一种盾构隧道下卧软土层塑性变形的控制方法及结构与流程

本发明属于盾构隧道技术领域，具体涉及一种盾构隧道下卧软土层塑性变形的控制方法及结构。

背景技术：

近年来盾构隧道在上海、杭州、宁波等软土地区得到广泛应用，包括铁路、地铁、公路、市政等行业。大量的工程实例表明：软土地区盾构隧道在建成后均产生了不同程度的长期沉降，该长期沉降主要由盾构下卧软土地层在列车长期振动作用下产生的塑性累积变形引起，后期难以通过相应工程措施予以纠正。部分较为严重沉降不仅对盾构隧道本身的安全性、耐久性及防水性构成威胁，而且影响轨道平顺性，进而影响到铁路、地铁的安全运营。

为解决这一难题，目前的实际处理措施包括：1)加强隧道本身的强度，一般采用钢环或者洞内二次衬砌；2)洞外旋喷或者压密注浆；3)洞内微扰动注浆。当前最为常见的方法是洞外旋喷或者压密注浆，通常是对盾构隧道下卧软土地层进行加固(如图1)，减少土体塑性变形。

专利文献cn106703836a中公开了一种既有盾构圆隧道软土基底处理方法，所解决的是隧道下卧软土地层沉降的技术问题。该方法在盾构圆隧道的左右两侧，从地面向下左右对称的各钻一注浆管孔，并采用mjs工法进行从下往上的强制排泥，同时对地层进行混凝土泥浆摆喷加固，形成支撑住盾构圆隧道的左下部及右下部的左右各一个混凝土加固体。该技术方案通过对盾构隧道下卧软土地层进行加固，减少土体塑性变形，可减少隧道长期沉降，但是在盾构隧道下穿既有建(构)筑物时，上述通过加固下卧软土层的方案存在着如下不足之处，一方面是无法对建(构)筑物下方的软土层进行加固，如需进行加固则需要进行该建(构)筑物的拆迁，导致工程造价大幅增加；另一方面上述加固方案对盾构隧道自身结构会造成损伤，影响隧道的安全性和稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种盾构隧道下卧软土层塑性变形的控制方法及结构，其通过优化的加固方式设计，使得下卧软土层的塑性变形得到控制，其不会对隧道自身结构造成损伤，尤其适用于下穿既有建(构)筑物的盾构隧道。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种盾构隧道下卧软土层塑性变形的控制方法，适用于下穿建筑物/构筑物的盾构隧道，其特征在于，该方法包括：

沿盾构隧道轴线方向在所下穿建筑物/构筑物两端软土地层进行加固，形成土承台支座结构，所述盾构隧道穿过两端的所述土承台支座结构；

利用盾构隧道结构本身及两端的土承台支座结构形成的地下桥跨式抗沉降结构实现对所承受载荷的支撑，从而控制隧道下卧软土层的塑性变形。

作为本发明的进一步改进，所述土承台支座结构的布置通过如下过程确定：

s1计算隧道结构自重、列车荷载、隧道上方土体及建筑物/构筑物传递下来的荷载；

s2扣除相应浮力，得出盾构隧道所承受的竖向荷载；

s3建立隧道纵向等效刚度分析模型，将土承台结构简化成竖向支座，通过调整承台结构间距对计算模型进行试算，直到隧道结构、土承台结构的变形和受力控制在合理范围。

作为本发明的进一步改进，两土承台支座间距的增大可通过提高盾构隧道纵向刚度方式实现，其包括但不限于：增加盾构管片纵向螺栓数量及强度、盾构管片纵向接缝采用钢板连接、以及管片内侧浇筑钢筋混凝土内衬结构。

作为本发明的进一步改进，所述对软土地层的加固可采用旋喷桩、搅拌桩或注浆的方式，并从而形成土承台支座结构。

作为本发明的进一步改进，所述盾构隧道的管片衬砌张开量不超过8mm、环间错位不超过15mm。

作为本发明的进一步改进，所述盾构隧道为铁路盾构隧道。

按照本发明的另一方面，提供一种盾构隧道下卧软土层塑性变形的控制结构，其用于下穿建筑物/构筑物的盾构隧道中以对盾构隧道下卧软土层的塑性变形进行控制，其特征在于，该控制结构包括：

在盾构隧道轴向上位于所下穿的建筑物/构筑物两端的、用于对一定深度范围内软土地层进行加固的土承台支座结构，所述盾构隧道穿过两端的所述土承台支座结构；该盾构隧道结构本身及两端的所述土承台支座结构共同形成地下桥跨式抗沉降结构，实现对所承受载荷的支撑，并从而控制隧道下卧软土层的塑性变形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明的方法和结构利用盾构隧道本身的纵向抗弯、抗剪能力，再以地层加固后的土体作为隧道的支点，形成盾构隧道—土承台支座相结合的地下桥跨式抗沉降结构，能保证在下穿建(构)筑物区段盾构隧道运营阶段的变形和受力要求；

(2)通过将土承台结构和盾构隧道共同形成了一个地下桥跨式的抗沉降结构，改变了传统的以单纯加固措施来解决盾构隧道沉降的方式，可以有效控制铁路盾构隧道下方软土塑性变形；

(3)本发明的方法和结构，尤其适用于下穿建筑物/构筑物的情形，较传统的抗沉降措施，避免了对盾构隧道结构的损伤，且减少了地面场地的占用，降低了施工对周边环境的影响，便于实施。

附图说明

图1为现有技术中的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形加固方式示意图；

图2为本发明实施例的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形控制方法和结构的平面布置示意图；

图3为图2实施例的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形控制方法和结构的纵断面布置下的示意图；

图4为图2实施例的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形控制结构中的土承台支座结构的示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—盾构隧道、2—土承台支座结构、3—既有建筑物、4—地面、5—管片结构、6—内部结构、7—软土地层加固。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2为本发明实施例的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形控制方法和结构的平面布置示意图；图3为图2实施例的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形控制方法和结构的纵断面布置下的示意图；图4为图2实施例的盾构隧道下卧软土地层的塑性变形控制结构中的土承台支座结构的示意图。

如图2、3、4所示，本实施例的一种盾构隧道控制软土塑性变形的方法，即在下穿既有建(构)筑物地段，为了减少盾构隧道下卧软土层塑性变形，满足铁路长期运营过程中的抗沉降安全要求，需要采取相应的抗沉降措施的方法。该方法通过形成地下桥跨式抗沉降结构，即考虑沿隧道轴线方向，在建(构)筑物两端空地上对一定深度范围内软土地层进行加固，加固可采用旋喷桩、搅拌桩或注浆的方式，形成土承台支座结构，支座的间距需要根据计算(附图4)并结合地面施工条件确定。至于加固的软土层的具体深度，是根据计算结果而确定的，这与地层情况、加固体位置、平面尺寸，上覆荷载等多种因素有密切关系，实际工程中原则是在确保满足铁路正常运营的前提下尽可能减小规模。也就是说这种深度根据不同的实际条件其结果会不同，其具体的深度确定原则和计算过程，业内技术人员是可以根据相应的条件技术得到的。

因在下穿既有建(构)筑物区段，无法从地面对盾构隧道下卧软土地层进行加固时，因此本方案采用沿隧道轴线方向，在建(构)筑物两端空地上对一定深度范围内软土地层进行加固，形成土承台支座结构，以此方式使得盾构隧道和土承台支座结构共同形成地下桥跨式抗沉降结构。本方案中，土承台支座结构尺寸、布置方式应根据地质、水文条件和盾构隧道结构设计进行验算，保证隧道结构抗沉降要求，且结构的变形和受力在允许值内；土承台支座结构在地面应具有施工条件，且对周边环境的影响较小。

本方案中，盾构隧道主体结构(或主体结构与内部结构的组合结构)本身是本方案抗沉降结构的一部分，建(构)筑物两端的加固体作为土承台结构，为地下桥跨式抗沉降结构的支点。

本方案中，盾构隧道所需纵向刚度根据纵向计算结果进行确定，并结合工程实际情况，选择适当的提高纵向刚度的措施。在一个优选实施例中，为提高盾构隧道纵向刚度，增大土承台支座间距，可采取但不限于如下措施：增加盾构管片纵向螺栓数量及强度、盾构管片纵向接缝采用钢板连接、管片内侧浇筑钢筋混凝土内衬结构等。

土承台支座结构的平面布置间距可以通过计算予以确定。具体来说，首先计算隧道结构自重、列车荷载、隧道上方土体及建(构)筑物传递下来的荷载，并扣除相应浮力，得出盾构隧道所承受的竖向荷载；然后建立隧道纵向等效刚度分析模型，土承台结构简化成竖向支座，通过调整承台结构间距对计算模型进行试算，直到隧道结构、土承台结构的变形和受力控制在合理范围。承台的布置间隔应结合地面条件确定，以尽量减少对周边环境干扰及拆迁为原则；土承台支座结构应在盾构隧道到达前完成。

对于盾构隧道本身，本实施例中一般要求管片衬砌张开量不超过8mm、环间错位不超过15mm、螺栓的抗剪和抗拉强度未超过设计值、衬砌结构应满足强度和变形要求。

本方案的控制结构在进行具体施工时，可依据如下步骤来实施：

(1)盾构隧道1通过前，先对既定位置处软土地层结构进行加固，形成土承台支座结构2；

(2)盾构隧道1掘进通过土承台支座结构，拼装隧道管片5；

(3)盾构隧道掘进通过后，对螺栓结构复紧，并施工内部结构6。

本方案的控制方法和控制结构对隧道直径不作限制，可以适用于不同直径类型的盾构隧道。对盾构隧道类型也不作限定，优选是铁路盾构隧道，当然也可以是其他盾构隧道。

相比现有技术，本发明抗沉降措施的工程量大为降低，土承台支座设置的位置可结合地面条件确定，减少施工对周边环境的影响，且充分利用了盾构隧道本身的纵向抗弯、抗剪能力，工程经济性和实施性较好。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。