn)一步橫向形變，改善隧道的“橢圓度”。

針對盾構(gòu)隧道的橫向變形和微擾動注漿整治技術(shù)，眾多學(xué)者已有了一定研究。王如路等[10]分析了軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的微擾動注漿技術(shù)，介紹了該技術(shù)在治理盾構(gòu)隧道不均勻沉降和收斂變形方面的工程應(yīng)用，為軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的整治提供了工程借鑒。黃亞德等[11]通過使用激光測距儀對注漿過程中的隧道收斂情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并量化跟蹤了注漿后的隧道變形。張冬梅等[12]提出了采用注漿引起的土體體積應(yīng)變模擬隧道注漿效果的方法，并利用上海地鐵隧道注漿加固實踐驗證了該方法的合理性。

以上研究和應(yīng)用取得了一定成果和工程借鑒意義，但主要側(cè)重于微擾動注漿技術(shù)的應(yīng)用，均未對盾構(gòu)隧道橫向變形特征進(jìn)行詳細(xì)分析研究，尤其是隧道橫向收斂變形的減小引起垂直位移和豎向變形。在眾多微擾動注漿工程案例中，軟土地區(qū)微擾動注漿在整治盾構(gòu)隧道橫向收斂變形的同時會引發(fā)隧道豎徑和垂直位移變化的現(xiàn)象，由此可見，隧道水平直徑變化和豎向直徑變化、垂直位移之間的內(nèi)在關(guān)系不可忽視。而在注漿參數(shù)一致，平、剖面相對位置關(guān)系一致的情況下，盾構(gòu)隧道的橫向收斂與垂直位移呈現(xiàn)出較大差異化，隧道出現(xiàn)或沉或抬的現(xiàn)象，變形差異化的主要原因涉及一系列客觀條件，如土層的成層性、土體的物理性質(zhì)差異化等。但是，就單一結(jié)構(gòu)整體而言，隧道橫向水平直徑、豎向直徑、垂直位移的變形規(guī)律從理論上應(yīng)有跡可循。這將是后續(xù)在不同客觀因素下，研究分析不同參數(shù)對隧道橫向水平直徑、豎向直徑、垂直位移的變形規(guī)律的前提條件。

考慮到研究問題的復(fù)雜性，本文僅針對軟土地區(qū)，基于微擾動注漿引起的盾構(gòu)隧道橫向變形特征，即橫向水平直徑與豎向直徑進(jìn)行對比分析，研究兩者變化量之間的相對關(guān)系。擬結(jié)合實際工程案例，詳述微擾動注漿技術(shù)以及分析其在軟土地區(qū)整治盾構(gòu)隧道橫向收斂變形的應(yīng)用效果，并用實測數(shù)據(jù)對研究成果進(jìn)行驗證，同時著重分析盾構(gòu)隧道豎向直徑變化和橫向收斂變化的內(nèi)在關(guān)系，探索可以準(zhǔn)確描述其關(guān)系的理論方法，以揭示出隧道橫向變形特征和規(guī)律。

1 微擾動注漿及監(jiān)測技術(shù)

1.1 微擾動注漿

(1)鉆孔定位

首先在獲取隧道準(zhǔn)確位置的基礎(chǔ)上，對注漿孔要進(jìn)行精確定位，確保隧道安全，并使注漿達(dá)到理想效果，位置確定后進(jìn)行鉆孔埋管。

(2)注漿施工

根據(jù)注漿的效果，調(diào)整施工順序。注漿順序,同一排內(nèi)按照做一跳五施工，相鄰孔注漿時間間隔不少于2 d，并根據(jù)監(jiān)測情況即時調(diào)整，由收斂變形最大點向兩端進(jìn)行，每次施工具體注漿孔位根據(jù)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)在施工前確定。注漿期間為了防止過度注漿引起的二次損傷，一般確定注漿范圍內(nèi)的隧道收斂大于3 mm時需要實時報警，大于5 mm則需要停止該孔的注漿。

為此，整個注漿整治期間的監(jiān)測需要有很高的實時性和準(zhǔn)確性，這就要求沉降和收斂監(jiān)測均采用自動化方式進(jìn)行，頻率要求大于5 min/次。

1.2 監(jiān)測技術(shù)

微擾動注漿對單圓隧道結(jié)構(gòu)影響主要包括管徑收斂變形監(jiān)測、縱向垂直位移變形以及單側(cè)注漿時容易引起的隧道水平位移。為了實時監(jiān)控注漿期間隧道結(jié)構(gòu)的變形情況，并為了防止過度注漿而給隧道帶來的二次損傷，基本采取以自動化監(jiān)測為主，人工測量為輔的方式進(jìn)行監(jiān)測，即自動化實時提供隧道變形數(shù)據(jù)來指導(dǎo)注漿施工，而人工只有在有隧道施工窗口期的情況下才進(jìn)行測量，并與自動化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比校核。

隧道整治自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把所有的傳感器、采集器等聯(lián)系在一起，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)還將所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后實時發(fā)布。整治過程中所有自動化數(shù)據(jù)通過網(wǎng)頁形式發(fā)布。在過程中也可以隨時查詢實時的數(shù)據(jù)和曲線，包括累計變化量、本次變化量等，還可以對監(jiān)測頻率進(jìn)行調(diào)整。針對隧道整治過程中的特殊要求，系統(tǒng)可以做到簡便地查看注漿前后的隧道變形量，并當(dāng)該變形量超過預(yù)定值時及時進(jìn)行軟件報警和短消息報警。

2 隧道橫向變形規(guī)律

針對微擾動注漿技術(shù)在整治隧道橫向收斂變形時，不可避免地引起隧道豎向直徑的變化，建立模型1、模型2，以便更好地研究盾構(gòu)隧道水平、豎向直徑的變化關(guān)系和規(guī)律。

2.1 模型1

基本假設(shè)：盾構(gòu)隧道發(fā)生“橢圓”橫向變形且變形前后周長近似不變；隧道拱底塊因道床的加固作用未發(fā)生變形。

若隧道管片變形前某一環(huán)管片長短半徑為a、b(見圖1)，變形后長短半徑分別為：

a1=a+Δa

(1)

b1=b+Δb

(2)

而橢圓近似周長為:L=2πb+4(a-b)

(3)

則有關(guān)系式：2πb+4(a-b)=2πb1+4(a1-b1)

(4)

將式(1)和式(2)式代入式(4)中得:

(5)

式(5)表示當(dāng)隧道橫向長半軸變化的時候會引起豎向短半軸變化，即盾構(gòu)隧道水平、豎向直徑的變化量關(guān)系。

由式(5)可知，盾構(gòu)隧道豎向直徑變化量大于水平直徑變化量，前者約是后者的1.75倍，且兩者呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。

圖1 隧道示意圖

2.2 模型2

同時，王如路等[13]利用隧道結(jié)構(gòu)變形發(fā)展過程中的結(jié)構(gòu)幾何特征，建立了隧道變形量發(fā)展的幾何簡易分析方法。其基本假設(shè)：盾構(gòu)隧道管片為剛體；橫向變形過程中僅發(fā)生管片之間的相對轉(zhuǎn)動和平動，變形后隧道仍為左右對稱的六邊形；隧道拱底塊保持不動。

再采用其提出的關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行對比分析，以期尋找有更符合工程實際的關(guān)系式或理論，更好、更準(zhǔn)確地建立盾構(gòu)隧道橫、豎向直徑的變化關(guān)系。

l=4.801 6×sin[arccos(A/6.314 1)+ arccos(1.642 9/A)-83.788 4°]+4.148 6

(6)

其中，A=(31.574 4-10.747 4d+d2)1/2；d為隧道封頂塊發(fā)生的豎向位移，即隧道豎向直徑的變化量，而該變化量是指當(dāng)前的隧道豎向直徑與初始狀態(tài)(未發(fā)生任何橫向變形的“正圓”狀態(tài))的豎向直徑之差。

同時，為便于計算和應(yīng)用，王如路[13]給出了式(6)簡化的擬合公式(R2=0.999)：

l≈1.117d+5.506

(7)

將式(7)稍作變換，得：

Δd≈-0.895Δl

(8)

3 案例分析

3.1 項目概況

上海某地塊基坑臨近地鐵M號線盾構(gòu)隧道，其中，基坑深度約3～6 m，隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，頂埋深7～14 m，要求基坑挖深不大于下方地鐵隧道覆土深度，且覆土不小于5 m。

受前期施工影響，地鐵隧道上下行線部分區(qū)間隧道管徑收斂累計變形超過控制值10 mm，為控制隧道結(jié)構(gòu)變形和保障地鐵運營安全，需對項目對應(yīng)范圍內(nèi)區(qū)間隧道進(jìn)行逐環(huán)微擾動注漿加固施工，注漿范圍為上行線S40-S160環(huán)，下行線X40-X164環(huán)，微擾動注漿剖面圖(見圖2)。

圖2 注漿剖面圖

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

在微擾動注漿期間，主要監(jiān)測內(nèi)容包括盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)沉降以及橫向收斂變形。

3.3 監(jiān)測范圍

依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求及微擾動注漿范圍綜合確定本項目監(jiān)測范圍。M號線隧道沉降及收斂監(jiān)測范圍為：上行線S38-S163環(huán)；下行線S38-S168環(huán)。

3.4 監(jiān)測結(jié)果

微擾動注漿的隧道變形監(jiān)測結(jié)果(見圖3)，在微擾動注漿施工期間，盾構(gòu)隧道的橫向收斂變形得到有效改善，上行最大收斂變化量-34.65 mm，平均變化量-22.35 mm；下行最大收斂變化量-24.15 mm，平均變化量-11.42 mm。微擾動注漿效果明顯，可以很好地整治軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的橫向變形。同時，在注漿的過程中，隧道也發(fā)生了不同程度的垂直位移，主要表現(xiàn)為抬升變形，上行最大抬升量19.85 mm，下行最大抬升量11.32 mm。由此可知，盾構(gòu)隧道橫向收斂變形整治的同時伴隨著垂直位移的發(fā)生。

圖3 微擾動注漿期間隧道變形曲線

相關(guān)工程實例和研究表明，在微擾動注漿施工期間，盾構(gòu)隧道會伴有垂直位移的豎向變形發(fā)生，其原因主要為：(1)微擾動注漿技術(shù)在垂直方向上往往是自下而上進(jìn)行提升注漿，并且注漿范圍主要位于隧道的中下部分，注漿過程中容易對隧道產(chǎn)生一個向上的作用力，從而導(dǎo)致隧道抬升；(2)微擾動注漿技術(shù)的主要目的是整治盾構(gòu)隧道的橫向收斂變形，改善其“橢圓度”，減小水平直徑。但在此過程中也會引發(fā)隧道橫向形狀的變化，隧道豎向直徑有所增加，同時進(jìn)一步引起道床的垂直位移，即隧道的垂直位移。

3.5 模型驗證

在實際工程的監(jiān)護(hù)監(jiān)測中，隧道橫向水平直徑的變化主要體現(xiàn)于橫向收斂變形的監(jiān)測，而由于道床因素，豎向直徑無法直接測量得到，只能以隧道頂部至道床的垂直距離作為測量目標(biāo)。在微擾動注漿整治過程中，同時監(jiān)測盾構(gòu)隧道的水平直徑和隧道頂部至道床的垂直距離以及它們的變化量。并選取兩個典型隧道斷面進(jìn)行分析研究。

分別將式(5)和式(8)與實際工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比(見圖4)。

圖4 橫向變形規(guī)律

由對比結(jié)果可知，式(5)與實測數(shù)據(jù)擬合度較差，式(5)的計算結(jié)果偏大，與實測數(shù)據(jù)存在一定誤差，誤差率已超過50%。分析其原因，主要有：(1)盾構(gòu)隧道的橢圓假設(shè)與實際不符；(2)隧道底部未發(fā)生變形并不正確；(3)盾構(gòu)隧道因拼接縫的原因存在管片的平動和轉(zhuǎn)動，不完全符合變形協(xié)調(diào)條件。

而式(8)具有更好的擬合度(R2=0.81，圖中黑虛線方程為Δd≈-0.895Δl±6)，能夠更為準(zhǔn)確、更直接地反映微擾動注漿期間隧道水平、豎向直徑變化量之間的關(guān)系。而造成理論與實測數(shù)據(jù)的差異因素為：(1)監(jiān)測本身存在一定誤差；(2)隧道采用的是兩側(cè)非對稱微擾動注漿；(3)隧道各環(huán)自身的絕對變形有差異；(4)微擾動注漿工藝尚且無法做到每孔完全一致。

并由監(jiān)測數(shù)據(jù)和式(8)可進(jìn)一步得到：(1)在微擾動注漿期間，盾構(gòu)隧道的水平直徑減小，豎向直徑增大，兩者基本呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，與前文所述一致；(2)在橫向變形整治過程中，盾構(gòu)隧道水平直徑的變化量略大于豎向直徑的變化量，前者約后者的1.117倍；(3)由理論與實際對比可知，式(6)—(8)能夠較好描述盾構(gòu)隧道橫向變形特征，可為后續(xù)工程的應(yīng)用和分析提供依據(jù)和方法。

4 結(jié)論與展望

結(jié)合實際工程案例，詳述了微擾動注漿技術(shù)以及其應(yīng)用效果，并研究分析了盾構(gòu)隧道橫向變形特征和規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)微擾動注漿可以有效整治軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的橫向收斂變形，且整治效果明顯；

(2)在微擾動注漿整治過程中，盾構(gòu)隧道的水平直徑減小，豎向直徑增大，前者的變化量略大于后者，兩者基本呈現(xiàn)負(fù)線性相關(guān)關(guān)系；

(3)幾何簡易分析方法可以較好地反映和描述盾構(gòu)隧道的橫向變形特征，可以為今后的研究分析提供理論依據(jù)；

(4)本文從隧道沉降和收斂的監(jiān)測來分析微擾動注漿對于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響，但未對隧道水平直徑變化和豎向直徑變化、垂直位移之間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行探索，也未針對微擾動注漿對盾構(gòu)隧道管片和周邊土體的變形進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測和研究分析，更未對隧道整治變形量和注漿參數(shù)之間建立起聯(lián)系。因此，工作室后期將結(jié)合實際工程案例，利用微擾動注漿技術(shù)整治受鄰近施工擾動的地鐵隧道，并實時跟蹤監(jiān)測注漿過程的隧道結(jié)構(gòu)變形和周邊土體影響情況以及注漿技術(shù)的工藝參數(shù)，并對典型隧道斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析研究。