某大跨下穿淺基建筑暗挖隧道初期支護開裂原因分析與施工對策

夏曾銀，趙 勝

(中鐵隧道集團京隧建公司，北京 100022)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的飛速發展，地鐵線路穿越城市密集區的概率和范圍越來越大，且沿線一般存在大量地下城市生命線工程和地上敏感建(構)筑物，隧道工程不可避免地需要從其下部和旁側近距離穿越。目前，暗挖隧道下穿淺基建筑物施工已經積累了一定的經驗;但是，由于土體特征具有明顯的地域性，施工工況具有較強的針對性，對于大跨下穿淺基建筑暗挖隧道出現初期支護變形過大、開裂險情的處置方案不盡相同，缺乏完整、系統的文獻支持。本文以深圳地鐵某大跨暗挖隧道下穿淺基建筑為例，分析初期支護開裂的原因，并對后續施工處理方案進行介紹，以期為今后類似隧道的設計、施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

深圳地鐵某并線段區間為單洞雙線暗挖隧道，全長48.25 m，設有喇叭口 D，E2種斷面(見圖1)，拱頂埋深約15～17 m。隧道頂部覆土主要為素填土層、坡積黏土、殘積礫(砂)質黏土;除進洞口段13 m范圍風洞身下部為全風化粗粒花崗巖外，其余洞身地層為礫(砂)質黏土;地下水位埋深1.1～6.0 m，隧道圍巖級別為Ⅵ級。該隧道下穿的某景區辦公樓(5層混凝土整體框架結構)及景點教堂(3層混凝土整體框架結構)均為柱下獨立擴大基礎，其中辦公樓受相鄰地鐵車站深基坑施工影響，東側墻面已出現裂紋。房屋與隧道平面位置關系見圖2。

隧道采用淺埋暗挖法(雙側壁導坑工法)施工，復合式襯砌。拱部采用φ133大管棚+φ42注漿小導管聯合超前支護;洞內全斷面深孔壓注MC超細水泥－水玻璃雙液漿預加固;有條件段對開挖輪廓線外3 m范圍以內地層采用φ600@450 mm密排旋噴樁進行地表加固;房屋基礎下設φ60袖閥管跟蹤注漿。初期支護采用35 cm厚C25網噴混凝土+間距0.5 m格柵鋼架 +邊墻 φ32，長 3.5 m，間距 0.5 m ×0.75 m 注漿系統錨管聯合支護。

2 初期支護開裂及應急搶險過程

2.1 初期支護開裂過程描述

該隧道設計分9部開挖，實際按6部進行。2008年11月11日前，隧道各步序正常開挖，初期支護各分塊及時封閉，初期支護表面無異常情況，地表辦公樓原有裂縫無明顯變化。11月11日—18日隧道左側(以面向工作面為基準，下同)上導坑中隔墻局部節點板處出現細小裂縫;11月18日下午發現左側上導坑YDK14+800～+775段邊墻格柵節點板附近出現縱向裂縫，寬度3～5 mm，同時發現地表辦公樓東側墻裂縫有增大趨勢，多位于填充墻及窗臺(見圖3);11月18日晚，各工作面停止施工，進行加固處理。各步序進展情況見圖4。

2.2 應急搶險措施

險情發生后，遵循“抑制既有險情擴大、預防次生災害發生”原則進行搶險。

1)隧道各工作面采用工鋼+網噴混凝土臨時封堵。

2)立即在左右側上導坑上部加設方木剪刀撐，中部(節點板上20 cm)加設Ⅰ18型鋼橫撐;下導坑節點板處加設方木橫撐(隔一撐一，直接撐格柵鋼架)，同時下導坑仰拱節點板上30 cm以下范圍內澆筑C15混凝土鎖腳，并每隔5 m設2 m寬沙袋墻對中隔墻進行反壓。

3)加大頻率，每天24 h進行連續監視監測，及時反饋，并根據結果隨時繼續加強隧道加固。

圖4 各步序工作面進展Fig.4 Construction procedure

2.3 施工監測情況

1)拱頂沉降。2008年11月14日—22日左右上導坑拱頂沉降均較大，左導坑最大沉降－29.23 mm(YDK14+793)、右導坑最大沉降 －29.79 mm(ZDK14+788);22日加固后，沉降量明顯減小并趨于穩定;至12月1日，左導坑最大沉降－1.65 mm、右導坑最大沉降－1.09 mm。

2)水平收斂。2008年11月14日—22日水平收斂較大，左導坑最大收斂－33.06 mm(YDK14+793)、右導坑最大收斂－15.91 mm(ZDK14+798)，左側明顯大于右側;22日加固后，收斂變化明顯減緩并趨于穩定;至12月1日，左導坑最大收斂－1.33 mm、右導坑最大收斂－1.5 mm。

3)地表建筑物沉降。2008年11月14日—22日地表建筑物沉降變化較大，辦公樓最大沉降－16.38 mm、教堂最大沉降－10.44 mm;22日加固后，沉降明顯減緩;至11月29日，沉降基本趨于穩定，辦公樓最大沉降－5.24 mm、教堂最大沉降 －3.18 mm。

現場加固后，根據變位時態曲線圖，各點變化都趨于平緩，現場監視隧道內及地表建筑物沒有新增及擴大裂縫、滲水加大及支撐變形情況發生，且未發現建筑物梁、柱裂縫。根據以上初步判定:加固后隧道及地表建筑物處于穩定狀態。

3 原因分析

3.1 數值模擬

采用ABACUS軟件建模(網格劃分見圖5)，按照實際施工步序，模擬加固前各導坑開挖過程中的地層塑性區分布和發展狀況。

圖5 網格劃分圖Fig.5 Grids

1)左上導坑開挖。首先導坑內側壁中部地層產生塑性區(見圖6)，隨著開挖進行，逐漸向深處發展，且外側壁中部地層也產生塑性區(見圖7)。左上導坑支護完畢后，外側地層塑性區深度達2.1 m，內側達2.3 m。結果揭示:地層塑性區發展和分布與現場導坑兩側裂縫出現順序和位置是相吻合的。

2)左下、右上導坑開挖。隨著施工進行和地層應力重新分布，塑性區不斷發展。其中，內側地層塑性區繼續向深度發展并在左下、右上導坑開挖后貫通(見圖8);支護完畢后，左上、下導坑外側地層塑性區連結成片，最深為2.6 m，右上導坑外側地層塑性區深度達到2.4 m(見圖9)，產生和左上導坑同樣塑性區，且上、下導坑分界處塑性區不斷加大。

3)左右導坑開挖完成后。到右下導坑開挖結束并施作支護后，左右導坑塑性區分布基本對稱，導坑中部地層塑性區完全貫通并分布于整個開挖面，外側塑性區深度最大為3.4 m(見圖10)。

圖10 左右導坑開挖完成并支護后塑性區分布Fig.10 Distribution of plastic zone after left and right guide tunnel excavation and support

3.2 主要原因

根據數值模擬分析，結合現場具體險情，初期支護開裂主要原因有:

1)隧道開挖9部變6部，違反設計要求。考慮到喇叭口D斷面隧道上方地表荷載(5層辦公樓)較E斷面(3層教堂)大，而要求喇叭口D斷面分9部、E斷面分6部開挖。在隧道施工時，只注重施工方便及進度指標，而未深刻理解設計理念。

2)由于兩側導坑為兩頭尖中間凸狀豎向布置，6部開挖格柵被過度分割，側導坑1部、3部上下臺階節點板處 (即裂縫處)為受力最不利位置，卻未設橫撐。喇叭口D斷面原設計分9部，通過設置橫撐改善了側壁節點板處的受力狀況;E斷面設計雖分6部，但卻加大了側導坑跨度，亦改善了側壁節點板處的受力狀況。

3)從施工組織來看，亦存在不合理之處。整體施工步序沒有突出各部(步)，特別是形狀優美的整個隧道斷面快速閉合的成環思路，各部之間不合理的間距使隧道支護的時空效應投入到“風險”的懷抱。比如2部、3部之間縱向未錯開一定距離，而采取平行開挖加速了中洞土體塑性區的發展，中導坑5部未及時開挖，不能及時將側導坑初期支護部分的彎矩轉化為軸力。

4)工藝質量缺陷較多。包括節點板連接不好、房屋基礎跟蹤注漿深度大、壓力高及邊墻系統錨桿未完全施作和初期支護背后回填注漿不及時。節點板連接不好是初期支護開裂的重要原因，部分節點板張口較大，大幅度削弱了初期支護的結構強度;施工圖中未量化跟蹤注漿深度及壓力，因淺孔注漿易冒漿，而采取了深孔注漿(深至拱頂上方3 m)，壓力達1.8 MPa，對未整體形成扁平狀的初期支護壓力很大;邊墻系統錨桿采用長3.5m，φ32注漿錨管，由于忽視了注漿錨管改善地層作用，施工中沒有保證足夠的密度和范圍，使松弛區擴大引起初期支護所承受荷載加大;遲到或尚未及進行的初期支護背后回填注漿，使支護與地層間連續抗力－荷載喪失存在的意義，從而加大了松弛區的不利作用。

4 施工對策

通過原因分析，參照監測資料及專家意見，遵循“以人為本，確保隧道穩定、房屋安全優先，措施寧強勿弱，應急準備到位”原則，制訂已挖洞室加固處理、剩余隧道均衡開挖、隧道二次襯砌緊跟開挖及地表房屋基礎下跟蹤注漿的綜合處治方案。

4.1 已挖洞室加固

已挖洞室加固采取“強錨固+強內襯”方案，即在已有隧道初期支護內側再增設一層支護體，支護體沿原設計隧道初期支護內側及中壁土柱全環設置，與原初期支護體系共同受力，并在兩側導坑邊墻范圍對應格柵設置自進式中空錨桿，施加預應力，實現強錨固，確保隧道及地面建筑物安全，并結合對開挖輪廓線外3.5 m范圍內地層和中間核心土體補注漿加固一并實施(見圖11)。其施工程序為:強錨固—節點板接頭加強—強內襯—周邊及中間土體加固—下步開挖。

圖11 已挖洞室加固處理Fig.11 Reinforcement of excavated tunnel

1)徑向強錨固。采用φ25自進式中空注漿錨桿，長6.0 m，間距0.5 m ×0.8 m(縱 × 環)錨桿與鋼架對應設置，并先低壓后高壓壓注濃水泥單液漿錨固，形成圍巖－支護體系。變形較大地段按8根設置于邊墻，其余地段按2根設置于邊墻鋼架上、下接頭處。當漿體達到85%強度后，采用扭力扳手進行張拉，張拉力不小于7 t。

2)節點板接頭加強。錨桿施工完畢后，以2榀格柵為1個單元。將水平裂縫上下各10～15 cm分段鑿開檢查連接情況。若發現節點板不密貼，則以形狀、尺寸合適的鋼筋填塞開口處并與其焊接牢固，同時以雙面焊對格柵4根主筋節點連接處各幫焊一根φ28鋼筋，上下搭接3～5 d;若臨土側2根主筋難以實施，可采取單面幫焊2根φ28鋼筋方式代替，最后將鑿開處補噴密實或灌注微膨脹細石混凝土。

3)強內襯。設計通過調整線路中線、減小襯砌內凈空和減小襯砌厚度加強配筋等措施爭取強內襯所需空間。強內襯新增設支護體采用網噴混凝土+錨筋+型鋼鋼架聯合支護，沿隧道全長設置220 mm厚C25早強混凝土全環及臨時中壁柱支護。φ8，@150 mm×150 mm鋼筋網格全環單層設置，鋼筋網置于鋼架腹腔與其連接牢固;φ22，長 0.3 m，間距 0.5 m ×0.75 m 錨筋菱形布置，縱向對應鋼架與原初期支護連接。型鋼鋼架全環及中壁柱設置間距0.5 m，與原初期支護格柵鋼架錯開布置，全環分8個單元，單元劃分錯開原支護節點板位置并設在受力較小部位。強內襯由洞口向洞內逐次推進，遇初期支護侵入凈空地段，應暫時跳過最后施作，以確保安全。

4)土體改良。由于兩側導洞開挖，使中洞大部土體和邊墻周邊土體處于塑性區范圍，需對其改良加固。已挖洞室分段完成上述加固后，先對中洞土體分淺、深孔注漿改良，再對邊墻周邊土體進行深孔改良加固。

①中洞補充注漿加固。為了填充臨時支撐背后孔隙和改善其受力狀態，先淺層注漿，接著深層注漿加固，以期改善中間剩余土體的穩定性和強度。淺層表注漿孔按0.5 m×1 m(縱×環)梅花形交錯垂直施工面布孔，深為1 m，在下斷面拱腳位置按30°，45°傾角布置2根φ32，長1.5 m斜插鋼管注漿，水泥－水玻璃雙液漿壓注，水玻璃濃度30 Be'，W∶C=(1.0 ～1.2)∶1，C∶S=1∶1，初壓宜為 0.1 ～0.15 MPa，終壓不大于 0.3 MPa，主要以壓力控制;深層注漿孔與淺孔一樣，深3 m，在下斷面拱腳位置按30°傾角布置1根φ32，長3.5 m斜插鋼管注漿，水泥單液漿壓注，W∶C=(0.6 ～0.8)∶1，外摻0.5%減水劑，初壓宜為0.1 ～0.3 MPa，終壓不大于0.5 MPa，主要以壓力控制。

②邊墻周邊土體注漿加固。在兩側邊墻布設φ32，長3.5 m，間距0.5 m ×0.75 m(縱 × 環)徑向注漿錨管，采用W/C=0.5～0.55濃水泥漿，當漿液可注性不足時，可摻加減水劑，摻量以1%為基準，通過試驗確定，壓力控制在0.5 MPa以下。

4.2 剩余隧道開挖

要求均衡開挖，每步間保持適當步距，縱向錯開4～6 m。主要措施有:

1)橫撐一體化。中洞開挖前對現有兩側導洞所架設橫撐采用φ22，@500mm鋼筋焊接。

2)拱腳加固。為防止格柵下沉，在拱腳設縱向型鋼或支墊木板，同時在拱腳處及其向上1 m分別設一道鎖腳錨桿，每道2根，長度3.5 m。

3)格柵分節。兩側4個導坑均一次開挖，預留核心土，每個導坑由原來2節格柵合并為1節。

4)中洞開挖。分3臺階，按側導坑位置設2道橫撐，上、中臺階步距為2 m，中、下臺階為4～5 m。上臺階開挖前施作φ42超前小導管，并壓注水泥漿，W/C=0.8～1，壓力控制在1.0 MPa以下。由于兩側導坑因測量誤差和施工誤差存在鋼架不同步問題，導致中洞拱部格柵無法采用螺栓連接，要求將拱部格柵節點分在總長1/3處，左右錯置，承插幫焊方式連接(格柵加工時預先加長，安裝時互相承插，交叉部位2根主筋雙面幫焊1根φ28螺紋鋼，搭接長度5 d，最后現場安裝承插段箍筋、U型筋及“之”字筋)。

5)初期支護背后回填注漿。拱、墻、底部依次分別按照2 m×2 m，4 m×4 m，1 m×1 m梅花形布置回填注漿管，管長60 cm，以不大于0.2 MPa的無收縮漿液低壓回填注漿。

圖12 建筑物跟蹤注漿示意圖Fig.12 Following grouting of the building

4.3 二次襯砌

二次襯砌縱向分段，每段6 m，緊跟開挖，二次襯砌與仰拱作業面保持2 m步距，二次襯砌采取主動換撐+拱墻整體澆筑方案。首先澆筑中洞部分仰拱及填充混凝土，然后在其頂面安裝φ273@2 m鋼管中立柱，柱頂設弧形法蘭，背后預鋪防水板。對中立柱施加預頂力，再拆除臨時中隔壁及臨時橫撐，澆筑側洞仰拱及填充混凝土，最后施作拱墻二次襯砌。待拱部混凝土達到90%強度后拆除鋼管中立柱，用微膨脹防水混凝土填充孔洞。

4.4 地表建筑物保護

1)地下水位觀測。為及時掌握地下水變化情況，根據現場，在辦公樓南北側及教堂南側各設1個水位觀測井(兼回灌孔)。設置于隧道開挖輪廓線外3 m以內，深28 m。施工過程中加強地下水位觀測，根據觀測結果，必要時進行回灌。

2)地表動態跟蹤注漿。通過多臺注漿設備、多注點動態注漿結合全過程監控量測來控制建筑物基礎沉降量。采用可多次重復注漿的袖閥管分段注漿。首先，對已挖洞室上方建筑物地基進行注漿加固，以防止建筑物繼續沉降;其次，后續施工全過程監控沉降并實施淺層注漿控制及調整沉降。

①注漿孔位布置。根據現場，在每座建筑物柱下獨立擴大基礎布設2～3個注漿孔，孔底及孔口間距均不得小于1.8 m，以防串漿。從建筑物四周地表斜向下鉆孔至基礎下，注漿孔孔底垂直深度根據建筑物高度不同分2種，辦公樓下為5 m，教堂下為6.5 m。布孔橫斷面見圖12。

②注漿材料。采用水泥－水玻璃雙液漿，水玻璃濃度 30 Be'，W∶C=(0.8 ～1)∶1，C∶S=1∶1。

③注漿參數。注漿壓力 P地基加固=0.3 ～0.6 MPa，P動態注漿=0.8 ～1.2 MPa;擴散半徑 R=0.8 m;注漿分段長度0.5 m;注漿結束以壓力控制標注。

④鉆孔機具。采用MGY—60B型錨桿鉆機，此鉆機利用高壓風吹土出孔，可以避免在鉆進過程中需要泥漿護壁而引起建筑物基礎下的水土流失。

⑤注漿過程控制標準。對布置于辦公樓及教堂上的監控量測點進行觀測，當某點量測結果超過警戒值時，對基礎實施動態注漿，直到沉降值恢復到警戒值以內。根據建筑物的形式和重要程度設立警戒值:監控量測點沉降值為0.8 mm/d，每10 m不均勻沉降為12 mm，抬升速率不大于1.5 mm/d。施工過程中，需每隔8 h對每個監控量測點觀測1次，并即時反饋量測信息，采取調控注漿。沉降觀測點采用精密水準儀觀測，應由專人負責。

5 結論與討論

通過采取上述施工方法及輔助措施，暗挖隧道安全地通過了辦公樓及教堂，控制了其沉降在允許范圍內，保證其正常使用。通過本文分析研究，得出以下結論:

1)動態設計與施工是地下工程，尤其是暗挖工程的生命。首先需深刻剖析施工環境，把握設計意圖，提前對工況模擬、結構驗算、細節完善等全面細致考慮且確保流程規范。地下工程建設領域推行設計施工總承包模式，可實現安全與效益、質量與投資的和諧統一，但對承建商的門檻，行業主管部門要嚴格把關。

2)監測是地下工程的眼睛。通過動態監測，提前分析預測，準確全面把握地下工程支護可能或即將出現的異常因素，是超前、正確應對險情的重要前提之一。

3)地下工程暗挖工法發展到今天，其工藝、措施日臻完善。暗挖斷面越來越大是發展方向之一，化大為小、分部施工、環環封閉是關鍵，同時要求保持步距錯進，切忌平行施工，通過各分部的輔助措施，改善周邊地層，減少塑性區疊加，控制沉降速率，減少總沉降量。工藝質量是否達標是施工安全控制的關鍵點，切忌規避由于工藝落實不到位影響工法生命，尤其是超前支護、預注漿、回填注漿、系統錨桿等非主體結構的隱蔽工程。

4)通過地表跟蹤注漿方式對淺基礎加固和房屋抬升是行之有效的方法。跟蹤注漿深度宜以淺層為主，遵循“多次、多點、少量、間隔”原則，嚴格控制抬升量，抬升速率宜控制在1.5 mm/d。若采用深層注漿，易對隧道結構造成傷害。

5)由于雙側壁導坑法可能會因測量誤差和施工誤差引起鋼架連接困難，尤其是中洞拱部，難以達到嚴格意義上的格柵等強度成環。因此，大跨淺埋暗挖隧道下穿淺基建筑時不宜采取該工法。

6)軟弱圍巖中大斷面隧道施工為圖施工方便而過度分割初期支護鋼架，會使其剛度大幅度衰減，留下安全隱患。

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