某城市交通隧道地表塌陷原因分析及處理技術

李 輝，劉洪震，姜永濤

(1.中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009;2.中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

我國砂卵石分布面積廣、厚度大、成因復雜。在富水砂卵石地層中修建隧道工程，極易發生涌砂，引起隧道和地表坍塌。目前在關于砂卵石地層隧道坍塌的原因分析和處理技術方面的研究中:文獻［1-2］闡述了在近距離下穿污水管線施工時為保護管線和施工安全采用的地面處理、施工沉降控制、超前地層加固等施工技術;文獻［3-6］分析了部分隧道地表坍塌的原因，提出了地表加固和洞內預支護的綜合處置方案;文獻［7-8］總結分析了旋噴樁止水帷幕的施工工藝及應用技術;文獻［9］介紹了旋噴樁技術加固砂層的施工工藝及方法;文獻［10］總結了降水在砂土地層隧道中的應用技術;文獻［11］詳細介紹了隧道穿越富水砂層的施工技術。本文以某城市交通隧道工程建設為例，分析砂卵石地層隧道發生地表塌陷的原因，闡述管線對地表注漿加固的影響，并對下一階段處理技術做優化研究，重點提出以“水的處理”為主的原則。

1 工程概況

某城市交通隧道工程包括南北2條主隧道、匝道及連結通道。其中東岸隧道位于交通繁忙的主干道下，隧道埋深約20 m。東岸1#豎井往陸域方向隧道中下部處于強風化板巖及強風化礫巖中，拱部主要位于⑦號圓礫層中，最大厚度6.5 m，個別地段位于⑥號粉細砂、⑤粉土層或③號淤泥層中，圓礫層向上依次為粉質黏土層、雜填土層。本地段地下水主要有孔隙水和基巖裂隙水，孔隙潛水主要賦存于表層人工填土層中，受大氣降水和周邊生產生活用水補給，含水層透水性差，水量小。孔隙承壓水主要賦存于粉細砂、圓礫層中，水量較豐富，并具有承壓性，基巖裂隙水賦存于基巖各風化帶中，隨著深度增加，水量逐漸增強。

該段隧道上方及附近地下管線較多，主要有污水管、煤氣管、電信管、下水管、給水管等，隧道周邊無高層建筑，隧道北側有2棟2層樓房和2棟3層樓房，南側有2棟2層樓房和1棟8層樓房，最近水平距離為24.11m。

施工前期，為加固地層和隧道開挖時阻止地下水流入隧道，在2條隧道周邊地表進行了旋噴止水帷幕，并對隧道頂部地層進行袖閥管注漿加固。注漿加固平面圖如圖1所示。地表加固平面范圍為隧道外輪廓6 m，加固深度到隧道底以下不小于4 m，但由于該工程工程地質、水文地質條件復雜多變，眾多原因造成施工措施不到位，故在隧道開挖至SK2+301時，工作面涌水涌砂，造成地面坍塌。經奮力搶險，并采取了有效措施后，工程順利通過了富水砂卵石段。

圖1 注漿加固平面圖Fig.1 Plan of grouting

2 塌陷情況及處理過程

2.1 塌陷情況

2010年11月29日11:40，隧道南主線SK2+301工作面施作超前支護時，從拱頂右側出現少量涌水涌砂，現場立即采用沙袋、方木、袋裝水泥等應急物資進行封堵并采用噴射混凝土進行掌子面封閉。當右側掌子面封閉一半時，發生突泥涌砂約400m3。13:10，開始利用裝載機、挖掘機、自卸汽車堆土進行反壓，至14:00時掌子面再次突水突泥，沖垮反壓土堆，直至18:30共計涌出泥砂約2 670 m3。掌子面正上方地面出現塌陷，塌陷坑直徑約15 m，深8 m(見圖2)，并導致路中間1根直徑1.5 m的排污管斷裂。

2.2 處理過程

險情發生后，本著“防止險情擴大、預防次生災害的發生”的原則進行搶險工作。

1)對坍塌路段實行臨時交通管制，禁止車輛和行人過往。

圖2 地表塌陷實況Fig.2 Picture of ground surface collapse

2)立即用沙袋、方木、袋裝水泥等應急物資進行封堵，利用裝載機、挖掘機、自卸汽車堆土進行反壓，并采用噴射混凝土對掌子面進行封閉。

3)地面塌陷坑采取回填混凝土方式處理，至11月30日16:00，共回填C15混凝土1 300 m3，回填高度至路面下1.5 m，路面下1.5 m采用棄渣回填。棄渣回填結束后，洞內涌水由突水初期的500 m3/h減小至100 m3/h，水變清，未再出現流砂流泥現象。

4)在回填混凝土達到一定強度后，對基坑邊采取了掛網噴混凝土(厚10 cm)防護，防止基坑兩側的土體垮塌;并在陷坑周邊修筑30 cm高的擋墻，防止雨水回灌入塌坑內。

5)采用地質雷達對塌陷區域周邊進行了2次探測，第1次沿坍陷坑周邊布設4條側線，第2次在塌坑周邊50 m范圍布設24條側線。探測成果為:坍陷坑周邊地下未發現隱伏空洞存在，距塌坑中心15 m以內地下3 m以下，距塌坑中心15 m以外地下6 m以下，地層含水量豐富(特別是塌坑南側及東側)。

6)加強地表監測。加密塌陷周邊建筑物和地表監測密度和頻率。

3 塌陷原因分析

3.1 工程地質與水文地質復雜多變

該地段工程地質及水文地質情況異常復雜，洞身處于強風化板巖及強風化礫巖之中，緊貼洞頂為圓礫層及砂礫層，砂礫層以上為不規則分布的粉細砂層及淤泥層。頂層為雜填土層及路面層。地層含水量豐富，特別是塌坑南側及東側，動水頭壓力較高，砂卵石為強透水層，掌子面容易形成涌水涌泥地質災害，是造成洞內突水突泥繼而引發地面塌陷地質災害事件的主要原因。

3.2 周邊環境復雜，對地表處置影響很大

隧道與地下管線關系如圖3所示。旋噴止水帷幕不易施作，有的部位根本沒有條件施作，造成局部止水帷幕效果不佳;同時，地下陳舊排水管網錯綜復雜，不明地下水來源較多，而且與周邊地下水連通性較強;隧道處于交通主干道路下，車流量較大，動荷載對隧道施工有較大影響。

圖3 隧道與地下管線剖面關系圖Fig.3 Relationship between tunnel and utility pipelines

3.3 施工中措施未完全到位

3.3.1 注漿盲區的存在

由于該地段地下管線較多，地表注漿加固時，需要對各種管線進行保護，故管線附近注漿壓力不能過大，管線附近地層未得到很好的加固;管線距離隧道拱頂較遠，無法通過隧道內注漿，尤其是管線下方土體，存在注漿盲區。所以，管線下方土體容易被水沖走，管底墊層也會隨土層流失下沉而產生不均勻沉降，造成與污水管相連的承插口逐步脫離，污水不斷滲入隧道上方土體中，形成水囊。隧道開挖時，巖壁厚度減弱，地層中的水通過薄弱縫隙滲入隧道，地層的逐漸損失導致縫隙擴大，從而產生了涌水涌泥險情。

3.3.2 袖閥管注漿加固未達到預期效果

由于隧道上方道路交通繁忙，隧道頂部地表袖閥管注漿不能長時間占道施工，故地表注漿未全部完成，這是造成地表加固未能達到預期效果的主要原因;同時，由于該段地下水豐富、來源復雜造成袖閥管注漿局部效果可能較差，這是造成地表加固未能達到預期效果的次要原因。

3.4 開挖過程中未重視水的處理

由于地表袖閥管注漿加固和旋噴止水帷幕未能達到預期效果，隧道開挖時未及時對地下水進行封堵和引排，隧道滲漏水比較嚴重，隧道開挖是帶水施工的;地下水滲漏過程中帶走地層中的細砂，造成局部空洞，在隧道上方車輛動荷載的作用下，容易造成地表坍塌。

4 處理技術

處理技術按照以“水的處理”為主的原則，地表采取雙排直徑850間距600 mm三管旋噴樁止水帷幕、帷幕內三管旋噴和洞內水平旋噴的加固堵水方案以及地表和洞內聯合降水方案。隧道采用4部CRD的開挖方法。

4.1 旋噴樁止水帷幕

為了阻止地下水進入隧道，在北主線NK2+370～+554與南主線SK2+269～+443段，長174 m段，寬32.4～31.8 m范圍內，周邊采用雙排直徑850間距600 mm三管旋噴樁止水帷幕，共計1 278根，深為地面下3 m至隧道底板下4 m。旋噴樁施工參數見表1。

表1 旋噴樁施工參數表Table 1 Parameters of jet grouting columns

在施作旋噴樁止水帷幕過程中，控制好各層壓力。上層地表附近地下管線較多，且上層地下水很少，壓力可以小些;下層基本都是砂卵石地層，地下水豐富，且沒有地下管線，壓力可以大些，以提高止水帷幕咬合薄弱部位的止水作用。總的原則是既要噴好，又要防止地表壓力過大造成沉隆，破壞管線。旋噴樁止水帷幕施作完成后，在旋噴樁中間取芯1個，通過芯樣觀察，加固效果良好，所有芯樣基本呈柱狀(見圖4)。在旋噴咬合薄弱部位取芯2個，通過芯樣觀察，雜填土及粉質黏土加固效果很好，芯樣完整，圓礫層呈膠化狀，芯樣呈塊狀(見圖5)。2010年12月31日對檢查孔進行注水試驗，根據公式計算得出滲透系數為0.42×10-7m/s，止水效果較好。

圖4 旋噴樁中間部位取芯圖Fig.4 Picture of cores taken in the middle of the jet grouting columns

圖5 旋噴樁咬合部位取芯圖Fig.5 Picture of cores taken at the interlocking positions of the jet grouting columns

4.2 地表旋噴樁加固

由于原施工地表袖閥管注漿加固效果不佳，采用封鎖交通對地層進行旋噴樁加固，間距1 m×1 m，加固范圍為圓礫層，進入板巖1 m，并保證加固后拱頂不少于3 m的加固區。地表旋噴樁加固如圖6所示。

圖6 旋噴樁加固平面圖Fig.6 Plan of consolidation by jet grouting columns

4.3 地表降水

為了使隧道開挖處于無水狀態，在旋噴樁止水帷幕內施作降水井進行降水，地下水位降到隧道底板以下再開挖。降水井沿路縱向、在分離隧道之間布設，其間距為10～15 m，深度到隧道開挖底以下2 m。降水井布置如圖7所示。

4.4 洞內水平旋噴加固

由于隧道上臺階拱腳板全部處于⑦號圓礫層中，開挖時工作面極易引起坍塌，對此段進行洞內水平旋噴注漿以穩定工作面，旋噴樁直徑600間距1 300 mm，單根長度為15 m。水平旋噴樁加固橫斷面圖見圖8。

圖7 降水井布置圖(單位:m)Fig.7 Layout of dewatering wells(m)

圖8 水平旋噴樁加固橫斷面圖(單位:mm)Fig.8 Layout of horizontal jet grouting columns(mm)

4.5 水平降水孔

有些地段，單靠地表降水井無法把地下水降到隧道底板以下，在隧道拱頂下2 m范圍存在砂層段隧道內打設30 m長泄水管，用直徑108 mm鉆桿，配直徑120 mm左右導向鉆頭預先鉆孔，打入直徑89×4 mm鋼管頂入孔中，直至設計深度。

4.6 開挖方法

地下水降到隧道底板以下后，采用CRD工法開挖，使隧道始終處于無水的開挖狀態。同一層左右兩側開挖工作面相距不大于15 m，同側上下層開挖工作面相距3～5 m。后行洞最前方工作面距先行洞全環封閉處不小于15 m。

CRD工法步序如圖9所示。1)上層①③部施工方法。開挖前施作超前注漿小導管，超前小導管長3.5 m，環間距30 cm，縱間距1.5 m。①③部高3.5 m，采用人工風鎬開挖，每循環進尺50 cm，預留核心土，開挖時步步成環，及時施作臨時仰拱。2)下層②④部施工方法。②④部高6.45 m，每部分2臺階施工，臺階長2.0 m，由于下層基本位于風化板巖層內，開挖采用弱爆破或風鎬，每循環進尺50 cm，PC60挖掘機扒碴裝碴，自卸汽車運輸，初期支護鋼材利用自卸汽車運至掌子面，噴漿與上層同步，自卸汽車運料。

4.7 監控量測

4.7.1 監測項目及測點布置

監測項目為地表管線隆沉、拱頂下沉及邊墻收斂等。地表、管線每5 m布置一個測點，隧道內拱頂下沉、邊墻收斂每5 m布置一組測點，周圍建筑物視具體情況布設。

4.7.2 監測頻率

監控量測貫穿于隧道加固處理全過程，地面旋噴加固過程中4次/d，隧道開挖過程中3次/d;地面建(構)筑物監測2次/d，發現異常情況時增加至4次/d，并由技術人員經常進行洞內及地表外觀巡視且做好巡視記錄。

圖9 4部CRD工法工序橫斷面圖(單位:mm)Fig.9 4-step CRD excavation method(mm)

5 處理效果

經過各項處理技術和地表與洞內聯合降水后，隧道內干燥無水(見圖10)。在后續施工過程中，地表沉降最大值為10.5mm、拱頂下沉最大值為6.8mm、水平收斂位移為7.7 mm。各項量測數據顯示:施工對周圍環境影響較小，隧道變形較小，結構比較穩定，施工對沿線附近的建筑物、地下管線無影響。表明采取的處理措施比較合理，保證了施工的安全。

6 結論與討論

1)對隧道進行地表加固時，為保護管線，管線附近注漿壓力不能過大，可能會出現加固盲區，應采取合適的措施，避免加固盲區出現。

2)隧道開挖前應對加固地層進行鉆探取樣，檢查加固效果是否滿足開挖要求，若加固效果不佳，不能開挖，以防工程事故發生。

3)在富水砂卵石地層中施工，受地下水影響較大，地下水的存在容易引起涌砂涌泥，首要前提是對水的處理，應使隧道開挖處于無水條件，決不帶水施工。本文提出的三管旋噴樁止水帷幕、帷幕內三管旋噴和洞內水平旋噴的加固堵水方案以及地表和洞內聯合降水方案，對類似地層工程有一定的指導和借鑒意義。

4)在塌方處理時，對塌方體的保護及采取恰當的開挖工法，是保證塌方處理成功的關鍵環節。本工程采用了4部CRD開挖工法，嚴格控制開挖步序和掌子面之間的距離，安全順利地通過了坍塌地段。

5)富水砂卵石層隧道無膠結性，自穩定能力差，遇水易坍塌。在地下水滲流作用下富水砂卵石層隧道開挖擾動區形成機制，漸進性破壞演化機制及其滲透性變化規律應進一步深入開展科學技術研究，為富水砂卵石層隧道動態設計、施工提供有力依據。

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