4.4.2 土体加固
按照盾构隧道设计一般要求，隧道拼装成环后在外部作用影响下，允许纵向、环向接缝张开6mm而不发生漏水，直径累计变化量应小于0.5%D，因此对于隧道外径D=6.2m的单圆隧道，拼装完成受力后其变形应控制在3.1cm 内。而地铁盾构隧道正常运营的变形保护要求非常严格，按照标准《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202—2013）规定，隧道竖向位移和径向收敛不能超过20mm。从上节计算结果可知，隧道上方进行基坑开挖，若不进行土体加固或采取其他控制措施，隧道变形将超限不易控制，会严重危及结构运营安全。
（1）隧道外土体门式加固。
考虑对隧道周围土体进行加固，采用注浆、三轴搅拌桩、旋喷桩或高频振动灌注桩等施工工艺加固土体，加固范围如图4-26中阴影部分所示，上方3.0m 厚加固土体距离隧道顶0.5m，侧方4.0m 宽加固土体距离隧道1.5m，侧方加固体范围从隧道底部往下延3.0m，在隧道周围形成“门”式加固体。
图4-26 隧道外土体门式加固
考虑土体加固水泥掺量约15%，加固土体28天无侧限抗压强度qu≥0.8MPa，加固范围内土体计算参数见表4-22。不同开挖开尺寸下隧道变形计算结果如图4-27所示。
表4-22 加固土体模型参数
从图4-27计算结果可以看出，针对隧道外土体进行门式加固，上方基坑开挖引起的隧道变形多数表现出竖向隆起量s大于横向收敛变形Δd，这与土体未加固时的隧道变形表现相反。说明对隧道周围土体进行门式加固，影响了因上方基坑开挖引发的隧道变形姿态。图4-28对比了加固前后隧道收敛变形Δd 与隆起量s的比值δ，从图中可以直观看出，对隧道进行门式加固后，δ＞1→δ＜1，门式加固体有效地抑制了因上方卸载引发的横向收敛变形，隧道主要表现为竖向隆起。隧道隆起变形可以进一步通过限制基坑开挖的土体回弹变形加以控制。当然，隧道管片的横向收敛和竖向变形并非独立发生发展的，在采取变形控制措施时需要综合考虑，避免隧道向不利的变形姿态发展。
图4-27 门式加固基坑开挖影响隧道变形
图4-28 加固前后隧道收敛变形Δd与隆起变形s的比值δ
（2）隧道上方基坑满堂加固。
显然，对隧道周围土体进行门式加固，在一定程度上可以控制基坑开挖对隧道的变形影响。但当基坑开挖宽度W 大于隧道外径D 时，卸荷比n 较大时，隧道变形仍然较大，超过20mm，不能满足地铁运营维护要求。现考虑对上方基坑内土体进行注浆、搅拌桩等满堂加固，如图4-29所示。计算结果见图4-30和表4-23、表4-24。
图4-29 隧道上方坑内土体满堂加固
图4-30 满堂加固基坑开挖影响隧道变形
表4-23 满堂加固、W=2D 工况下隧道变形
续 表
表4-24 满堂加固、W=3D 工况下隧道变形
从图4-30中可以看出，坑内土体满堂加固后，隧道的隆起和收敛变形进一步得到有效控制，仍然表现出隆起量s大于横向收敛变形Δd，s和Δd 随卸荷比n 增大递增的规律，隆起量s 与开挖深度h 的比值变化范围在1.00‰～2.72‰。隧道横竖径变化量如图4-31所示，其与前述变形规律一致，符合|Δl|≈|Δd|。
图4-31 上方基坑内土体满堂加固后开挖隧道横径竖径收敛变化量
图4-32对比了坑内土体满堂加固和仅隧道外土体门式加固下基坑开挖对隧道变形的影响。基坑内土体满堂加固后，卸荷比n＜1时，隧道的隆起变形平均减小约35%，收敛变形减小约40%；卸荷比n=1时，变形控制效果更显著。
图4-32 土体加固条件下基坑开挖对隧道变形的影响
（3）加固体强度。
通常基坑围护结构设计对土体加固有一定要求，如地基加固施工工艺、水泥掺量、加固后土体无侧限抗压强度、水泥标号等。这里考虑几种不同的加固土体强度参数，见表4-25，计算同时对坑内土体满堂加固和隧道外土体门式加固时，卸荷比n=0.5、开挖宽度W=3D 工况下的隧道变形，计算结果见表4-26所示。
表4-25 土体加固要求及计算参数
由表4-26计算结果可知，相较于土体未加固（即原状土体），土体加固后（qu≥0.8MPa），上方基坑开挖影响隧道的隆起量s减小达50%，横向收敛变形Δd 减小也超过50%。由此可见，按图4-29所示范围进行基坑内土体满堂加固和隧道外两侧土体门式加固，且达到加固体强度要求，可有效控制上方基坑开挖引发的隧道隆起变形和收敛变形。
表4-26 W=3D，n=0.5工况下隧道变形结果对比
