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滨海软弱地层地铁盾构断面研究

0 引言
随着天津市城定位的不断提升，未来空间布局结构将得到逐步优化。2008年开展的城市发展战略研究提出了“双城双港、相向拓展、一轴两带、南北生态”的发展策略，天津市将由中心城区、滨海新区“一主一副”的城市结构，向中心城区、滨海新区并重的“双城区”空间转变。
滨海新区核心区作为双城之一，在区域发展中的龙头地位上升到了前所未有的高度。中新生态城、于家堡、响锣湾的规划建设已使得滨海新区核心地位初步显现，滨海新区核心将发展成为特大城市。随着滨海新区城市规模的扩展，城市交通压力将不断增加。轨道交通系统作为现代化大都市的标志，是城客客运的骨干系统，将引导城市空间布局的演化。滨海新区开展轨道交通建设已经迫在眉睫，目前滨海新区轨道交通B1线、Z2线、Z4线已展开设计工作。
如今，全国共有34个城市在修建轨道交通，而盾构法因安全性高、机械化程度高、施工快捷、经济性好等特点占据了70%,以上的正线隧道。特别是在上海、天津、宁波等土质软弱、地下水丰富的地区，盾构法成为修筑地铁隧道的不二之选。
1 隧道变形及病害治理
1.1 天津滨海地区地质特点
1.1.1 地层软弱，地下水位高
天津滨海地层为陆、海相交互沉积地层，主要以淤泥质粘性土为主，为软～流塑状态，具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等不良工程特性。其中盾构隧道穿越土层主要由粘土、粉质粘土、粉砂、淤泥质粉质粘土等构成；滨海新区地下水埋深较小，地下水主要类型为潜水、承压水，主要赋存于砂性土、粉土中。各土层物理力学参数如表1所示(以欣嘉园片区地层为例)：

主要特点：滨海新区属海积～冲积滨海平原，其中⑥₂层淤泥质粉质粘土(呈流塑状态，局部以淤泥为主)、第⑦层粉质粘土(呈流塑～软塑状态，局部含泥炭土)具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等特点，同时软土还有低渗透性、触变性和流变性等特点。
1.1.2 区域沉降大
根据2012年滨海新区沉降年报，2012年滨海新区平均沉降量为24mm，比2011年增加3mm，沉降主要发生在塘沽的中部、汉沽的东北部和大港的北部。1959—2012年地面沉降累计监测结果显示，全区最大累计沉降量为3.427m，同时全市最大累计沉降量位于塘沽区上海道与河北路交口的一带，已低于平均海平面1.087m，滨海新区核心区塘沽2012年平均沉降量为23mm，与2011年持平，最大沉降量为55mm；1985—2012年天津市滨海新区地面(滨海西站～于家堡站)累计沉降量为500～800mm之间；2013年天津市滨海新区地面(滨海西站—于家堡站)沉降量图为20～30mm，如图1、2所示。

地面沉降对地铁的危害主要为：过大的地面沉降会造成地铁结构变形和渗漏。设计应考虑地铁运营过程中地面沉降对地铁的长期不利影响。
1.2 软土地区隧道病害调查
由于天津滨海尚未有地铁运营，而天津滨海地质与上海地质相近，因此本文以上海市地铁为例，对软土地区的隧道病害展开调查。
上海地铁规划22条线路，总长1050km，其中大部分为地下铁道。上海地铁区间隧道95%,以上采用土压平衡盾构掘进施工。上海市区的地层从地表以下依次为杂填土、粘土、灰色淤泥质粘土、灰色淤泥质粉质粘土、灰色粉质土、粉砂、暗绿色粘土。盾构穿越的地层大多为淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土，也有穿越粉质土、粉砂。
1.2.1 软土地层隧道变形问题
上海地铁调研结果显示：上海地铁1号线(1995年通车)、上海地铁2号线(1999年通车)、上海地铁4号线(2005年通车)、上海地铁3号线(2008年通车)均存在非常严重的沉降现象。以上海地铁2号线为例，如图3、4所示，1999年10月～2011年11月，12年累计沉降量最大为150mm，沉降规律为开始运行5年2.9cm/年，运行5～10年后0.7cm/年，10～15年以后有趋于稳定的迹象。

此外，上海地铁多条线路运行区间发现，部分区间隧道有异常情况：①部分区间隧道有较严重渗漏水现象；②隧道收敛监测有较大横向变形(大于10cm)；③部分管片存在碎裂现象。
根据对上海轨道交通已运营线路的结构状态监测结果，区间隧道管片收敛变形超过10cm的有955环，结构渗漏水病害有6827处，结构损伤的有3805处，如图5、6所示。上述病害均对衬砌结构的使用寿命有较大影响。

1.2.2工程周边二次开发对隧道的影响
我国轨道交通线网规划中TOD线路越来越多，并且越建越长。但沿线土地规划利用一般都滞后，地铁建设时，沿线和站点周边土地基本没有开发。在线路开通运营后，沿线和站点周边高强度的开发建设才逐步实施。地铁隧道沿线的开发，对地铁隧道保护提出了一个新课题。
目前我国城市轨道交通结构的建设和使用年限并不长，但许多地方的隧道结构已被外界严重扰动，如继续发展则可能影响正常运营和结构安全。例如南京市金融城基坑开挖期间，引发南京地铁盾构隧道沉降、变形、拱顶开裂、管片崩角、渗漏水等一系列严重后果。天津地铁2号线卞兴站—曹庄站区间，因周边开发施工导致地铁结构发生损伤，停运达半年。
1.3 目前隧道病害治理手段
针对隧道病害，上海地铁主要采用以下两种方式对隧道进行加固：
1.3.1 内张钢圈加固法(见图7)

整环加固法，钢板厚度为20mm，宽度为850mm，各钢板间采用焊接，钢板与混凝土间隙用环氧树脂灌注，如图8所示。

半环加固法，牛腿处钢板厚度为30mm，其余处为20mm，宽度为850mm，各钢板间采用焊接，钢板与混凝土间隙用环氧树脂灌注，拱底块处设置道床及钢牛腿，并在道床上布置两根钢拉杆连接两端牛腿，如图9所示。

整环和半环加固试验中结构极限承载力相对于未加固隧道均有较大提高，提高幅度分别为30.8%与25.0%,；加固一环管片的费用为30万元，加固费用昂贵，且钢环后期维修费用高。
1.3.2 微扰动注浆工艺
上海地铁从运营开始，沉降持续不断，运营单位为了保证正常运营，需要常备微扰动注浆治理措施以应对不均匀沉降发生，如图10所示。

从以上隧道变形的实例可以看出，大部分案例发生在地质较差的地层，特别是上海、南京，与滨海新区的地质有较大相似之处。滨海新区地铁沿线多为未开发地块，根据规划，部分地段为高强度开发，若二者不能同期实施，后期临近基坑的施工、上盖开发的荷载、可能的堆土都将对建成的盾构隧道有较大影响。
综上所述，盾构隧道若不预留足够空间，一旦发生病害、灾害，修复将极为困难。因此需要研究盾构直径加大方案。
2 盾构内径加大方案
2.1 盾构隧道现状调查
地铁隧道基本以单圆盾构为主，目前国内地铁盾构隧道尺寸统计如表1所示。

2.2 盾构内径加大方案
结合上海、北京地铁盾构内径加大方案，推荐滨海新区盾构内径为5900mm，即在传统内径5500mm的基础上，预留200mm的加固空间(或200mm的二次衬砌空间)。
2.2.1 全线加大与局部加大
北京、上海等城市的新建线路均为一次全线加大，其优势在于全线标准的统一。
在建线路如北京地铁16号线，其北段(先期通车段)主要地段采用原标准，在小半径曲线地段及特殊地段，采用内径5800mm加大盾构；其南段全部采用内径5800mm加大盾构。
2.2.2 预留二衬与同步二衬
北京、上海等城市均为预留二衬空间；过海、过江段基本为同步二衬；如预留二衬，管片厚度仍建议350mm厚，当隧道变形较大或者病害严重时施做二衬；如同步二衬，管片视为初期支护结构，其厚度可减小为300mm或者250mm厚，同步二衬后隧道整体刚度加强，避免大面积变形或漏水等病害，同时防腐耐久性等问题得到解决。
2.3 既有盾构设备改造工艺、性价比分析
根据分析论证，目前盾构直径增大40cm，现有土压平衡盾构掘进机的关键零部件可继续利用，仅需对其刀盘、盾壳、盾尾、同步注浆系统等装置进行改造；如盾构直径超过7m，将会对盾构总体配置要求有较大幅度的提高，盾构改造及购置成本将大幅提高。
从经济性比较来看，盾构内径增大后，每延米造价(不包括二衬费用)增加约7%,。盾构机可以利用既有的进行改造。盾构机改造费用大约为700～900万元，改造时间约为6个月。土建双线每延米综合增加费用为0.62万元(含土方、管片)。
新采购盾构机每台增加300万元，双线每延米平均摊销0.06万元。
3 结论及建议
从隧道变形及治理方面分析，很有必要对滨海软弱地层盾构断面进行扩大。结合上海、北京地铁盾构内径加大方案，推荐滨海新区盾构内径为5900mm，即在传统内径5500mm的基础上，预留200mm的加固空间(或200mm的二次衬砌空间)。在资金等条件允许的前提下，最好同步施工二衬；条件不允许时，应预留二衬空间。设计过程中不仅要重视施工期间安全，也要充分考虑到运营期间的病害，将隧道安全概念拓展为全寿命周期内的安全。

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