殷凯

摘 要：文章分析了城市轨道交通地铁盾构隧道软土区域沉降的特点及原因，并结合武汉地铁的经验，提出了盾构隧道底部软土的判别原则；并综合考虑软土分布及周边环境等因素，提出了地面加固、洞内加固及地面加固与洞内加固相结合的三种软土处理措施，分析了其各自的优缺点及适用性；文章所提的盾构隧道软土判别原则及地层加固方式可为类似工程提供借鉴。

关键词：地铁；盾构隧道；软土；地层加固

中图分类号：U456 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）33-0120-03

Abstract： This paper analyzes the characteristics and causes of soft soil regional settlement of shield tunnel in urban rail transit， and puts forward the discriminating principle of soft soil at the bottom of shield tunnel based on the experience of Wuhan Metro， and comprehensively considers the distribution of soft soil and the surrounding environment. Three soft soil treatment measures， ground reinforcement， hole reinforcement and combination of ground reinforcement and tunnel reinforcement， are put forward， and their respective advantages， disadvantages and applicability are analyzed. The principle of soft soil identification and the method of stratum reinforcement of shield tunnel mentioned in this paper can be used for reference for similar projects.

Keywords： subway； shield tunnel； soft soil； stratum reinforcement

1 概述

城市軌道交通地铁盾构隧道在软土区域的沉降问题越来越受到关注。根据上海、杭州、武汉等地的监测，处于软土地层的盾构隧道在运营期沉降是一个长期的过程，其沉降往往需3～5年甚至更长时间才能达到稳定状态。

地铁盾构隧道运营期的沉降危害主要体现在以下四个方面：（1）长期沉降尤其是不均匀沉降过大，会影响盾构管片的结构安全性，造成管片开裂、掉块等现象。（2）盾构隧道沉降过大，会造成管片环缝或纵缝张开过大，进而造成管片漏水，将影响隧道正常使用，甚至造成结构耐久性不足的问题。（3）盾构隧道沉降过大，可能会造成隧道限界不足，并造成内部管线、接触网等设施的安全问题，影响列车的安全运营。（4）一旦运营期盾构隧道产生较大沉降，所能采取的有效补强措施较为有限，其实施效果也较难保证；同时由于列车已经处于正常运营状态，只能在夜晚列车停运的天窗时间进行补强施工，施工成本高昂，且对既有隧道运营会造成风险。

地铁盾构隧道的长期沉降危害较大且处理难度大，因此应需在运营前的隧道建设阶段采取必要的处理措施，控制软土地层隧道的长期沉降。本文主要分析盾构隧道软土区域产生沉降的原因、软土的判别及采取的工程处理措施。

2 沉降原因分析

根据武汉地铁沉降数据的监测以及地质水文资料的分析，造成盾构隧道软土区沉降的原因主要有以下三个方面：（1）软土工程性质较差。盾构隧道施工过程中，盾构掘进会对周边地层造成扰动并引起孔隙水压的变化，而由于软土的工程特性，会引起软土颗粒结构的破坏及重组，引起软土区隧道的沉降。关于地铁盾构隧道底部软土的判别将在下文进行分析。（2）地铁周边频繁建筑活动。轨道交通工程往往位于城市繁华地带，周边物业及商业开发项目众多，其施工过程尤其是地下室基坑的开挖及降水等过程会对地铁隧道造成不利影响。（3）列车震动。地铁通车后行车密度较大，地铁结构、道床及下部软土层长期处于低频连续振动的环境下，导致软土下卧层地基产生较大沉降。

3 盾构隧道底部软土判别

工程中的软土是一个宽泛的概念，对于不同领域，由于其关注重点指标的差异，具体的规定也有差异。一般而言，软土具有以下特征：天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

关于软土，一般从孔隙比和天然含水量两个指标进行定义是比较科学合理的。如建设部标准《软土地区岩土工程勘察规程》（JGJ83-2011）中规定，天然含水量大于或等于液限，且天然孔隙比大于或等于1.0的细粒土视作软土；实际上符合以上指标的土即为淤泥质土或淤泥。武汉市城乡建设委员会颁布的《武汉市深厚软土区域市政与建筑工程地面沉降防控技术导则》（2015），基本沿用了上述定义，但同时指出根据武汉市地区经验，地基承载力特征值不超过70kPa的土层应判定为软土。

根据武汉地铁设计、施工及运营的经验，若完全按照以上标准进行判定，则只有淤泥或淤泥质土符合软土的定义；而根据实际的运营监测数据，天然含水量与孔隙比未达到以上标准，但各项指标较差的粘性土层，同样存在后期沉降较大的情况，应视作软土进行考虑。同时天然含水量与孔隙比指标离散型较大，随季节不同、测量方法不同而差别较大，存在不确定性。因此总结武汉地铁的经验，并征求武汉市相关专家的意见，总结出如下的软土判别标准：（1）流塑状的土层。（2）流塑～可塑的土层且其余地层指标明显较低。（3）地基承载力（fak）小于70kPa。（4）标准贯入度（N）小于6。（5）压缩模量（Es）小于4.0MPa。（6）易液化或高灵敏度土。（7）单桥探头比贯入阻力（Ps）小于0.8MPa。

若地层参数符合以上指标要求，则可考虑将该土层判别为软土；但在实际设计及施工过程中，经常出现各种指标体现出的特点不一致甚至矛盾的情况，则建议以单桥探头比贯入阻力（Ps）及标准贯入度（N）为主进行判断。

需要说明的是，由于岩土工程的复杂性及较强的地域性，需结合具体地域特点及地层勘察的情况具体分析，不宜完全直接套用。

4 盾构隧道底部软土处理方案

若根据线路平纵断面及地勘资料分析，盾构隧道底部存在软土，则应首先应研究车站方案及线路方案，优先通过优化线路纵断面，使得盾构隧道底部脱离软土区或尽量减少盾构隧道底部软土的厚度，从而达到控制隧道运营期长期沉降的目的。

若无法通过优化线路解决隧道底部软土问题，则需对软土地层进行预加固，提高其地层参数。根据国内目前的案例，并结合武汉地铁的经验，盾构隧道底部软土加固措施主要分为地面加固、洞内加固及地面与洞内加固相结合的三种方式。加固方案的选择需综合考虑周边环境条件、软土分布范围（沿线路方向）、隧底软土厚度及工程造价等因素。

4.1 地面加固

地面加固指采用水泥搅拌桩或高压旋喷桩从地面加固盾构隧道底部范围的软土，该种加固形式需在盾构隧道穿越前实施完毕。地面加固一般用于地面环境条件简单，软土层分布范围及厚度均较大的情况。

地面加固的平面范围可按照盾构隧道外侧2m进行，具体布置可结合所在城市采用管片幅宽设置，平面加固置换率按照35%～60%控制即可，加固土体应具有足够的强度，28d无侧限抗压强度不小于0.8MPa；加固竖向范围上部可加固至轨面高度（一般高于管片底部1.2m），下部要求加固至非软土层深度不小于0.5m；根据相关文献资料研究成果及理论分析，若软弱地层厚度较大，加固至非软土层造价过高时，可加固至不小于1倍洞径深度范围。地面加固方式见图1、图2。

地面加固的最大优势是加固效果较好，而且加固质量可通过取芯等手段予以验收检测；最大不足是加固过程受制于地面的环境条件，需迁改一定数量的管线并需进行交通导改，若位于城市主干道上，则实施难度较大且费用高昂；若位于建构筑物下部，则地面加固可能不具备实施条件。

4.2 洞内加固

洞内加固是指盾构隧道实施完成后，通过管片预留的注浆孔，采用注浆加固管片下部软土地层的方式。洞内加固在盾构隧道结构施工完成，轨道铺设之前实施。洞内加固适用于不具备地面加固条件，或盾构底部软土分布范围及厚度较小的情况。

采用洞内加固方式，盾构管片应增加预留注浆孔的数量，注浆管采用钢花管进行注浆，浆液采用水泥浆。下部3根注浆管要求伸入非软土层深度不小于0.5m，若软土层厚度较大，加固范围不宜小于1倍洞径。洞内加固方式见图3。

洞内加固的最大优点是基本不受地面环境的影响，在盾构隧道结构完成后施工。洞内加固的不足是其加固效果的離散型较大，且验收检测也较为困难，同时地层加固的钢花管将留在地层中，会对后期穿越的工程造成不利影响，应在后续工程规划中引起高度重视。

4.3 地面与洞内加固相结合

地面加固效果较好且质量有保障，但在实际的设计及施工过程中，盾构隧道所处的环境条件往往十分复杂；若地面的管线密集，如燃气、雨水、污水等管线迁改十分困难且工程费用巨大，而且会极大地增加工期。若均采用洞内加固，则加固效果难以得到有效保障，对施工提出较高要求。因此本文提出可采用地面加固与洞内加固相结合的方式进行盾构隧道底部软土加固。

地面加固与洞内加固相结合的具体思路为：在不迁改地面管线或尽量少迁改重要管线的前提下，可每隔一段距离采用高压旋喷桩实施一排地面加固（可按照10～15m控制），两排地面加固之间进行洞内注浆加固。地面与洞内加固相结合加固方式见图4。

每隔一定距离的地面旋喷加固可在软土地层中形成固端支点，结合旋喷加固之间的洞内加固，可有效减少盾构隧道运营期的沉降。

5 结论

（1）地铁盾构隧道底部软土运营期沉降危害较大，处

理难度大、代价高昂且效果难以保证，应在前期方案确定阶段、设计及施工阶段予以高度重视。（2）应优先通过优化线路平纵断面，使隧道底部避开软土区域，若条件所限不能做到，则需采取必要的软土加固措施。（3）软土的判定应根据所在地区的地质情况及经验综合确定，应综合考虑地基承载力、标准贯入度、压缩模量、单桥探头比贯入阻力及定性土层状态指标判别，建议以单桥探头比贯入阻力与标准贯入度为主进行判断。（4）应根据软土性质、分布范围、厚度及周边环境条件（含建构筑物情况、管线分布情况及交通导改情况等）综合选取软土加固措施。当软土分布范围及厚度较大且地面具备处理条件时，应优先选择地面搅拌或高压旋喷加固；当软土分布范围较小、厚度较小或地面不具备条件时，可采取洞内注浆加固的方案；当软土分布范围及厚度分布较大，当地面不完全具备条件时，可考虑采取地面加固与洞内加固相结合的方案。

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