泥巖地層下的淺埋隧道沉降控制措施

孫慶旭

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司, 浙江杭州 310000)

泥巖地層下的淺埋隧道沉降控制措施

孫慶旭

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司, 浙江杭州 310000)

泥巖地層下的淺埋隧道拱頂沉降控制難度很大，經常超出規定允許的控制值，影響施工進度。文章通過對成都地鐵18號線試車線隧道的工程案例分析，通過對支護措施和沉降監測控制預警值的優化調整，使沉降得到了有效控制，保證了施工的順利進行。

淺埋隧道； 沉降控制； 監測預警值； 泥巖地層； 鐵路隧道

由于泥巖強度比較低，具有膨脹性，遇水又極易軟化，所以在泥巖地層地質條件下進行地下隧道工程施工，隧道會很容易發生變形，既耽誤施工工期，又增加施工成本。特別是在淺埋隧道富水地段，開挖后的地層應力都作用于拱架之上，由于地層遇水軟化，導致鋼架拱腳的支撐作用急劇降低，造成拱頂沉降超出預警值。根據現行的監控管理制度，沉降一旦超過預警值，必須加固加強初期支護和穩固支護結構，減緩沉降速率，必要時甚至停工整改。一般情況下沉降剛超出預警值時還是安全可控的，但必須采取有效措施加強施工過程管控，加強安全化管理，通過對沉降控制監測預警值和支護措施的優化調整來控制沉降。

1 工程項目背景

成都地鐵18號線試車線隧道位于合江車輛段，長度2 060 m，采用2 ‰的單面上坡，設計時速為140 km/h。為保障工期，兼顧運營通風及防災救援，盡頭設置一長度為83 m的斜井，斜井坡度12.64 %。隧道洞身采用單車道馬蹄形斷面，復合式襯砌結構，隧道斷面內輪廓面積49.06 m2。隧道最大埋深為260 m，穿越地層主要為泥巖及砂巖，全隧分布有淺層天然氣地層，設計全隧為高瓦斯隧道。實測隧道進口巖層層理產狀為N30°E/12°NW，節理產狀為N52°E/85°SE、N83°W/90°，視傾角10°。隧道進口存在仰坡順層，對隧道開挖影響較大。

試車線隧道從開工以來，一直發生沉降，根據《鐵路隧道施工監控量測技術規程》要求，地表沉降及拱頂沉降的累計變化預警值和控制值及變化速率的預警值的設置如表1所示。

表1 隧道地表沉降與拱頂沉降監控量測數值

經過長時間的監測統計，隧道進口地表沉降最大值已達到103.9 mm，超過累計變化預警值100 mm的報警條件，已進行黃色預警。其他各測點的地表沉降變化曲線見圖1。

圖1 試車線隧道進口地表沉降變化曲線

從圖1中可以看出，進口地表沉降在支護措施施加之后依舊沒有停止的趨勢，隨著開挖的不斷進行，地表沉降一直在發展，并超過設定的預警值。根據監控量測技術管理規程，超限后需停工整改，加強現場管控。

2 沉降控制的基本原理

2.1 淺埋暗挖法隧道支護的基本原理

淺埋暗挖法又稱礦山法，是在借鑒新奧法的某些理論基礎上，針對中國的具體工程條件開發出來的一整套完善的淺埋隧道修建理論和操作方法。與新奧法的不同之處，它是適合于城市地區松散土介質圍巖條件下，隧道埋深小于或等于隧道直徑，以很小的地表沉降修筑隧道的技術方法。新奧法是新奧地利隧道施工方法的簡稱，以既有隧道工程經驗和巖體力學的理論為基礎，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護手段，并通過對圍巖和支護的監控量測，通過調整支護措施來指導隧道施工的一種施工方法。

淺埋暗挖法是一項邊開挖邊澆注的施工技術。其原理是利用土層在開挖過程中短時間的自穩能力，采取適當的支護措施，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護結構的不開槽施工方法，主要適用于黏性土層、砂層、砂卵層等地質。采用淺埋暗挖法進行隧道施工，通過施作支護措施以穩固圍巖，運用爆破技術或機械挖掘等方式進行斷面開挖施工，形成復合式內外兩層襯砌來修建隧道的洞身，即以噴混凝土、錨桿、鋼筋網、鋼支撐等為外層支護形式，稱為初次柔性支護，并在初支結束后施作二次襯砌形成復合式襯砌隧道支護體系。由于埋深較淺，尤其在遇到軟弱圍巖時，圍巖的自承作用無法發揮，導致沉降不能得到有效控制，有時多個監測點的累計值都超過100 mm。根據實踐經驗，在泥巖地層中，淺埋暗挖法隧道利用“新奧法”調動地層的自身承載的作用不能得到有效的發揮。

2.2 沉降機理

隧道沉降主要包括拱頂沉降和地表沉降兩部分，其主要成因從兩個因素去分析，地質和水文地質變化做為沉降的客觀條件，人為的施工活動是沉降的主觀條件。地面沉降是在不良地質及水文地質條件下，采用不適當方法進行施工活動的結果，其中客觀條件占主導地位。在比較好的地質及水文地質條件下，即使施工方法不妥，還不至于釀成大禍。反之在不良地質及水文地質條件下，施工方法稍有疏忽，就可能造成災難性事件。

2.3 沉降控制機理

通過注漿堵塞泥水進入隧道的通路，同時錨固掌子面，增強掌子面前方土體抗剪能力。施工時應盡快封閉掌子面，形成臨時的、完整的支護體系，縮短掌子面開挖的自由面暴露時間，減小圍巖的變形時間，增強鋼拱架的剛度。鋼拱架安裝時應緊貼圍巖面，使其能盡快發揮支撐作用，有效的減小圍巖變形量。

3 沉降控制措施

3.1 超前注漿

隧道進口主要通過泥巖，并含有一定的砂巖，涌水較多。通過該地段時，在拱頂150°范圍內施作4.5 m小導管，超前支護兼顧超前探水探土，若遇成股水流，則立即采用小導管注漿加固圍巖，堵塞流水通道，防止地層水土流失和沉降加劇。

3.2 初支背后注漿及二襯背后回填注漿

在拱頂沿縱向每隔2 m布置回填注漿孔，初期支護完成3 d后立即回填注漿，防止空頂造成地面塌陷。在完成二次襯砌30 d后及時回填注漿，填充二次襯砌與初期支護之間的空隙，加強復合式襯砌的整體性，防止地面塌陷。

3.3 嚴控洞內用水

泥巖遇水易軟化，喪失自承能力，造成施工危險系數增高。泥巖地層下的隧道施工應嚴控洞內施工用水，及時梳排掌子面流水，必要情況下用水泵抽吸掌子面附近積水，防止水軟化圍巖，加重地表沉降。

3.4 采用三臺階工法及時封閉成環

考慮到淺埋隧道施工為了降低對土體擾動，采用三臺階施工工法，將開挖斷面分成上中下三個更小的斷面，及時施作鋼拱架。在沉降較大地段，采用擴大拱腳法，在上臺階，架設斜支撐，擴大拱腳與地層的接觸面積，增大拱腳的支撐應力。在拱腳處，設置鎖腳注漿錨管，并將鋼架與鎖腳錨管連接牢固，控制鋼架沉降。必要情況下，增設臨時仰拱，及時將上臺階封閉成環，控制沉降非常有效。

3.5 合理調整沉降的監測控制值

隧道穿越泥巖地層時，由于泥巖地層為全風化泥巖，泥巖較破碎，隧址區又緊靠龍泉驛斷層，屬于擠壓破碎巖，在該地層下的礦山法淺埋隧道，沉降控制難度較大。為節約施工成本，加快施工進度，控制施工工期，合理調整地表沉降和拱頂沉降的預警控制值是非常有必要的。調整地表沉降報警控制值的前提：

(1)地表無建筑物，地表的沉降對周邊構筑物無影響。

(2)隧道初期支護和二次襯砌表面形態完整，表面無裂縫等影響安全的情況。

(3)沉降預警控制值的調整是在采用上述沉降控制措施之后沉降繼續發生才可以進行調整的。調整不可一次到位，應根據實際情況逐次逐級調整。

(4)沉降預警控制值的調整應伴隨著隧道預留變形量的調整而進行。

(5)沉降控制值的調整應依據相應類似工點的數據進行分析比選后調整。

4 措施采用后沉降效果分析

地表沉降控制措施是否有效應結合現場的監控量測數據進行分析，地表沉降值的調整也應以現場的施工安全為前提。調整后的隧道進口拱頂沉降變化曲線如圖2所示。

圖2 調整后的試車線隧道進口拱頂沉降變化曲線

從圖2可知，采用臨時仰拱后，地表沉降得到了有效控制，臨時封閉成環可以有效的控制拱頂沉降。在上下臺階轉換時，即拆除上臺階臨時仰拱施作下臺階時，沉降會急劇擴大，日速率甚至會超過10 mm/d，但下臺階仰拱封閉之后的速率會立即得到控制。沉降控制的措施有效，且沉靜控制預警值的調整也是適合的。

5 結束語

淺埋暗挖法隧道在施工過程中，為控制地表和拱頂沉降，確保工程施工安全，降低工程成本，應綜合采用多種措施。如小進尺、小斷面開挖，超前注漿、控制爆破、及時封閉成環、擴大拱腳、二次襯砌的提前施作等，目的均是為了加強拱腳的支撐力，控制鋼架自重引起的沉降。鎖腳錨桿的采用也是加強圍巖的支撐力，進而控制鋼架沉降，繼而控制拱頂沉降和地表沉降。泥巖地層條件較差，遇水極易軟化，如地下水較多時應加強水的抽排力度，避免軟化拱腳圍巖，降低圍巖的支撐力。只有多種措施的綜合采用，才可以有效的控制泥巖地層下的隧道沉降。結合類似工程的案例，對沉降控制預警值的調整也非常有必要，可以使得工程管控更加合理，進度更有保障。

[1] QCR 9218-2015 鐵路隧道監控量測技術規程[S].

[2] 韓瑞庚. 地下工程新奧法[M]. 科學出版社, 1987.

[3] 關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 鐵道第二勘察設計院.TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[5] 趙磊. 淺談城市淺埋暗挖隧道沉降控制和研究[J]. 科技創業家, 2013(3).

[6] 羅文松. 淺埋隧道暗挖法施工地表沉降分析與控制[J]. 華東科技, 2013(8).

[定稿日期]2017-11-29

孫慶旭(1985～)，男，碩士研究生，工程師,從事BIM技術工作及隧道相關技術工作。

U456.3

B