長江漫灘軟土地區(qū)隧道沉降治理研究

喬小雷 ,高才馳 ,陳 飛

(1.南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司,南京 210012;2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019)

我國東部沿海地區(qū)特別是長江下游地區(qū)廣泛分布著新近沉積的、不同成因類型的軟土,這些軟土顆粒細(xì)、黏土礦物含量高、結(jié)構(gòu)松散,其工程性質(zhì)表現(xiàn)為含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性差等[1]。因此軟土地質(zhì)條件下的城市地鐵隧道穩(wěn)定期較長,且易受外界降水、開挖施工等擾動(dòng),出現(xiàn)較嚴(yán)重的沉降變形[2]。隧道的長期沉降和差異變形將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)本體出現(xiàn)大量結(jié)構(gòu)性裂縫,進(jìn)而對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和防水性能等構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[3]。華東地區(qū)某地鐵隧道位于長江漫灘地區(qū),地質(zhì)條件較差,開通運(yùn)營后受周邊大規(guī)模開發(fā)的影響,出現(xiàn)了較大的沉降和差異變形[4],先后形成了多個(gè)變形沉降槽,對(duì)地鐵行車安全和舒適性造成了極大危害[5-6]。因此,及時(shí)開展隧道沉降病害調(diào)研和治理很有必要。王燕平等[7]針對(duì)水下大直徑盾構(gòu)隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)變形及其病害開展了相關(guān)研究。本文針對(duì)軟土地區(qū)地鐵隧道長期沉降和差異變形等問題,在隧道結(jié)構(gòu)病害基礎(chǔ)上,探討了運(yùn)營期的不同治理方案,采用水泥漿加膨潤土和水泥-水玻璃雙液漿兩種注漿材料,通過自上而下、自下而上兩種方式對(duì)隧道沉降進(jìn)行治理,并對(duì)治理效果進(jìn)行分析和討論。

1 工程背景

1.1 工程建設(shè)概況

該地鐵為某線西延工程,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁與水泥土深層攪拌樁相互咬合的聯(lián)合支護(hù)方式;隧道結(jié)構(gòu)型式為在軌道線間距中部設(shè)置中隔墻,使其成為連接成一體的矩形鋼筋混凝土雙孔隧道。標(biāo)準(zhǔn)直線段隧道凈寬為4.4 m,隧道凈高為5.16 m,曲線段隧道結(jié)構(gòu)存在相應(yīng)加寬、加高。區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)隧道結(jié)構(gòu)的主要尺寸如下:邊墻厚度500 mm,頂板厚度500 mm,底板厚度600 mm,中隔墻厚度300 mm,區(qū)間隧道標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1 所示,區(qū)間隧道基坑回填與地基加固如圖2 所示。

該工程從隧道口往西北方向沿西南大街走行,分別下穿嶗山路、青山路、玉山路后向東北方向拐行至仙山路,下穿體育大街后到達(dá)河西中心,全長約3.9 km。地鐵線路兩側(cè)分布有較多高層建筑物(均為地鐵修建完成后建設(shè))。該項(xiàng)目于1999 年開工建設(shè),主體結(jié)構(gòu)于2003 年底完工,2004 年2 月完成頂板土回填,2005 年9 月正式投入運(yùn)營。該條線路長期存在不均勻沉降問題,截至2018 年,相對(duì)運(yùn)營初期累計(jì)最大沉降329.4 mm,形成5 個(gè)沉降槽,覆蓋里程長度為2.2 km。

1.2 工程地質(zhì)及水文情況

該隧道位于南京河西軟土地區(qū),屬于長江漫灘地貌單元。地下水主要受到長江和秦淮河影響,地表水系發(fā)達(dá)。河西地區(qū)地下水分為潛水及承壓水。地下水水位在地下0.5～1.0 m,為潛水水位,水位受季節(jié)性控制,年水位變幅在0.5～1.0 m。隧道穿越地層為②-2b4 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(流塑)和②-3c3粉土,區(qū)間地質(zhì)剖面圖如圖3 所示。

2 隧道結(jié)構(gòu)病害情況

隧道目前已出現(xiàn)各種不同程度的病害,主要體現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)環(huán)向裂縫、框架結(jié)構(gòu)滲漏水、道床與邊墻剝離、道床翻漿冒泥等。

2.1 結(jié)構(gòu)裂縫

經(jīng)長期變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),主要是隧道出現(xiàn)的不均勻沉降引發(fā)了結(jié)構(gòu)裂縫,尤其是在沉降槽的反彎點(diǎn)附近,隧道內(nèi)框架環(huán)向結(jié)構(gòu)裂縫較多,呈現(xiàn)裂縫間距密、縫寬小的特點(diǎn)。裂縫形式基本為垂直于行車線路的豎直裂縫(局部已發(fā)展成貫通性裂縫)和少量斜裂縫,無明顯縱向裂縫?？蚣芙Y(jié)構(gòu)側(cè)墻環(huán)向與斜向裂縫如圖4 所示。

裂縫總體的發(fā)展方向是由下部向頂部發(fā)展,裂縫往上寬度逐漸變小。裂縫分布于整個(gè)隧道區(qū)間內(nèi),間距0.3～ 0.8 m 不等,寬度普遍在0.1～0.4 mm 之間,最大達(dá)到約5 mm,5 個(gè)沉降槽經(jīng)統(tǒng)計(jì)共有1 500 余條裂縫。框架結(jié)構(gòu)裂縫分布與沉降槽區(qū)段對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5 所示。

2.2 結(jié)構(gòu)滲漏水

由于大量裂縫的存在,隧道內(nèi)一直有較嚴(yán)重的滲漏問題。滲漏水出現(xiàn)的部位也包含了所有裂縫能涉及的部位,例如拱頂、邊墻、道床以及水溝,框架結(jié)構(gòu)頂板及側(cè)墻滲漏水如圖6 所示。從現(xiàn)場(chǎng)情況來看,滲漏主要為裂縫處的慢滲,局部有快滲現(xiàn)象。

2.3 道床病害

隧道內(nèi)混凝土整體道床不僅有橫向裂縫,還存在著較多的縱向道床與邊墻的剝離縫,并長期伴有較多的翻漿、冒泥、滲漏水現(xiàn)象,部分區(qū)段水質(zhì)腐臭發(fā)黑,并伴有氣泡,水溝內(nèi)亦有較多細(xì)砂和粉質(zhì)淤泥狀物質(zhì)沉淀,道床裂縫與翻漿冒泥如圖8 所示。

3 治理方案

在沉降槽區(qū)段進(jìn)行隧內(nèi)隧底注漿,可有效減緩沉降槽的沉降,以達(dá)到使隧道整體線型相對(duì)平緩的目的,并且能夠?qū)λ淼乐黧w結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行治理。因結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)狀況等條件的特殊性,方案并不固定。為驗(yàn)證整治方案的可行性、收集施工工藝參數(shù)、分析工效,以便為全面加固提供依據(jù),開展了兩個(gè)典型試驗(yàn)段的施工。

3.1 試驗(yàn)段(一)

3.1.1 試驗(yàn)段情況

試驗(yàn)段(一)選擇在B 站～C 站區(qū)間K5 +833～K5+903 段,試驗(yàn)段(一)位置如圖8 所示。平面位于國際博覽中心東北側(cè),處在3 號(hào)沉降槽內(nèi),上下行線各50 m。

試驗(yàn)段(一)注漿采用水泥+膨潤土漿液,注漿孔縱向間距1.3 m(梅花形布置),橫向?yàn)榫€路中心兩側(cè)1.2 m 處,單洞設(shè)兩排注漿管,注漿孔孔徑42 mm,注漿深度為底板下2.5 m,分層進(jìn)行注漿,試驗(yàn)段(一)注漿方案如圖9 所示。在試驗(yàn)段(一)內(nèi)又分為兩段,每段25 m,間隔20 m,采取兩種不同注漿順序,即由隧底向下部土層注漿和由下部土層向隧底注漿。

3.1.2 治理效果

試驗(yàn)段(一)施工自2017 年10 月13 日起,施工過程中開展同步監(jiān)測(cè),每日注漿施工前、施工中、施工后各測(cè)一遍,及時(shí)分析注漿數(shù)據(jù),指導(dǎo)注漿作業(yè),防止異常隆沉。注漿期間,平均單日抬升量與回落量為上行1.2 mm/ -0.7 mm,下行1.3 mm/-0.9 mm。試驗(yàn)段(一)施工完成時(shí),相對(duì)注漿起始累計(jì)抬升量為:上行最大12.7 mm,平均9.2 mm;下行最大13.2 mm,平均9.4 mm,試驗(yàn)段(一)注漿累計(jì)沉降量如圖10 所示。

2018 年2 月2 日,試驗(yàn)段(一)注漿施工完成,進(jìn)入跟蹤觀測(cè)期。3 個(gè)月后試驗(yàn)段(一)相對(duì)注漿前累計(jì)抬升量為:上行最大6.5 mm,平均2.3 mm;下行最大6.5 mm,平均2.6 mm;平均沉降速率為上行-0.045 mm/d,下行-0.053 mm/d,試驗(yàn)段(一)期間永久監(jiān)測(cè)沉降量如圖11 所示。

根據(jù)《南京地鐵某區(qū)間中心隧道結(jié)構(gòu)表觀病害、沉降治理設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)專家審查會(huì)專家意見》所確定的治理效果評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),試驗(yàn)段較注漿前仍有一定在抬升累量,符合標(biāo)準(zhǔn),但沉降速率較大,不滿足相關(guān)穩(wěn)定指標(biāo)的要求。

3.2 試驗(yàn)段(二)

3.2.1 試驗(yàn)段情況

對(duì)試驗(yàn)段(一)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)整,在原試驗(yàn)段(一)的基礎(chǔ)上再次選擇試驗(yàn)段(二),以進(jìn)一步掌握、分析沉降治理工藝,擴(kuò)大數(shù)據(jù)的采集范圍,優(yōu)化整體方案。試驗(yàn)段(二)選擇在A 站～B 站區(qū)間K4 +840～K4 +890 處,平面位于朗詩國際街區(qū)附近,處在4 號(hào)沉降槽內(nèi),上下行線各50 m,共計(jì)100 m,試驗(yàn)段(二)位置如圖12 所示。

試驗(yàn)段(二)注漿采用水泥-水玻璃雙液漿。注漿孔縱向間距1.3 m,橫向?yàn)榫€路中心兩側(cè)1.2 m處,單洞設(shè)兩排注漿管,注漿孔孔徑42 mm,注漿深度為底板下1 m,分層進(jìn)行注漿,由隧底向下部土層注漿,試驗(yàn)段(二)注漿方案如圖13 所示。

3.2.2 治理效果

試驗(yàn)段(二)注漿自2018 年7 月4 日至2018 年9月10 日。注漿期間,平均單日抬升量與回落量為上行0.9 mm/ -0.4 mm,下行0.9 mm/ -0.5 mm。試驗(yàn)段施工完成時(shí),相對(duì)注漿起始累計(jì)抬升量為上行最大18.7 mm,平均13.9 mm;下行最大21.4 mm,平均14.8 mm。

至2018 年12 月完成對(duì)試驗(yàn)段(二)的3 個(gè)月跟蹤期觀測(cè),相對(duì)注漿前累計(jì)抬升量為:上行最大12.9 mm,平均9.3 mm;下行最大13.9 mm,平均10.0 mm,試驗(yàn)段(二)注漿累計(jì)沉降量如圖14所示;平均沉降速率為上行-0.01mm/d,下行-0.01 mm/d。

4 治理方案效果對(duì)比分析

將試驗(yàn)段(一)與試驗(yàn)段(二)的注漿位置、孔位布置、注漿材料、注漿深度、注漿順序等施工工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)段(一)與試驗(yàn)段(二)參數(shù)對(duì)比如表1 所示。

表1 試驗(yàn)段(一)與試驗(yàn)段(二)參數(shù)對(duì)比

試驗(yàn)段(一)注漿采用單液漿,試驗(yàn)段(二)注漿采用雙液漿,將試驗(yàn)段(一)與試驗(yàn)段(二)的試驗(yàn)方案和治理效果對(duì)比可以看出:

(1) 單漿液流動(dòng)性較好,單孔注漿時(shí),漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn),影響范圍及擾動(dòng)較大。但試驗(yàn)段(一)在注漿施工過程中,平均單日抬升量與回落量達(dá)到上行1.2 mm/ -0.7 mm,下行1.3 mm/ -0.9 mm;試驗(yàn)段(二)在注漿施工過程中,平均單日抬升量與回落量達(dá)到上行0.9 mm/ -0.4 mm,下行0.9 mm/-0.5 mm。

(2) 試驗(yàn)段(一)單液漿凝固速度慢,導(dǎo)致在注漿完成后3 個(gè)月時(shí),沉降速率仍達(dá)-0.05 mm/d;在注漿完成6 個(gè)月時(shí)逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),隧道平均抬升量為1.7 mm,最大回落至注漿前-2 mm,平均沉降速率為:上行-0.045 mm/d,下行-0.053 mm/d,未完全達(dá)到預(yù)期理想效果。

(3) 試驗(yàn)段(二)施工完成后3 個(gè)月基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)隧道平均抬升量為9.3～10 mm,隧道結(jié)構(gòu)均處于抬升狀態(tài)(最小抬升2.5 mm 左右),平均沉降速率為上行-0.01 mm/d,下行-0.01 mm/d,實(shí)現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)沉降整治的目的,加固效果較明顯。

5 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)段(一)采用單液漿注漿,試驗(yàn)段(二)采用雙漿液注漿,單漿液流動(dòng)性較好,漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn),影響范圍及擾動(dòng)大,單漿液注漿后單次平均抬升量較大,但次日平均回落量也較大,為單次抬升量的1/2～2/3,隧道結(jié)構(gòu)沉降速率仍較大,整體上單漿液注漿抬升效果較差。

(2) 單液漿凝固速度慢,注漿完成6 個(gè)月后才逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),平均抬升量僅為1.7 mm,整治周期長;而水泥-水玻璃雙液漿凝固速度加快,施工完成后3 個(gè)月基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),隧道平均抬升9.3～10 mm。

(3) 整體上,采用雙漿液注漿在整治效率和整治效果方面有一定的優(yōu)勢(shì),能夠達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)沉降整治的目的。