5.2.1 案例一：某地铁隧道A区间上方堆载案例
1）工程概况
（1）项目背景。
2010年5月，发现某地铁线路A 区间上行盾构隧道地表发生大面积堆土，最高堆土高度达到7m，引起隧道产生了严重且密集的渗漏水及结构损伤病害，部分衬砌环甚至出现了顶部管片开裂以及螺栓断裂失效等极端病害，严重威胁到结构及运营安全。该区间位于软土地区，隧道于2008年10月结构贯通，2010年6月投入试运营。
根据盾构区间工程地质资料，第⑤层厚度较厚，第⑦2层层顶埋深较深。对应隧道地层主要为第③、第④、第⑤1层（局部涉及第③夹层）。超载区域盾构隧道基本下卧于第⑤1层，顶部为第④层土，如图5-1所示。该区间范围内主要土层的基本物理力学参数见表5-1。
图5-1 隧道地质及堆载纵横剖面示意
表5-1 土 体 性 质
对应隧道埋深范围多为④层淤泥质黏土，含水率高，强度低。
（2）超载概况。
根据相关资料，2008年12月，在上行隧道贯通后，第280环至620环间隧道段正上方堆土平均高度约4m，570环上方堆高最大达7m，堆高与超载前顶覆土厚度比值达0.43，超载幅度较大，地面堆载概况见表5-2。超载主要作用于上行隧道，土堆坡脚即位于下行隧道的投影面边，即超载未作用于下行隧道正上方。
表5-2 现场堆土高度与隧道环号对应关系 （单位：m）
2）堆载对隧道工程结构的影响分析
发现隧道上方堆载现象后，地铁维护部门在现场即刻布设有关监测项目，开展对隧道结构的影响监测。基于监测数据以及隧道结构损伤等病害状况，分析堆载对隧道结构的影响。
（1）监测方案。
考虑堆载对盾构隧道纵向影响范围（图5-1），第270至630环实施了隧道道床沉降、水平直径变化以及顶部纵缝张开等项目监测，断面测点布置如图5-2所示。顶部接缝张开仅用于观察卸载前纵缝张开幅度，在后续卸载及加固整治期间，主要根据道床沉降以及水平直径变化观察隧道变形，分析卸载及整治效果。
图5-2 测点布置示意
（2）隧道变形的监测数据分析。
根据水平直径监测数据，观察堆载区域隧道结构变形分布，并与堆高和顶覆土厚比值进行对比。
在堆载作用下，上行隧道［图5-1（b）中右侧隧道］各环水平直径与设计值之差ΔD 增加明显，呈现明显“横鸭蛋”变形，形成以407环和576环为中心的收敛变形明显区域，如图5-3所示，超载幅度明显区域，水平直径变化量ΔD 同样明显，第576环水平直径比设计值增加达21.4cm，与理论直径比值达34.6‰；观察沉降分布形态并对比收敛分布，第407环附近收敛变形区段沉降明显，且与超载幅度同步。
图5-3 堆高与沉降及水平直径变化对比
全线除堆载区域外单圆通缝盾构隧道，2010年初测得水平直径与设计值比均值仅为3.2cm，而堆载区域上行隧道第280环至620环区段水平直径变化均值达到14.5cm，远高于线路均值。需要说明的是，堆载区域所对应的下行隧道水平直径与设计值差均值仅为3.5cm，收敛变形属于正常隧道变形范围内，因此后续监测及整治均未将其纳入。
（3）隧道结构病害。
在突发堆载作用下，隧道明显呈横鸭蛋变形，B与D及F与L纵缝内侧张开，而B与L纵缝外侧张开，F与L环向连接螺栓受力较大，而B与L纵缝内侧混凝土应力集中明显，相对而言，更容易外侧止水条失效导致渗漏水病害发生。根据现场结构状况检查，堆载区段盾构隧道严重的收敛变形导致隧道结构安全及使用状况恶化。
①管片结构损伤。
图5-4为隧道顶部纵缝张开量测量示意图，现场使用游标卡尺测量。根据隧道顶部纵缝张开测量数据，纵缝张开明显，见表5-3，第570环顶部纵缝张开量最大达到27.1mm。
图5-4 隧道顶部纵缝张开测量示意
表5-3 顶部纵接缝张开量测量值
如图5-5所示，堆载区顶部纵缝明显张开，环向螺栓明显受拉，甚至出现螺栓断裂现象，图5-6为现场检查所发现第581环螺栓破坏现象。在螺栓受拉以及管片横断面变形过程中产生的内力作用下，角部混凝土容易产生裂缝现象，如图5-7所示，571环大块混凝土开裂后脱落，对结构安全构成严重威胁。
横鸭蛋变形情况下，腰部纵缝两侧混凝土作为转动支点，端部易集中受力，使得表层混凝土挤压碎裂脱落，根据现场观察，分析结果与实际吻合，腰部混凝土挤碎、压溃现象普遍且明显，图5-8为现场检查所发现第570环纵缝两侧混凝土挤碎现象，与纵缝距离约10cm 范围发生，深度1～2cm。
图5-5 顶部纵缝张开示意
图5-6 螺栓断裂示意
图5-7 混凝土脱落示意
图5-8 混凝土脱落示意
②接缝渗漏水。
盾构隧道横鸭蛋变形情况下，腰部B与L纵缝以内侧为支点，外部张开，弹性密封垫极易松开失效。现场观察表明，堆载区域隧道结构出现了成片渗漏水，尤以腰部纵缝位置最为严重，部分区段甚至渗漏泥砂，如图5-9所示。
顶部纵缝以及底部纵缝以外侧为支点，内侧张开，防水构件相对不容易出现松弛失效问题，但由于顶部外侧端部受挤压等原因，端部混凝土受集中力作用，容易出现碎裂现象，如果外侧发生了压碎裂隙，产生渗漏水现象，将是十分严重的问题。
根据上述超载引起的隧道结构病害初步分析，纵缝处病害密集且程度严重，主要病害是渗漏水，发生在纵向接缝处，顶部纵缝张开，以及腰部纵缝两侧混凝土挤碎现象明显，部分环顶部混凝土明显裂缝或掉块，环缝基本未见明显张开或错台现象。这表明环缝纵向螺栓使用状态正常。
3）隧道整治程序
根据前述结构受损分析，伴随堆载区盾构隧道横向收敛变形产生的渗漏水及结构损伤病害，严重威胁到隧道结构及运营安全；同时，相应于盾构隧道纵向沉降的环间错台或接缝张开未导致严重的使用状况病害，远未影响到结构安全，因此，结构整治工作主要围绕横断面收敛变形进行，具体整治流程如图5-10所示。
图5-9 隧道腰部和顶部的渗漏水示意
图5-10 隧道整治流程示意
由于隧道病害状况由上部堆载引起的，第一时间组织对上部堆土进行卸载，尽可能减少超载对隧道结构的作用时间；之后采取聚氨酯和环氧及时对隧道渗漏水进行堵漏，避免结构进一步恶化，加剧侧压力损失，横向变形循环恶性发展；在粘贴芳纶布前，清除破碎混凝土，修补裂缝，对管片结构进行表面处理，维持结构整体性。然后实施隧道结构的加固，补强隧道结构承载能力，先粘贴芳纶布，临时补强隧道结构。针对上行隧道第500—559以及第560—600环横向收敛变形严重区段，分别实施了半环及全环的钢板环加固。
（1）堵漏。
①聚氨酯堵漏。
现场隧道渗漏主要表现为接缝渗漏水，现场先通过壁后水溶性聚氨酯注浆方式进行堵漏。水溶性聚氨酯遇水膨胀发泡，从而在管片外壁形成隔水膜，阻止水源通过接缝进入隧道，或大幅增加渗漏路径，从而减缓渗漏水病害。如图5-11所示，聚氨酯注浆主要采用两侧标准块B注浆孔进行，少数渗漏面积大且严重区域，另考虑利用邻接块L注浆孔。聚氨酯注浆采用两侧对称压注。
图5-11 聚氨酯注浆效果示意
②环氧堵漏。
针对钢环加固区，为避免钢环拼接完成后，背部渗漏病害再次发生，腐蚀钢板，采用环氧树脂密封接缝。另外渗漏严重且堵漏效果不佳时，同样采用环氧堵漏。
图5-12为采用环氧注浆示意图，选择双环缝或多环缝为单位进行隔断密封注浆，以双环缝为例，封顶块以下以弹性环氧为主，从低到高压注，以此灌满封闭节点所围成的接缝区域；封顶块以上，考虑到顶部整体受力需要，采用刚性环氧从低到高进行压注，最终封闭节点所围成区域，形成接缝隔水帷幕。
图5-12 环氧注浆孔布置示意
（2）加固。
①芳纶布粘贴。
图5-13为现场粘贴芳纶布加固顶部结构示意图，具体实施范围为拱顶约58°范围，加固环向弧长约为2.8m，利用刚性环氧高黏结强度，实施芳纶布加固，单环芳纶布分成三部分，中间部分为手孔之间区域，另管片的两侧靠近环缝位置粘贴两条
图5-13 芳纶布张贴示意
②钢环加固。
图5-14为现场采用钢板环加固加固示意图，全环加固通过3块钢管片、2块带牛腿钢管片以及1根道床位置钢拉板，形成环形受力体系，提高已变形盾构隧道抗偏载能力。先进行牛腿安装，后拼接上部三块钢管片，最后通过钢板拉接两侧牛腿。半环加固通过2块带牛腿钢管片以及1根道床位置钢拉板进行。
（3）双液注浆。
采用水泥浆和水玻璃两种浆液，经混合后注入土体后形成加固体，水玻璃可短时间内凝固水泥浆，在控制使双液注浆对周围土体结构的扰动的同时，使得注浆体短时间内形成强度，满足短期内隧道结构使用要求，综上，双液注浆在控制扰动同时，可实现加固周围土体目的。其中水泥浆水灰比为0.6～0.7，水玻璃模数为2.85，玻美度为35，两者配比为3∶1。
注浆示意图如图5-15所示，加固深度为隧道底以上5m 内，上下行隧道间布置1排，上行隧道另一侧布置3排，注浆孔沿隧道纵向孔距为1.2m，横向孔距为0.6m。
（4）整治效果。
整治期间，通过观察隧道水平收敛及沉降历时变化情况，了解整治各阶段效果。由于各类型整治措施存在交叉，根据整治时间，从2010年5月开始至2014年7月双液注浆结束，大致可分成3个阶段，表5-4统计了407环各阶段沉降及收敛历时变化情况。
卸载及注浆表现如下现象：卸载期间，上行隧道407环最大上抬达到14.1mm，累计已呈隆起状态，而收敛仅回缩6mm，相比纵向沉降，卸载对于改善隧道结构收敛变形效果并不明显，即径向收敛变形可恢复性相对较差，超载对于隧道结构横断面的变形影响相对较难处理。
图5-14 钢板环加固示意（单位：mm）
图5-15 钢板环加固示意（单位：m）
表5-4 整治效果统计
注：第407环未进行钢环加固，但根据监测数据，钢环加固施工本身对相应位置隧道结构影响较小。
第二阶段，堵漏修补以及芳纶钢环等加固措施，周期长达8个多月，其间隧道沉降及收敛分别继续减小13.6mm以及回缩5mm，第二阶段各工况自身并不会直接改善纵向沉降及径向收敛降状况，仍是卸载效应继续发挥作用的结果，根据历史沉降数据分析，各指标恢复量主要在第一月内完成。
第三阶段，隧道侧边注浆加固于2014年5月开始实施，注浆施工明显改善隧道收敛状况，407环注浆期间水平直径累计回缩近4cm，但在注浆结束后两月内，重新增加7mm。注浆施工期间，注浆压力以及浆量将引起隧道侧边孔隙水压力短期内明显增加，进而挤压隧道横向变形收缩，而在注浆结束后，由于孔隙水压力逐渐消散，前期挤压效果会部分消失。
4）数值模拟分析
采用第3 章介绍的上方加载作用下盾构隧道横向变形有限元分析方法，建立ABAQUS有限元数值模型用于计算该工程案例。图5-16所示为有限元计算模型，建模中以变形最为严重的第570环为对象，隧道埋深与地层条件均参照该环管片实际情况建立，地表加载宽度为120m，加载值为141kPa（对应堆高与顶覆土厚度比值0.43）。
图5-16 有限元模型图示（单位：m）
图5-17所示为加载前后隧道横向变形图示（为直观表现故变形放大5倍），在图示加载作用下，隧道环向左侧发生水平偏移，同时产生较大的收敛变形，各处接头张开明显，隧道变形破坏严重。
图5-17 加载前后隧道横向变形图示
据有限元模型计算，在地表加载作用下，隧道左侧拱腰水平位移为180mm，右侧拱腰水平位移为29mm，相应水平收敛变形为151mm（对应24.4‰D），与实测结果比较吻合。
5）小结与建议
根据该项目大面积超载对隧道变形影响及修复方法的分析，可得出以下的主要结论及建议。
（1）上方大面积超载对隧道影响明显，在局部最高近7m堆土作用下，隧道产生明显收敛变形，最大水平直径变形接近21cm，进而产生由收敛变形所导致的各类型病害，严重影响隧道运营及结构安全；同时，限于实测数据分析得到超载所引起的纵向差异沉降未导致隧道使用及结构安全问题。
（2）卸载对于减缓纵向差异沉降趋势的作用是明显，卸载完成后，回弹幅度达到14.1mm，而收敛回复效果不明显，仅0.6cm，不足1‰D；后续堵漏、修补及芳纶钢环加固工艺本身并不会明显抬升隧道或缓解收敛变形状况，隧道呈抬升趋势为卸载后续影响，但收敛变形状况仍未得到明显改善；侧边双液注浆加固引起隧道收敛变形回缩明显，注浆完成后，407环收敛累计回缩近3.9cm。
（3）建议在卸载完成后，隧道漏水治理应排在优先位置，避免隧道侧边持续泄压导致横向收敛继续发展，然后抓紧进行隧道侧边双液注浆加固，减小部分收敛变形，提高侧边约束力，改善受力状态，待加固稳定后，实施钢环加固。