復雜地質條件下超淺埋高大斷面過街暗挖風道沉降分析及施工技術

王炳華

(中鐵三局 廣州分公司，廣州 510630)

城市軌道交通線路大多要穿過城市中心區域，人口聚集、客流集中、地面道路狹窄、周邊高層建筑物林立。車站風道或通道大多要橫穿道路并需采用暗挖法施工。由于部分結構斷面大，埋深淺，地質情況復雜，工程難度非常大。需在施工過程中進行綜合的現場監測和工況分析，全面了解隧道結構變化，根據監測結果動態調整優化施工參數，及時提出應對措施。本文在工程實例的基礎上，充分分析監測數據，在總結復雜地質條件下超淺埋過街高大斷面暗挖風道的沉降特性的基礎上，提出了以后類似工程在設計施工方面的建議。

1 工程概況

廣州市軌道交通五號線區莊站土建工程位于環市東路與農林下路交叉的丁字路口處，為五號線與六號線換乘站。

C風道為五號線車站東端風道，采用暗挖法施工。暗挖段長度為43.18 m，雙層隧道，下穿環市路，通過2號豎井分Ⅷ部開挖，開挖斷面總寬度為14.20 m，總高度為17.15 m，拱頂覆土厚度為4.60～5.60 m。

C風道開挖Ⅰ、Ⅲ部穿越的地層主要為〈3-1〉沖積～洪積粉細砂層、〈4-1〉沖積 ～洪積土層、〈4-2〉河湖相淤泥質土層、〈4-3〉坡積土層;Ⅱ、Ⅳ部穿越的地層主要為〈4-3〉坡積土層、〈5-1〉可塑或稍密 -中密狀殘積土層、〈5-2〉硬塑或密實狀殘積土層、〈6〉紅層巖石全風化帶;風道下半部分隧道Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ部穿越的地層為〈6〉紅層巖石全風化帶、〈7〉紅層巖石強風化帶。

2 施工情況

C風道從2006年12月23日開始施工上面Ⅰ、Ⅲ部，至2007年3月8日，隧道上半部分Ⅰ ～Ⅳ部開挖初支施工完成;至2007年7月1日，隧道下半部分Ⅴ～Ⅷ部開挖初支施工完成。分部開挖尺寸及開挖順序詳見圖1、圖2。

圖1 Ⅰ～Ⅳ部分部尺寸及開挖順序(單位:mm)

圖2 Ⅴ～Ⅷ部分部尺寸及開挖順序(單位:mm)

3 監測點布置及沉降特性

3.1 監測點布置

地表監測點沿隧道縱向共分為6個斷面，每個斷面橫向3個監測點;拱頂監測點分Ⅰ、Ⅲ部同一斷面分別布置，縱向分9個斷面共計18個監測點。具體見圖3。

圖3 C風道地表監測點平面布置

3.2 隧道沉降特性

C風道整體位于環市東路車道下方，分Ⅷ部開挖，地層及隧道結構沉降具有以下特性。

3.2.1 同一斷面位置地表沉降值大于隧道拱頂沉降值

根據監測數據，選取最具代表性的隧道中線位置縱向地表及拱頂沉降值繪制沉降曲線圖，拱頂沉降值由Ⅰ、Ⅲ部拱頂沉降值換算為隧道中線位置沉降值。隧道地表最終沉降值一般為 -100～-300 mm，而隧道拱頂最終沉降值大體為-90～-250 mm，最大沉降值距洞口8 m處為-244 mm，見圖4。

3.2.2 沉降變化較大位置為靠近洞口段，主要集中在Ⅰ～Ⅳ部開挖過程中

由圖4可知沉降較大的位置在進洞0～35 m范圍內，其中Ⅰ～Ⅳ部開挖過程中沉降量與最終沉降量對比詳見表1(表1沉降為Ⅲ部進洞8 m時)。

表1 Ⅰ～Ⅳ部開挖沉降與總沉降對比分析

由表1可知，沉降量主要來自于Ⅰ～Ⅳ部開挖過程中的變化。選取有代表性斷面進洞8 m處(地表約為C2-1點，拱頂為1～8點)監測數據進行分析，風道各分部開挖與進洞8 m處沉降關系見圖5。

從圖5可以看出，C2-1點在Ⅰ、Ⅲ部，Ⅱ部，Ⅳ部三次進洞施工期間的兩個階段沉降值都有較大的變化，第一階段為C風道Ⅰ、Ⅲ部從2006年12月23日到2007年1月3日，即從進洞到開挖至13 m期間，C2-1點在10 d內累計沉降 -59.04 mm，沉降速率為-5.9 mm/d。第二階段為C風道Ⅱ、Ⅳ部從2007年1月13日到2007年2月6日，即進洞到開挖至(Ⅱ部27m、Ⅳ部15 m)期間，C2-1點在23 d內累計沉降達到-167.05 mm，沉降速率可達-7.26 mm/d;同一階段，拱頂沉降點1～8累計沉降了-129 mm，沉降速率為-5.61 mm/d。

圖5 C風道各分部開挖與進洞8 m處沉降關系

從兩個階段的沉降量分析可以看出，C2-1點在這兩個階段內累計沉降了 -226.09 mm，占最終沉降累計值的61.8%。而1～8點則占最終累計值的53.3%。而這兩個階段的時間僅占開挖開始至監測穩定后終值總時間的14%。

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3.2.3 開挖對地表的影響范圍大［5］

根據地表沉降監測數據，橫向由隧道中線附近向兩側沉降逐漸變小，明顯呈現沉降槽特性，隧道開挖引起地表沉降范圍大，而且縱向影響范圍大于橫向，縱向影響范圍應超過開挖邊緣約30～40 m的地面;橫向應超出開挖邊緣約7～20 m的地面。

3.2.4 初期支護封閉成環后拱頂及地面沉降繼續發展從C風道每部開挖情況看，初期支護封閉成環后拱頂及地面沉降繼續發展，經過處理后，沉降速率雖明顯降低，但仍然繼續下沉，直至全部開挖完成，隧道初期支護全部完成后，其拱頂及地表仍有少量下沉。

3.2.5 隧道開挖超前影響范圍小于其滯后影響范圍［5］從圖6可以看出，開挖超前影響范圍一般約為開挖洞徑寬度的 1～2倍，以 1～8、1～15、1～20、1～25

點較為明顯。而對后方影響范圍較大，唯有開挖初期支護全部完成后，隧道結構才趨于穩定。

圖6 C風道各分部開挖與拱頂各監測點沉降關系

4 地層沉降影響因素分析

4.1 覆跨比太小，拱頂上的土體不能形成自然拱

C風道覆跨比在0.32～0.39之間，拱頂上方地層不能形成自然拱，在隧道開挖過程時，拱頂上方土體及地面動荷載全部作用在隧道初支上，增大了初支荷載，而Ⅰ ～Ⅳ部處于〈4-1〉、〈5-1〉、〈6〉等地層，抗剪能力弱，地基承載力不足，造成隧道每部初支土封閉成環后還繼續下沉。另外，當地面出現沉降槽后，車輛經過時，沖擊力加大，更加劇了沉降的發展，這也是隧道在Ⅰ～Ⅳ部開挖時沉降量比值大的原因。

4.2 地層土體特性及地下水的影響［6］

4.3 分部開挖隧道相互作用的疊加影響

C風道分Ⅷ部開挖，不可避免存在多個斷面同時施工的局面，對圍巖多次擾動，多條隧道相互影響作用使地表及拱頂沉降有疊加效應，隧道會出現大的和持續不斷的沉降。

4.4 開挖進尺的影響

開挖進尺的大小實質上是工作面無支護空間的大小，其值決定地表下沉及拱頂沉降，也影響開挖面的穩定性。當進尺適當時，工作面需支撐的壓力并不大，僅適量預留核心土就足以使工作面短期內自穩，保證開挖順利進行;如果無支護空間過大，會造成工作面失穩，地面沉降過大。

4.5 工作面的開挖速度

沉降具有時空效應。工作面推進速度的加快，意味著各工序時間的縮短，隧道開挖裸露的空間亦小，其存在的時間亦短，利于控制地層沉降，符合“早封閉”的隧道施工原則。

5 體會與總結

5.1 隧道支護參數要充分考慮地面荷載的影響，確保隧道初支的剛度

C風道施工中，雖然拱頂沉降了200～300 mm，但結構沒有破壞，結構整體下沉，保證了施工安全。

5.2 對開挖周邊及拱頂地層進行注漿改良

在C風道沉降速率過大時，停止施工將系統錨桿變更為系統錨管，對開挖周邊地層進行注漿改良，加強周邊地層的抗剪能力，對控制沉降速率起到了明顯的效果。同時對初期支護背后及拱頂進行了注漿加固，使初支結構滲水現象減輕，對失水以及擾動后的地層孔隙進行了填充，有效地緩解了上覆地層的劇烈變化。

5.3 每分部多設置鎖腳錨管，加強拱腳支墊

分部開挖，左右兩側初支拱腳位置由原來的2根鎖腳錨管增加到4根，長度由原來的2.5 m變為3.5 m，同時在開挖初支施工，支立格柵鋼架過程中，拱腳下采用鋼板墊實。并在施工時注意排水，隧道內組織排水，防止水浸泡拱腳及仰拱。這些都有效控制了隧道的沉降。

5.4 保持開挖面間距，控制開挖循環進尺

在Ⅱ、Ⅳ部開挖中，保持分部開挖面之間的距離在10 m以上;在Ⅴ、Ⅵ部及Ⅶ、Ⅷ部上下導坑之間臺階距離保持在5～8 m以內，Ⅴ、Ⅶ部左右導坑間距根據要求控制在10 m以外。控制間距，減弱左右導坑開挖的疊加效應。在Ⅱ、Ⅳ部及Ⅵ、Ⅷ部這些采用機械開挖的較大斷面分部施工中，適當采用分短臺階或預留核心土對掌子面進行支護，確保開挖面安全穩定。城市地鐵尤其是軟弱地層隧道，開挖進尺應盡量小。根據C風道施工經驗，建議每循環進尺取斷面開挖寬度的0.10～0.15倍。

5.5 超前管棚支護采用整體式長管棚

淺埋暗挖施工高大斷面的城市地鐵隧道，超前支護中多采用管棚加超前小導管聯合支護。管棚支護分為整體式長管棚、搭接式短管棚，經過多年的地鐵施工經驗積累及切身體會，本文認為整體式長管棚的超前支護效果在多方面優于搭接式短管棚。C風道管棚支護即為長度50 m整體式長管棚，一次性施作完成。

整體式長管棚在開挖初支前一次性施作，采用先進的“有線儀器定向，一次性跟管鉆進法”進行施工，能有效保證施工精度。使整個C風道隧道初期支護結構整體性更強，呈現整體下沉特性，且從現場的監測情況看，在沉降變化過程中，初期支護結構沒有破壞，未出現開裂現象。而且整體式長管棚在隧道開挖初期支護前一次性施工完成，不需在開挖初期支護施工過程中進行搭接循環施工，大大縮短了開挖初期支護的工期，使隧道能夠及早封閉成環，對控制沉降非常有利。

5.6 地面出現的沉降槽要及時進行回填處理

在地面出現明顯沉降槽后，槽內積水會加劇沉降槽的發展以及加重洞內初支結構滲水現象，而且地面車輛經過沉降槽時沖擊力加大，更加加重了沉降槽的沉降及車輛荷載對隧道結構的影響，而且較大的沖擊力對下方暗挖施工造成安全隱患。因此需及時對沉降槽位置的路面采用瀝青混凝土進行回填修復，確保隧道結構以及行車安全。

5.7 預留足夠外放量，確保二次襯砌結構凈空

根據C風道的施工經驗，覆跨比在0.4以內的軟弱地層中，拱頂沉降值較大，因此在開挖初支時，預留足夠的外放量。

5.8 管線保護

施工前充分掌握隧道上方管線資料，建議提前將對沉降敏感的管線(如煤氣管、混凝土給水管等)進行遷改或懸吊保護，并需密切注意，定期進行監測。

［1］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2005.

［2］肖廣智.軟弱地層中采用淺埋暗挖法修建地鐵車站幾個問題的探討［J］.巖石力學與工程學報，2001(4):567-572.

［3］施仲衡，張彌，王新杰，等.地下鐵道設計與施工［M］.西安:陜西科學技術出版社，1997.

［4］蔣爵光.隧道工程地質［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.

［5］曾潤東.下穿鐵路的淺埋隧道長距離管幕施工［J］.鐵道建筑，2009(9):43-45.

［6］劉志春，朱秀蓮.城市地下工程施工與地下水滲流引起地面沉降的分析及預測［J］.國防交通工程與技術，2003(1):45-49.

［7］王春林.地鐵隧道施工對地層變形的影響［J］.科技資訊，2006(8):36-38.

［8］李永樹.地面沉陷災害預報與防治方法［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［9］賈建波，焦蒼，范鵬.天津地鐵淺埋暗挖隧道地表變形分析［J］.隧道建設，2006(2):26-28.