0 引言

　　随着城市轨道交通建设的快速发展，已建地铁城市的经验表明:软土地区地铁运营期的沉降量很大，且沉降呈现明显的不均匀性。东京临海副都新线建造于1980年，到1996年实测时最大沉降已达到750mm。上海地铁1号线从1995年开始运营，长期沉降和差异沉降问题显著。截至2006年6月，隧道结构相对运营期初值最大累积沉降为289mm，如图1所示。隧道长期沉降将导致管片开裂、渗漏等病害，如图2所示。除此之外，还有多处盾构区间因外部突发荷载作用导致横断面变形过大而不得不采取加固措施，如地铁7号线顾村公园附近区间因上部堆载发生了严重的结构破损，最终不得不通过内钢圈进行加固。由此可见软土地层中隧道沉降和变形较大，且易受外部荷载条件影响。

　　图1 上海地铁1号线累积沉降变形 

　　相关学者将隧道产生沉降及变形的主要原因总结为^{[1,2,3,4,5,6,7]}:沿线地质条件;周边工程活动引起的隧道附加荷载变化;隧道渗漏与水土流失;地下水开采;列车振动荷载长期循环作用等。针对以上影响因素，目前部分工程对软土地层内的隧道采用了一定的加固措施，但隧道仍产生了较大变形。如南京地铁1号线西延线处于漫滩软土地层，基底下5m采用500mm@750mm搅拌桩进行加固，该区段隧道运营4年后隧道最大累积沉降达122mm，最大差异沉降约为99mm。因此有必要研究软土地基加固方案设计，优化加固效果。

　　图2 隧道长期沉降病害  

　　本文以广州地铁18号线南沙段万顷沙—横沥区间为工程背景，由于部分区段全断面穿越淤泥质土，下卧深厚软土地层，在这种地质条件下修建隧道会面临管片拼装质量差、运营期结构变形、沉降等诸多问题。因此需根据周边环境及施工条件采取相应的地基处理措施，以减小隧道后期沉降和变形问题。在类比广州、佛山等工程软基加固方案的基础上，初步提出隧道全断面加固和半断面加固两种方案，并利用有限元分析了不同加固方案对隧道结构内力和变形的影响，给出了合理的地基加固方案，进而为类似地区盾构隧道的建设和运营提供借鉴及参考。

　　1 工程概况

　　1.1 工程介绍

　　广州地铁18号线起始于南沙万顷沙枢纽，终止于天河广州东站，线路全长62.7km，均为地下线。区间管片结构形式采用外径8.5m、内径7.7m、厚度400mm的大管片。列车设计时速160km/h。其中万顷沙—横沥区间位于南沙段典型软土地区，该区段软土地层较厚，最深处厚度约为25.4m，平均厚度为17.9m。区间段内有约3km隧道全断面穿越(2)_1B淤泥质土，盾构隧道底部下卧软土层厚度约为1.5～9.6m。南沙地区软土具有天然含水率高、孔隙比大、压缩性高、渗透性弱、固结系数小、承载力低、触变性强等特点:天然含水率一般>50%，有些区域软土含水率超过100%;孔隙比1.38～2.23;软土大多处于欠固结状态，压缩系数的统计均值为2.0MPa;承载力一般为20～123kPa，统计均值为64kPa;灵敏度一般在1.5～4.3，个别地区高达6～8。各土层物理力学参数如表1所示。在这种软土地层中修建地铁会面临诸多问题:比如施工期拼装质量难以保证，运营期存在结构变形及沉降过大、管片裂缝等问题。故需采取相应的地基加固措施，以减小地铁18号线隧道后期的沉降和变形问题。

　　1.2 软基加固方案

　　附近软土地区已有隧道地基加固案例，如:广州地铁4号线南延段盾构区间位于南沙软弱地层中，采用三轴搅拌桩加固，加固范围为拱顶3m、左右两侧3m，底部至持力层;佛山地铁3号线区间隧道大量穿越淤泥质土层，采用三轴搅拌桩对软弱地层进行格栅加固，加固范围为拱顶3m、左右两侧2.4m，底部至持力层。

　　类比上述工程地基加固方案，初步设计本工程加固方案采用850mm@600mm三轴深层搅拌桩，加固区为1.8m×2.4m单元的栅格状。搅拌桩采用42.5级以上的普通硅酸盐水泥，实桩水泥掺入比≥22%，空桩部分水泥掺量≥8%。加固平面如图3所示。

　　图3 加固区平面  

　　为研究竖向加固范围对隧道结构受力变形的影响，初步设计2种加固方案:(1)半断面加固竖向从隧道中心线向下加固至淤泥质土层底面以下0.5m;(2)全断面加固竖向从盾构拱顶以上3m向下加固至淤泥质土层底面以下0.5m。加固区横断面如图4所示。水平向加固范围均为盾构左右两侧各0.5倍洞径，即4.25m。

　　表1 主要土层物理力学参数 

　　图4 加固区横断面  

　　2 不同加固范围对盾构隧道的影响

　　2.1 模型概况

　　大量工程表明，隧道上方运行超载土方车有可能导致隧道结构产生较大变形、危及结构安全。考虑土方车对盾构隧道产生的最不利影响，取隧道上方四车道并行土方车，车道宽15m。土方车胎压为800kPa^[8]，轮胎着地尺寸为0.4m×0.2m，车辆轴距1.8m。分别以“隧道不加固”、“半断面加固”、“全断面加固”为计算工况，使用有限元分析软件Plaxis3D建立计算模型，研究不同加固范围下管片结构受力和变形规律。

　　根据地质钻探资料，选取最不利计算断面如图5所示，该断面隧道拱顶埋深约10.9m，拱底淤泥质土厚约9.4m。

　　图5 计算断面  

　　加固区土体按复合地基考虑，计算中采用面积置换率法近似模拟^[9]。取三轴搅拌桩水泥土的压缩模量为100MPa，计算得三轴搅拌桩格栅加固面积置换率为0.68。加固区土体的压缩模量可以表示为:

　　式中:m为土体置换率;E_g为加固土体模量;E_s为未加固土体模量。

　　计算可得加固区土体的压缩模量为69MPa。

　　土体采用弹塑性本构莫尔-库仑模型，各土层模型参数按照表1取值，其中土体的弹性模量按经验取为压缩模量的3倍^[10]。管片采用各向同性线弹性模型，管片结构利用板单元模拟。管片参数取值如表2所示。

　　表2 管片参数取值  

　　2.2 计算结果

　　分别提取隧道整体下沉量、水平收敛变形、管片弯矩和轴力几个指标。根据隧道变形计算结果，相比于地基不加固时，采取半断面加固隧道整体下沉减小40.9mm，全断面加固时隧道整体下沉减小31.3mm。两种加固方案下水平收敛变形均可减小1cm左右。

　　根据上述计算结果，绘制不同加固方案下隧道横断面变形如图6所示。可见未采取加固措施时隧道整体下沉量和收敛变形均较大，全断面加固时隧道的整体沉降略大于半断面加固。

　　图6 不同加固方案隧道横断面变形  

　　内力计算结果如图7所示。统计各项指标极值并计算受压偏心距如表3所示，可以发现:采取半断面加固及全断面加固时隧道轴力弯矩均有所减小。半断面加固时，隧道受压偏心距减小至0.228m，采取全断面加固时，偏心距进一步减小至0.170m。可见在隧道上部受压时，随着竖向加固范围的提高，可减小隧道受压偏心距，结构受力状态变得更为有利。

　　2.3 计算结果对比与分析

　　分别比较3种计算工况的各项指标差异情况，以未加固条件下的指标为标准“1”，用加固条件的指标÷未加固条件的指标。“指标<1”表示该项数值小于未加固，“指标>1”表示数值大于未加固，计

　　表3 不同加固方案下隧道最大变形及内力  

　　算结果如表4所示。

　　图7 隧道内力  

　　表4 不同加固方案结果对比  

　　%

　　结合表3,4分析可知，半断面加固与全断面加固均能有效减小隧道沉降。采取半断面加固时隧道整体下沉减小40.9mm，为未加固时的32.6%;采取全断面加固时可减小31.3mm，为未加固时的48.4%。隧道水平收敛变形减小至未加固时的50%左右。这是由于全断面加固时，拱顶加固区水泥土容重增加将引起22kPa的附加荷载，导致隧道的整体下沉量增大9.6mm。两种加固方案均能减小隧道内力:相比半断面加固，全断面加固时隧道受压偏心距减小至未加固时的71.4%，管片受力状态变得更为有利。根据CJJ/T202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》^[11]，隧道竖向位移和径向收敛变形的控制值应<20mm，据此可认为半断面加固方案能满足隧道保护要求，综合考虑工程经济性，建议在本工程中可选取半断面加固形式。

　　3 结语

　　基于广州地铁18号线万顷沙—横沥区间盾构隧道在深厚软土地层中进行地基加固处理的工程案例，通过数值模拟，对比分析了隧道上方超重土方车荷载影响下，隧道全断面加固与半断面加固方案的变形和内力，提出了适合该工程的软基盾构隧道加固方案，主要结论如下。

　　1)相对于地基不加固，半断面加固时隧道整体下沉减小40.9mm，全断面加固时减小31.3mm。收敛变形减小至不加固时的50%左右。

　　2)半断面加固时，隧道最大轴力和弯矩分别减小至不加固的67.5%和72.7%，全断面加固时，最大轴力和弯矩分别减小至92.8%和79.3%。半断面加固时，隧道受压偏心距减小至0.228m，全断面加固时偏心距进一步减小至0.170m。

　　3)综合考虑结构安全及工程经济性，本工程可选用半断面加固方案。