上海軟土地層運(yùn)營地鐵隧道不均勻沉降治理研究

上海軟土地層運(yùn)營地鐵隧道不均勻沉降治理研究

上海地鐵隧道大部分位于含含水量高、高差大、敏感、強(qiáng)度低的脆弱流變性層。在多種因素的影響下，容易發(fā)生不均勻的垂直沉降。這些因素主要包括：（1）鄰近隧道施工的加固和卸載；（2）在坍塌條件下，隧道會(huì)經(jīng)歷長期以來的擾動(dòng)。（3）由于不均勻和極軟層，結(jié)構(gòu)隧道的施工無法均勻。（4）隧道的泄漏導(dǎo)致基底土的損失。（5）由于冷沉法施工，隧道入口、隧道和相關(guān)通道處的基本土沉降；（6）由于不均勻的區(qū)域沉降，隧道的垂直沉降發(fā)展到一定程度，這將影響地鐵結(jié)構(gòu)的安全。應(yīng)該是有效的預(yù)防措施。目前,國內(nèi)外對于治理飽和含水軟土地層隧道不均勻沉降一般采用劈裂注漿或壓密注漿的補(bǔ)償注漿方法,但在高含水量軟土地層中難以控制注漿效果且易發(fā)生負(fù)面影響,在運(yùn)行的地鐵隧道中使用時(shí)可能會(huì)發(fā)生不良后果1注漿間隔時(shí)間微擾動(dòng)注漿治理具體方法如下:沿隧道治理段縱向以合理間距布設(shè)注漿孔,對每個(gè)注漿孔通過分階段、少量、多次地自隧道底部而向下分層疊加注漿,每次注漿量控制適當(dāng),并采取減少注漿對地層擾動(dòng)的措施,以使每次注漿引起的隧道上抬量ΔS一般地,在初始注漿階段,必須使治理段隧道抬升至一定的預(yù)期值.為此,在初始階段的抬升注漿過程中,適當(dāng)減少單次注漿的間隔時(shí)間Δt,以增大每次注漿的有效抬升量(ΔS達(dá)到預(yù)期值時(shí),使注漿暫停一段時(shí)間,以使隧道下臥土層因注漿引起的超孔隙水壓消散殆盡,隧道地基得到一定的固結(jié)沉降.經(jīng)試驗(yàn)測試,在淤泥質(zhì)黏性地層中,超孔隙水壓完全消散需要約1周.如果有必要進(jìn)一步提高隧道總抬升量,則開始進(jìn)行第2階段的抬升注漿,當(dāng)注漿抬升量達(dá)到預(yù)期值時(shí),則停止第2階段的抬升注漿.經(jīng)過土層再次固結(jié)沉降,隧道沉降速率開始降低,當(dāng)隧道沉降速率>0.02mm/d,進(jìn)行第3階段,旨在維持隧道沉降相對穩(wěn)定的間斷注漿,此階段各次注漿的間斷時(shí)間可適當(dāng)延長,但各次注漿深度仍處于隧道下臥待加固的土層中.當(dāng)注漿深度已伸入隧道下臥相對穩(wěn)定的土層且隧道沉降速率減小至0.02~0.01mm/d時(shí),則進(jìn)行第4階段即次固結(jié)階段的間斷補(bǔ)漿,補(bǔ)漿是在隧道與下臥注漿加固體之間的空隙中進(jìn)行.當(dāng)隧道沉降速率<0.01mm/d時(shí),結(jié)束補(bǔ)漿.在各注漿階段中,每次注漿的間隔時(shí)間因地質(zhì)條件的差異而不同.在淤泥質(zhì)軟黏土中,初始階段的Δt=2~3d;在第2階段,Δt=5~7d;在第3階段,Δt=2~3周;而在次固結(jié)沉降階段,Δt可延長至1個(gè)月以上.2主漿工藝和參數(shù)2.1砂漿注射材料由于ΔS2.2.注漿裝置.圖3所示為微擾動(dòng)注漿實(shí)施過程所用設(shè)備.其中包括:(1)注漿泵.包括水泥漿泵和水玻璃泵,兩者都需要同時(shí)滿足注漿可控性良好、流量較小、穩(wěn)定可調(diào)、能夠連續(xù)均勻輸送漿體、體積小且質(zhì)量輕,適合于狹小空間內(nèi)搬運(yùn)和施工.(2)混合器.可均勻混合2種漿液,一端連接水泥漿和水玻璃送漿管,另一端連接注漿管.混合器外接壓力表,以便及時(shí)反映雙液漿壓力.另外,應(yīng)保持混合器內(nèi)和各管路中無殘留凝結(jié)漿體,從而保證進(jìn)出漿液通暢且混合均勻.由于雙液漿初凝時(shí)間通常為16~24s,混合器的作用是使?jié){液在進(jìn)入土層之前充分混合均勻但未凝固,漿液進(jìn)入土層后很快達(dá)到初凝效果,從而實(shí)現(xiàn)了隧道的適當(dāng)上抬和對土體的微擾動(dòng).(3)流量儀.外接送漿管路,用于記錄和監(jiān)測漿液的即時(shí)流量,統(tǒng)計(jì)累計(jì)注漿量,并準(zhǔn)確控制單次注入土層的漿液體積.(4)拔管裝置.圖4所示為簡易拔管裝置結(jié)構(gòu)示意圖.該裝置在運(yùn)營隧道內(nèi)搬運(yùn)方便,施工過程輔以皮尺測量,可以實(shí)現(xiàn)均勻拔管.(5)注漿前端裝置.如圖5所示,注漿前端裝置上布置了2排梅花型噴漿孔,孔徑為4mm,每排均勻分布4個(gè).在注漿之前,用保護(hù)套保護(hù)噴漿孔,以避免下管過程中噴漿孔被泥土堵塞;在注漿時(shí),脫開保護(hù)套管,同時(shí)打開8個(gè)噴漿孔,以實(shí)現(xiàn)同時(shí)均勻地注入漿液.2.3注漿工藝參數(shù)采用專用鉆孔機(jī)及特定工藝打設(shè)注漿孔,并將安裝了注漿前端裝置的注漿管插入土層而進(jìn)行分層注漿,每層注漿厚度等于設(shè)定的注漿長度.當(dāng)注漿管插入到每次注漿厚度時(shí),利用前端裝置同時(shí)開啟所有噴漿孔進(jìn)行注漿,并按設(shè)定的拔管速度起拔注漿管,每次注漿長度必須確保漿液均勻、定量地注入土層.注漿治理應(yīng)按照適時(shí)、適量及合適孔位的原則,以均勻、多點(diǎn)、少量、多次的注漿參數(shù)進(jìn)行.其參數(shù)的選取如下:(1)單次注漿長度一般為8.8~35.2cm,宜根據(jù)不同土層和隧道的注漿情況、注漿效果和監(jiān)測數(shù)據(jù)等確定.(2)單次注漿量應(yīng)配合單次注漿長度和摻入量來確定,不應(yīng)大于80L,單次注漿量過大,容易引起超孔隙水壓力較大,從而導(dǎo)致孔隙水消散過程中的隧道沉降.(3)注漿流量應(yīng)低且穩(wěn)定,一般為20L/min.其中,水泥漿泵流量為14~16L/min,水玻璃泵流量為4~6L/min.(4)拔管速度根據(jù)單次注漿量、單次注漿長度和雙液漿流量來確定,即式中:v為拔管速度;l為單次注漿長度;q為雙液漿流量;V為單次注漿量.(5)單孔注漿按照由上往下、依次搭接的施工順序,隧道縱向采用間隔跳孔施工,間隔不少于2環(huán)管片.同孔注漿至少間隔48h,如有特殊情況需要補(bǔ)漿,可另行考慮.3工程實(shí)例3.1單段沉降上海地鐵2號(hào)線某區(qū)間隧道于2010年5月發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了較大的不均勻沉降,其平均沉降速率約為0.3~0.4mm/d,導(dǎo)致洞口和泵站附近局部隧道沉降曲線的斜率較大,約為0.0016(見圖6),對列車運(yùn)營和隧道結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成了威脅,且隧道多處出現(xiàn)了滲漏水現(xiàn)象,在其泵站沉降最大的位置出現(xiàn)了嚴(yán)重道床與管片脫開的現(xiàn)象.該區(qū)間隧道建成于2009年,為10.9m水平外徑、?6.3m豎向外徑的雙圓盾構(gòu)隧道,隧道產(chǎn)生沉降的區(qū)段底部最大埋深為-17.208m,所處的土層為較軟的(4)層淤泥質(zhì)黏土和(5)根據(jù)圖6、7可知,除了泵站位置外,其他區(qū)段隧道上、下行線的沉降情況基本相同,主要是由于雙圓盾構(gòu)推進(jìn)過程中下臥(4)層淤泥質(zhì)黏土擾動(dòng)過大所造成的.而泵站附近下行線的沉降量明顯大于上行線,這是由于下行線外側(cè)泵站采用冰凍法施工而又未及時(shí)進(jìn)行融沉注漿所造成的,并引起上行線隧道沉降,其兩者沉降量相差約20mm.3.2沉降預(yù)測和注漿治理方案于2010年5月,在充分考慮隧道沉降原因的情況下開始對隧道沉降進(jìn)行注漿治理,以達(dá)到控制和調(diào)整隧道沉降的目的.由于在靠近車站洞口第8~46環(huán)和泵站附近40環(huán)區(qū)段,隧道沉降曲線斜率達(dá)0.0016,故需優(yōu)先進(jìn)行注漿,以抬升該區(qū)段隧道而減小沉降曲線斜率.離洞口第47~192環(huán)之間的隧道,則根據(jù)上海隧道沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測2010年7月之后的沉降量:式中:a為參數(shù),可根據(jù)2010年2~6月的實(shí)測沉降數(shù)據(jù)回歸分析得出;t為沉降至S根據(jù)預(yù)測,離洞口第47~192環(huán)之間隧道沉降穩(wěn)定需要的時(shí)間較長,并且往后1a內(nèi)的累計(jì)沉降量較大,至2011年6月,其預(yù)測最大沉降量將達(dá)到-82.5mm.此時(shí),不均勻沉降已達(dá)到對隧道結(jié)構(gòu)十分不利的程度,需根據(jù)隧道沉降發(fā)展趨勢來制定控制和調(diào)整隧道線型的注漿治理方案.總體治理方案為:在注漿區(qū)段內(nèi)沿隧道縱向每環(huán)布置2個(gè)注漿孔,分別位于上、下行線上,注漿孔縱向間距為1環(huán);采用連續(xù)介質(zhì)有限元法分析隧道底部注漿壓力對隧道結(jié)構(gòu)受力的影響,并結(jié)合多次前期測試結(jié)果設(shè)定,各孔注漿深度應(yīng)穿過(4)層土而達(dá)到相對穩(wěn)定的(5)(1)第1區(qū)段.上、下行線離車站洞口第8~46環(huán)(見圖8中Ⅰ區(qū)段,第1~7環(huán)為盾構(gòu)進(jìn)洞加固區(qū))及下行線泵站附近40環(huán)(見圖8中Ⅰ′區(qū)段),該區(qū)段于2010年5月優(yōu)先進(jìn)行注漿,其主要目的是控制隧道局部線型斜率過大.(2)第2區(qū)段.上、下行線離車站洞口第47~66環(huán)(Ⅱ區(qū)段)在2010年9月開始注漿,此時(shí),第1區(qū)段只需進(jìn)行適當(dāng)頻率的間斷補(bǔ)漿.(3)第3區(qū)段.上、下行線離車站洞口第67~96環(huán)(Ⅲ區(qū)段)在2010年11月開始注漿,同時(shí),兼顧第1和2區(qū)段間斷注漿.(4)第4區(qū)段.上、下行線離車站洞口第97~192環(huán)(Ⅳ區(qū)段),其中,第97~136環(huán)在2010年12月開始注漿,第137~192環(huán)在2011年3月開始注漿,結(jié)合前3個(gè)區(qū)段的注漿施工,最終的隧道線型如圖8中粗虛線所示.整個(gè)施工過程中,應(yīng)密切注意局部區(qū)段的隧道沉降,過快時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行治理.3.3固結(jié)沉降量之約通過合理的微擾動(dòng)注漿治理,使得注漿范圍內(nèi)隧道抬升ΔS圖9所示為分階段注漿后隧道隆起和沉降實(shí)測曲線.可以看出:在初始階段,抬升注漿20d后,隧道普遍抬升8~9mm,停止注漿15d后,隧道產(chǎn)生的固結(jié)沉降量之和約為4~6mm;第2階段抬升注漿15d后,隧道抬升8~10mm,再停止注漿并進(jìn)行第3階段間斷注漿和次固結(jié)階段間斷補(bǔ)漿.其中,第3階段間斷注漿頻率為1次/周,注漿時(shí)間持續(xù)了約3個(gè)月.次固結(jié)階段間斷補(bǔ)漿平均頻率為1次/月,隧道下臥土層次固結(jié)時(shí)間較長,但總的次固結(jié)沉降量較小.目前,Ⅰ′區(qū)段已沉降穩(wěn)定并結(jié)束注漿,Ⅰ~Ⅳ區(qū)段仍在進(jìn)行間斷補(bǔ)漿.由圖10可知,注漿治理后,隧道的實(shí)測沉降量曲線與預(yù)期注漿治理后的比較接近,且隧道沉降線型得到了明顯的控制和調(diào)整,表明在掌握和預(yù)測微擾動(dòng)注漿隧道隆起和沉降規(guī)律的基礎(chǔ)上,可以對隧道沉降進(jìn)行治理.4地鐵隧道不均勻沉