淺埋暗挖隧道穿越填石區(qū)地表沉降控制

任正剛，蔡 軍，沈宇鵬

(1.中交一公局集團有限公司 技術(shù)中心，北京 100024；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

在城市地鐵建設(shè)過程中采用淺埋暗挖法穿越填石區(qū)等不良地質(zhì)區(qū)段時經(jīng)常會引起路面沉陷影響交通。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者展開了大量研究。文獻[1]對在建長株潭城際鐵路穿越金家大院隧道采用TOPSIS評價方法對各開挖方法進行綜合評價，并對 CRD法施工過程中超前加固效果進行量化分析，在現(xiàn)場測量對模擬結(jié)果進行了驗證。文獻[2-3]就淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)及地面沉降控制展開了探討。文獻[4]對淺埋暗挖法隧道施工各項技術(shù)措施、施工工藝及技術(shù)難點進行了分析,指出該技術(shù)在富水軟弱地層中有著廣闊的應(yīng)用前景。文獻[5]介紹了大連地鐵 2 號線春光街站的工程情況和施工監(jiān)測方案，并對其橫通道地表沉降數(shù)據(jù)進行了分析。文獻[6-10]對各地地鐵淺埋暗挖法車站施工引起的地表沉降規(guī)律進行了研究。文獻[11]通過大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了北京地區(qū)黏土與砂土互層地質(zhì)條件下地鐵車站淺埋暗挖法施工引起地表沉降的一般規(guī)律。文獻[12]預(yù)測了北京地鐵7號線K9+191.000—K9+236.100區(qū)間隧道穿越既有地鐵車站引起的地表沉降，并提出了采取深孔注漿、小導(dǎo)管注漿等加固措施控制地表沉降。以往研究成果主要集中在常規(guī)地區(qū)，對于存在大塊徑填石的特殊地質(zhì)條件穿越區(qū)研究較少。

本文結(jié)合廈門城市軌道交通1號線城(市廣場站)—塘(邊站)淺埋暗挖區(qū)間隧道，研究洞內(nèi)加強支護與洞外地表旋噴樁加固控制地表沉降的效果，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廈門城市軌道交通1號線城塘區(qū)間隧道下穿廈門市主干道嘉禾路，長740 m，單洞單線五心圓馬蹄形斷面。隧道穿越地層主要為殘積黏性土、全～微風(fēng)化凝灰?guī)r，局部穿越填石、淤泥地層，并且在DK9+409—DK9+414段下穿廈門城市廣場地下通道，埋深7.2～10.9 m。

特殊性巖土主要為人工填土、填石、殘積土和全風(fēng)化花崗巖。人工填土厚度局部達到7 m，成份復(fù)雜，結(jié)構(gòu)松散，富水性及滲透性變化大，容易發(fā)生坍塌。填石區(qū)主要由塊石回填，塊徑5～10 cm，最大可達50 cm，間隙充填少量黏性土。填石區(qū)總體呈松散狀，穿越填石區(qū)時隧道自穩(wěn)能力差，易引起洞頂塌方與地表沉降。

2 存在的問題

2016年3月11日隧道5號工作面上臺階開挖至ZDK9+250.849時地表沉降出現(xiàn)異常。掌子面附近地表沉降最大速率達18.10 mm/d，拱頂沉降速率也達到3.5 mm/d，盡管停止掘進，采取了噴射混凝土封閉掌子面、注漿加固、加強超前支護等措施，3月11日至16日地表累計沉降仍將近70 mm。同時隧道6號工作面地表沉降也出現(xiàn)增大的趨勢。

地表異常沉降的原因：隧道掘進已進入填石區(qū)，圍巖難以自穩(wěn)，隧道拱頂出現(xiàn)較多滑塌，主要是由于較大面積超挖；周圍管線的滲漏導(dǎo)致掌子面滲水，加速了圍巖惡化；地面車輛動荷載對隧道也有一定影響；由于施工工期緊，造成超前注漿加固的漿液還未達到設(shè)計強度就已經(jīng)開挖；隧道采用臺階法開挖，由于工序的不連續(xù)導(dǎo)致了隧道掌子面未及時封閉和全風(fēng)化花崗巖遇水軟化；開挖后鋼支撐承載力不足，拱頂出現(xiàn)較大下沉。

3 設(shè)計方案及技術(shù)難題

3.1 設(shè)計方案

為確保隧道安全通過廈門城市廣場地下通道及填石區(qū)，針對不同區(qū)段提出相應(yīng)的設(shè)計方案。

1)區(qū)間隧道下穿廈門城市廣場地下通道

在拱頂50°范圍內(nèi)采用雙排小導(dǎo)管超前注漿加固，而后采用φ89 mm長管棚支護，控制循環(huán)進尺不超過格柵鋼架間距，區(qū)間隧道二次襯砌未封閉時地下通道禁止通行，地下通道下沉較大時在通道內(nèi)向下跟蹤注漿。

隧道下穿通道之前按照V級圍巖支護參數(shù)進行長管棚支護和雙層管小導(dǎo)管超前支護，并采用三臺階預(yù)留核心土法施工。

2)區(qū)間隧道穿越填石區(qū)

采用雙排小導(dǎo)管在拱頂150°范圍注漿加固，洞內(nèi)上半斷面注漿加固，地面設(shè)置降水井。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實施地面降水，區(qū)間隧道二次襯砌未封閉時，對二次襯砌前后15 m和隧道結(jié)構(gòu)外緣3 m范圍道路實行交通限行，施作超前支護和二次襯砌。按照超前支護、降水、開挖的順序循環(huán)施工。

3.2 技術(shù)難題

隧道采用雙排小導(dǎo)管超前支護和長管棚初期支護穿越填石區(qū)，雖然理論上能保證隧道順利施工，但在實際施工時仍會遇到以下技術(shù)難題：

1)地鐵淺埋暗挖區(qū)間隧道斷面小，寬度僅為6.1 m，洞內(nèi)采用長管棚支護時施工困難，進度緩慢，外插角難以控制，加固效果難以滿足設(shè)計要求。

2)采用小導(dǎo)管超前支護穿越填石區(qū)時，每循環(huán)周期約3～5 d，但達到設(shè)計強度還需要增加2 d左右。受施工工期限制，僅在洞內(nèi)采用超前支護措施難以保證施工進度，需要采取洞內(nèi)與洞外相結(jié)合的加固方式。

3)隧道地面有供水管線，由于局部滲漏使得隧道穿越填石區(qū)時，圍巖強度進一步變差地表沉降增大，影響供水管線的安全，因此隧道開挖前需要對地表管線進行密封加固保護。

壽縣是農(nóng)業(yè)大縣，是國家首批商品糧基地縣。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改善和農(nóng)民生活水平的提高，秸稈和畜禽糞便等原本是作為農(nóng)民生產(chǎn)生活資料的農(nóng)副產(chǎn)品卻逐漸演變成了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物[1]，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響和污染日益加劇[2]。為了保護和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，揚州市近年來十分注重農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)的推廣應(yīng)用，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用工作的不斷深化。

4)采用臺階法開挖時，如果僅加固上部圍巖，拱腳鋼支撐下部基巖將無法滿足承載力要求，會造成拱頂下沉，從而誘發(fā)地表沉降，因此既要加固隧道拱頂處圍巖，也要加固拱腳處圍巖。

4 方案實施及驗證

4.1 方案實施

隧道最終的優(yōu)化方案為地表采用高壓旋噴樁超前加固，洞內(nèi)全斷面帷幕注漿、小導(dǎo)管超前支護、長管棚初期支護、拱腳加固，從而控制地表沉降。

1)地表高壓旋噴樁超前加固

隧道穿越填石區(qū)時，為了保證地表供水管線的安全和控制地表沉降，在洞內(nèi)加固的同時，地表采取了雙重管高壓旋噴樁加固措施。加固段為左線ZK9+270—ZK9+508，右線YK9+270—YK9+454。

供水管線影響地段隧道輪廓線外1 m范圍內(nèi)采用旋噴樁加固，旋噴樁間距1 m×1 m，梅花形布置，加固長度7 m。

填石區(qū)地表旋噴樁加固范圍為隧道輪廓線外3 m，隧道拱頂以上4 m到仰拱以下3 m，間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，如圖1所示。

圖1 旋噴樁布置示意(單位：mm)

全斷面注漿加固范圍為隧道輪廓線外1.5 m，注漿孔擴散半徑1 m。每一循環(huán)設(shè)置61個注漿孔，先注漿10 m，后開挖8 m。全斷面帷幕注漿范圍及孔位布置如圖2所示。

圖2 全斷面帷幕注漿范圍及孔位布置(單位：mm)

3)小導(dǎo)管超前支護及洞身加固

小導(dǎo)管采用φ42無縫鋼管，長2.5 m，間距0.3 m(環(huán)向)×1.0 m(縱向)，雙排布置。初期支護格柵鋼架間距0.5 m，整環(huán)布置。錨桿掛網(wǎng)片噴射混凝土支護，噴射混凝土厚300 mm。錨桿為φ25中空錨桿，長3.5 m。鋼筋網(wǎng)片間距150 mm×150 mm，雙層布置。二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌厚300 mm。

4)長管棚支護和拱腳加固

采用φ89 mm長管棚進行初期支護。開挖上臺階時為避免拱腳處超挖，通常在機械開挖時預(yù)留30 cm 人工找平。為了增加拱腳處地基承載力，在鋼支撐下部墊設(shè)鋼板增大地基受力面積；加固拱腳處鎖腳錨管，即在原設(shè)計鎖腳錨管的基礎(chǔ)上，拱腳兩側(cè)各增設(shè)2根(共4根)向下45°的鎖腳錨桿，尾部與拱架焊牢。

4.2 效果驗證

2016年2月7日到4月30日隧道5號工作面附近4個監(jiān)測點地表累計沉降時程變化曲線見圖3。4月1日到30日最大地表日沉降速率僅1.04 mm/d，30 d 地表累計沉降僅5 mm。地鐵左線7月下旬順利貫通，地表沉降控制達到了預(yù)期效果。

圖3 地表累計沉降時程變化曲線

5 結(jié)論和建議

1)為了控制地表沉降，淺埋暗挖隧道在穿越填石區(qū)之前必須做好隧道圍巖加固和降水工作。

2)對于淺埋暗挖隧道，必須做好各道施工工序的銜接，縮短每循環(huán)洞身開挖與支護時間；但需適當(dāng)延長各循環(huán)的間隔時間，以保證隧道超前注漿與噴射混凝土的凝結(jié)強度。

3)采用臺階法開挖隧道時注意及時封閉掌子面，拱腳必須設(shè)置在基巖上，必要時在鋼支撐下部設(shè)置鋼板并墊實，增加鎖腳錨桿防止拱部下沉。

4)由于地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道穿越填石區(qū)必須做好超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測工作，盡可能根據(jù)預(yù)報結(jié)果對圍巖提前加固，通過監(jiān)控量測指導(dǎo)施工。

通過設(shè)計優(yōu)化，增加地表高壓旋噴樁超前加固、全斷面帷幕注漿等措施，廈門城市軌道交通1號線城塘區(qū)間淺埋暗挖隧道施工期間地表的不正常沉降得到有效控制，并且順利貫通，為隧道穿越填石區(qū)提供了施工經(jīng)驗。