楼朝伟1，赵冬旭2
(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430050；2.安徽省综合交通研究院股份有限公司，合肥 230001)
摘 要：以广州地铁4号线南延段地铁隧道下穿深厚淤泥层为背景，从方案论证、管片特殊设计以及软基加固等几个方面进行比选和优化，解决淤泥地层盾构隧道偏心受压和工后隧道沉降量大的问题。得出如下结论：淤泥层区间设计应优先选用盾构法，在淤泥层深厚区域结合周边环境及车站选型选用大盾构可降低总成本，减少后期地铁保护难度；在欠固结、存在滑移趋势的淤泥层中应特别重视偏心受压对盾构管片的影响，可通过增加管片配筋提高抗弯、抗裂性能，通过增设变形缝提高结构柔度等措施提高管片受力状况及耐久性。
关键词：地铁；深厚淤泥层；大盾构；加固；偏心受压；沉降
为了有效缓解城市公共交通问题，中国已累计有26个城市建成投运城轨线路116条，运营线路长度3 612 km(含郑州机场线、兰州机场线)[1]，2015年新增15条运营线路，运营线路长度438 km。伴随着地铁运营长度的急速增长，一系列相关问题也逐渐暴露出来。自地铁运营开始，由于地质条件、外界环境、列车振动等诸多因素的影响，运营期间区间隧道沉降量随时间不断增大并有逐渐恶化趋势，图1统计了某城市地铁2002～2011年管片沉降变化趋势。
图1 某城市地铁管片沉降随时间变化曲线
较大的不均匀沉降将直接影响地铁运行安全，这种现象广泛存在于埋设于软土中的既有地铁隧道，特别是沿江、沿海等淤泥层深厚城市[2-4]。为了更好地把握软土隧道中结构的设计规律，对该地区软土区间隧道的研究和经验总结工作显得越来越具有实用性和指导作用。
广州地铁4号线南延段线路长约12.6 km，全线6个区间、2条停车场出入线除金洲—金隆区间、东出入场线外，其余区间淤泥层均广泛分布。沿线软土层厚度变化大，大致为西出入场线靠寡涌、广隆涌、广隆—大涌区间靠大涌、塘坑—资讯园区间靠三胜围，资讯园—南沙客运港区间靠南沙客运港站淤泥层分布较广，埋深较深，其中南沙客运港站附近软土厚可达近30 m。
淤泥层主要为海陆交互相沉积层，分层及其特征如下。
〈2-1A〉淤泥：呈深灰色、灰黑色，主要由黏粒及有机质组成，含较多粉砂及贝壳碎片，饱和，流塑，具臭味。含水量平均61%，孔隙比1.69。
〈2-1B〉淤泥质土：灰色、黑色，饱和，流-软塑，有腥臭味，以黏粒为主，局部含有腐植质。局部分布，含水量平均49.7%，孔隙比1.28。
各区间软土物理力学指标见表1。
表1 各区间淤泥层物理力学指标
区段出入场线金广区间广大区间大塘区间塘资区间资南区间岩土分层天然含水率/%黏聚力/kPa内摩擦角/(°)压缩模量/MPa承载力特征值/kPa渗透系数/(m/d)淤泥层厚度/m淤泥层埋深/m<2-1a>658.46.11.95500.0031.5～11.15.7～16.0<2-1b>48.39.472.47650.0044～6.511.3～17<2-1a>55.87.25.22.14550.0031.6～43.0～8.4<2-1b>47.78.45.22.53650.0041.7～8.810.3～14<2-1a>59.17.45.62.16550.0031.4～8.16～17.6<2-1b>51.29.98.32.27650.0041.7～6.612.2～16.4<2-1a>58.87.45.72.18500.0031.3～7.28.2～11.2<2-1a>55.29.47.72.43600.0021.5～11.27.2～14.3<2-1a>62.4872.06500.0021.2～28.77.1～33.5<2-1b>49.1982.54650.00312.4124.1
表1中物理力学参数表明：相对于其他区间软土，资讯园—南沙客运港区间软土分布更广泛、含水量相对更高、压缩模量更低、土体承载力更低、渗透性更差，属于淤泥层中的力学性质更差的特殊段，需考虑做特殊设计。
海陆交互相沉积淤泥层〈2-1A〉及淤泥质土层〈2-1B〉具有含水量高，孔隙比大，压缩性高，灵敏度高的特点。隧道基底位于淤泥层，在上部荷载或振动作用下易产生固结变形和不均匀沉降[5-7]。目前隧道周边地块尚未大规模开发，开发过程地下水位下降，孔隙水被挤出，软土蠕动变形将引起地面沉降及隧道单侧偏压[8-9]，从地铁自我保护角度出发，区间隧道方案宜考虑深、厚淤泥层对隧道结构的影响。
2.1 一般段淤泥层工法比较
根据规划、场地条件及工程地质，区间隧道可供选择的工法主要有浅埋明挖+地基加固、浅埋明挖地下桥、双洞单线小盾构、单洞双线大盾构。浅埋明挖隧道基底位于淤泥层，淤泥层承载力低，灵敏度高，在上部荷载或振动作用下固结变形，沉降无法满足运营要求，如采取地基加固，加固工程量大，不经济。采用地下桥可以解决隧道使用过程中沉降的问题，基底采用工程桩，可减少加固工程量，经济上要优于浅埋明挖+基底加固。但淤泥地层围护结构成本高，施工期间交通疏解、管线迁移工作量大，不宜在城市道路下方实施。
盾构中埋+局部地段地基加固方案可以减少交通疏解、管线迁移工作量，同时施工过程中对环境的影响相对较小，施工风险也显著下降，对金隆—资讯园区段、西出入场线大部分区域淤泥层埋置深度不深，常规6 000 mm小盾构可满足受力需要，对盾构中埋+局部基底加固方案与浅埋明挖地下桥方案对比如表2所示。
2.2 特殊段淤泥层工法比较
资讯园—南沙客运港区间淤泥层深度普遍较深，尤其是区间后半段，靠珠江入海口，淤泥层最深达30 m，软土标贯击数和物理力学指标也明显较其他区间低，小盾构中埋+基底加固方案基底加固深度深、范围较大，结合南沙客运港站远期与地铁15号线换乘，从降低15号线建设难度出发，4号线南延段轨道层宜设置在地下负三层，这为采用单洞双线大盾构提供了条件。
目前国内公路、市政双向4车道盾构外径多在11.0～11.6 m，该尺寸盾构机国内保有量较大。φ11.0～11.6 m盾构隧道限界能较好地适应地铁单洞双线隧道，虽然资南区间大盾构隧道长度不长，但盾构机无需定制，成本并不会很高。外径11.3 m 大盾构管片厚500 mm，隧道抗推刚度大，能更好地适应周边地块开发过程中淤泥层蠕变、侧向位移对隧道的影响[10-13]。大盾构基底可基本避开淤泥层，减少了基底加固费用，总体造价基本与小盾构中埋+基底加固相当。资讯园—南沙客运港区间双线盾构方案与局部单洞双线大盾构方案综合比选见表3。
表2 盾构中埋方案与明挖浅埋方案综合比选
分类盾构中埋+局部基底加固浅埋明挖地下桥交通疏解加固区域局交通疏解,难度低、影响小全路段交通疏解,交叉口需分期,工程量大、难度高、区域交通影响大道路占用很少多管线迁改仅基底加固区域,迁改量少线路无法有效避开管线,迁改量大,涉及占地,迁改难度大工期较短前期工程量大,对工期影响较大,工期较长造价10.2万元/双线延米15.95万元/双线延米环境及施工风险环境影响相对较小,施工风险小全线明挖对环境影响大,大范围基坑施工,施工风险大运营及地铁保护通过加固可减少地铁运营期间不均匀沉降,沉降量稍大,但在可控范围内;线路周边工程活动对地铁隧道影响大,可考虑对淤泥层地段局部加固隧道主要采用地下桥的形式,沉降很小,基本无影响;线路周边工程活动对地铁隧道水平侧向变形相对较小
表3 双线盾构与局部大盾构综合比选
分类双线盾构局部大盾构交通疏解联络通道地面加固局部需交通疏解,影响较小很小占用道路较少很少管线迁改较少少工期长较长投资7.79亿元(含车站)8.39亿元(含车站)对车站影响2层站,换乘流线不独立3层站,换乘流线独立环境影响及施工风险双线盾构隧道总宽度较大,盾构距建筑物较近,环境影响较大;小盾构施工风险小,联络通道位于淤泥层,施工难度稍大,整体与大盾构相当盾构边缘距周边建筑物稍远,但盾构直径大,对周边扰动较小盾构大,左右线间设疏散门洞互为逃生通道,利用“口”字件设置废水泵房,施工无风险,总体环境影响及施工风险与小盾构相当运营风险及地铁保护通过加固可减少地铁运营期间不均匀沉降,沉降量稍大,但在可控范围内;线路周边工程活动对地铁隧道影响大,可考虑对淤泥层地段局部加固盾构基本避开淤泥层,运营期间沉降小,大盾构竖向限界富余量较小盾构大很多,调坡难度小;盾构抗推刚度大,线路周边工程活动对地铁隧道影响小
淤泥地层盾构的设计主要从提高管片自身抗弯、抗变形能力和改善盾构周边土体强度两种途径来减少淤泥层起对盾构隧道的不利影响。
3.1 管片的特殊设计
3.1.1 提高管片自身抗弯能力
淤泥层抗剪强度低，水平及竖向土层地基系数仅6～7 MPa/m，约为其周边土层地基系数的1/4～1/5，土侧压力系数高达0.75，远大于其他土层。盾构下穿淤泥层承受更大的水土压力，在土层分界面，盾构变形不协调引起管片内力局部偏大现象更为明显。4号线南延段北侧靠山，南侧近海，淤泥层较厚区段线路基本为东西走向，根据勘测报告，左右线盾构淤泥层埋深差异较大，淤泥层倾角局部近45°(图2)，盾构两侧位于不同地层，管片承受侧向非对称土压力作用，土压力及土抗力均差别较大，有必要对其受力变形特性进行详细分析。计算采用Midas/GTS三维岩土有限元分析软件，按地层结构模型模拟盾构在淤泥层中的受力状况。土层选用Mohr-Coulomb本构模型，管片选用各向同性弹性本构模型，盾构位于淤泥层与一般地层盾构管片内力[14-15]比较见图3。
图2 淤泥层横断面分布
图3 淤泥层段与一般段盾构管片内力比较
计算结果表明：管片在偏压荷载作用下内力分布图发生了明显变化。一般地层的管片弯矩、轴力沿管片中轴线对称分布，最大正弯矩出现在拱顶，最大负弯矩出现在侧墙；淤泥地层盾构隧道在承受偏压作用下，管片内力图虽仍对称，但对称轴基本与淤泥层分界线垂直。在同等埋深工况下，一般地层管片每延米最大负弯矩82.87 kN·m，最大正弯矩86.23 kN·m；淤泥层管片最大负弯矩99.85 kN·m，最大正弯矩114.10 kN·m。负弯矩较一般段大约20.5%，正弯矩较一般段大约32.3%，有必要增强管片配筋以提高结构抗弯能力。
3.1.2 提高隧道变形能力
车站和区间结构刚度的差异，导致在结构连接的薄弱部位容易产生较大变形，甚至出现不协调变形[16-17]。同时，区间大盾构直径较大，拼装误差容易造成管片张口较大，区间管片之间的防水主要通过三元乙丙弹性密封垫等防水材料通过压缩变形以达到密封防水效果，若采用与小盾构一样的密封垫厚度容易引起压缩不密实，为保证区间大盾构在与车站连接处的防水性能，增强结构在连接部位的柔度，提高隧道变形能力，在区间与车站衔接位置设置变形缝。变形缝处加厚防水材料，做法为：在三元乙丙弹性密封垫普通橡胶环框的环面上加贴3 mm×32 mm矩形遇水膨胀橡胶条；在遇水膨胀橡胶密封垫环框的环面上加贴3 mm厚遇水膨胀橡胶条。变形缝设置在始发、到达加固区边缘，每道变形缝连续设置两环。大盾构与车站连接处变形缝特殊设计如图4所示。
图4 大盾构与车站连接处变形缝特殊设计
3.2 淤泥地层的加固设计(图5)
为减少地铁运营区间不均匀沉降，提高隧道抗推及自我保护能力，保证地铁运营期间安全，对盾构基底软弱地层进行加固。
加固采用格栅布置φ850@600 mm三轴搅拌桩地面加固[18-19]，涉及管线施工困难区域采用格栅布置φ800@600 mm双管旋喷桩替代加固。加固横向至盾构外侧2.8 m，底部穿透〈2-1A〉淤泥层、〈2-1B〉淤泥质土层进入下部土层0.5 m。加固后，大、小盾构加固体面积置换率均取盾构基底范围内加固体，面积置换率均为0.577，对有黏结强度增强体复合地基承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)7.1.5-2条进行计算。
0.8(1-0.577)×65=166 kPa
式中 fspk——复合地基承载力特征值；
λ——单桩承载力发挥系数，宜按当地经验取值；
m——面积置换率；
Ra——单桩承载力特征值，kN；
Ap——桩截面积，m2；
β——桩间土承载力发挥系数；
fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa。
地基加固后的复合地基承载力特征值理论计算值为166 kPa，满足承载力要求。
图5 三轴搅拌桩加固平面布置(单位：mm)
通过对地铁4号线南延段隧道下穿淤泥层工法技术、经济分析及对管片数值模拟计算，得出以下结论。
(1)对于周边环境复杂，淤泥层埋深较浅地段，相比于明挖法和地下桥方案，小盾构中埋方案管线迁改、交通疏解难度小，工程造价低，通过合理选择持力层、优化管片配筋辅以局部加固，可满足受力及工后沉降的要求，可实施性强。
(2)对于地质条件较差、淤泥层深厚区域，相比小盾构中埋方案，在区间线路条件允许的情况下，采用单洞双线大直径盾构方案可减少加固工程量、降低施工及后期地铁保护难度，利于运营维护，方案的选择应结合相邻车站选型、周边建筑物情况及工程总体造价综合考虑。
(3)在欠固结、存在滑移趋势的淤泥层中应特别重视偏心受压对盾构管片的影响，可通过增加管片配筋提高抗弯、抗裂性能、增设变形缝提高结构柔度等措施提高管片抗变形能力及耐久性。
(4)根据上海、广州建成盾构隧道监测结果，淤泥层失水固结易引起隧道沉降，在条件允许的情况下建议适当加大盾构内径，为后期调线预留条件。
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LOU Chao-wei1， ZHAO Dong-xu2
(1.China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China;2.Anhui Comprehensive Transportation Research Institute Co.， Ltd.， Hefei 230000， China)
Abstract：Based on the southern extension of line 4 of Guangzhou subway， the main aim of this paper is to solve the eccentric compression and after-construction settlement of the shield tunnel in silt layer by means of comparison and optimization of construction method， special design of segments and soft foundation consolidation. The results show that shield tunnel should be selected preferentially for tunnels in silt layer; where the silt layer is very deep， large diameter shield tunnel can be best selected to lower the cost and reduce the difficulties in later metro protection; where located in less consolidated soil with potential slippage， the segments are likely to suffer eccentric compression， which can be avoided by adding more reinforcing bar to improve bending and cracking resistance and by setting additional deformation joints to improve segment stress condition and durability.
Key words：Metro; Deep silt layer; Large diameter shield tunnel; Reinforcement; Eccentric compression; Settlement
收稿日期：2016-03-01；
修回日期：2016-05-30
作者简介：楼朝伟(1981—)，男，高级工程师，2003年毕业于华东交通大学土木建筑学院，工学学士，E-mail：chaoweilou@qq.com。
文章编号：1004-2954(2016)12-0099-05
中图分类号：U455.4
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.022
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