真空预压加固软土地基对浅埋轨道交通盾构隧道的影响

时间：2024-07-28

马驰

铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳518034

我国东部沿海地区，部分轨道交通线路位于新填海场地。新填海场地内广泛分布着海相、湖相沉积的软弱黏土层，具有高含水率、高压缩性、低强度、低渗透性等特点，在填土、车辆、建（构）筑物等荷载作用下会产生较大的沉降，地基承载力和稳定性差。在填海场地修建道路、机场等，应进行软土地基处理，有效消除软土的沉降变形，提高地基承载力和稳定性，以满足工程建设的需要。

浅埋轨道交通隧道上方进行软土地基处理工程时，地下水位变化、卸载、加载等会造成隧道变形，对隧道安全产生不利影响，甚至会造成轨道变形超标，盾构隧道出现裂缝、漏水，甚至影响地铁运营，给人民生命财产造成损失。丁加亮、张明远、石国伟、张国亮、李宇升等［1-5］研究了紧邻地铁基坑开挖对隧道的影响，刘浩、康佩、楼晓明等［6-8］研究了桩基础施工、上部高层建筑对轨道交通隧道的影响，而有关真空预压、复合地基等软土地基处理工法对轨道交通隧道的影响研究较少。

本文结合软土性质、地铁变形控制指标等因素，研究真空预压加固软土地基对轨道交通隧道的影响，对于合理确定软土地基处理方法，保障轨道交通设施安全，具有重要的现实意义。

1 真空预压分析方法

对真空预压加固软土地基机理的认识存在一定的分歧，主要有两种观点［9-12］：

1）等效荷载理论，认为把膜内外压差即“真空度”作为等效荷载作用在地基土上，加固机理同堆载预压，如图1中红色箭头所示。

2）负压固结理论，抽真空后的地基土处于大气压力小于标准大气压力的作用下，即处于所谓的负压作用下，由于抽真空作用导致边界上的气压或者孔隙水压力降低，造成地基内孔隙水势的不平衡。若将大气压看作边界，则在负压作用下的基本原理和标准大气压作用下的基本原理相同。在负压条件下的土体受到三向压应力，如图1中蓝色箭头所示。

根据真空预压加固机理，真空预压加固软土地基对隧道的影响分析可采用两种方法计算：

1）单向加载、卸载

真空压力视为竖向加载，对真空处理层之下会造成附加应力，计算的隧道沉降偏大（参见图1）。停止抽真空时，真空处理层的附加应力消失，隧道会发生较大的反弹。

2）三向加载、卸载

真空压力造成的土体附加应力为体应力。对真空处理层形成三向压力，不会对真空处理层以下的土层产生附加应力。抽真空、停止抽真空过程中对真空处理层以下的土层影响较小。

等效荷载理论由于没有考虑到真空预压荷载的复杂性，计算的隧道变形偏大。故本文采用负压固结理论，按照三向加载、卸载分析真空预压加固软土地基对隧道的影响。

2 真空预压试验段

深圳地铁11号线、穗莞深城际穿过深圳机场T4航站区，地处淤泥下卧的粉质黏土层。为了研究真空预压加固软土地基对隧道的影响，在深圳机场T4航站区选择典型的地段进行现场试验，面积1万m2，如图2所示。

图2 真空预压试验段

试验段土层自上而下有淤泥层、中粗砂层、粉质黏土层，其中淤泥层是真空预压处理的对象，隧道处于粉质黏土层中。各土层物理力学性质指标见表1。

表1 土层的物理力学性质指标

试验段采用真空预压处理：在现状泥面清表后铺设1层土工布、0.3 m厚砂垫层；采用轻型插板机打设塑料排水板；边界开挖压膜沟，铺设真空管系、保护土工布、密封膜等；抽真空，满载时间3个月；真空预压施工期间，对隧道、轨道的变形进行自动化监测，累积变形超过报警值时停止施工，查明导致变形过大的主要原因，制定有针对性的控制措施后方可继续施工。

3 数值计算结果

采用PLAXIS有限元计算软件对真空预压加固软土地基引起的隧道变形进行计算，模型如图3所示。土的本构模型采用摩尔库伦模型，强度指标采用固结不排水抗剪强度指标。

图3 真空预压计算模型（单位：m）

真空预压期间，盾构隧道变形数值计算结果见图4。可知：吸力最大值为80.64 kN∕m2，最小值为0。真空预压后隧道水平位移最大值为0.14 mm，最小值为-0.16 mm。真空预压后隧道竖向位移最大值为1.00 mm，最小值为-0.70 mm。隧道的水平位移远小于竖向位移，说明真空预压加固软土地基对隧道的变形影响以竖向位移为主。

图4 真空预压后吸力分布及隧道位移

经计算可知，隧道顶部下沉1.0 mm，隧道底部下沉约0.7 mm，隧道顶部竖向位移略大于底部。