城市地鐵隧道區(qū)間淺埋暗挖施工地表沉降控制施工技術(shù)

◎李廣洲

隨著城市建設(shè)及軌道交通的發(fā)展，地鐵隧道采用淺埋暗挖法施工的工程越來越多，并且展現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，目前已經(jīng)成為城市地鐵施工采用的主要方法之一。淺埋暗挖法主要通過采取超前加固、優(yōu)化開挖順序、改變開挖臺階長度等手段來提高地鐵隧道的開挖質(zhì)量和整體施工安全指標(biāo)。通過采用淺埋暗挖法，地鐵隧道的多種技術(shù)難題得到了很好的解決，因此，淺埋暗挖法對于地鐵隧道施工具有重要的作用。

一、淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)

（一）試驗(yàn)段施工

在淺埋暗挖法施工中，由于隧道周圍地層的復(fù)雜性、不穩(wěn)定性特點(diǎn)，需要在隧道施工中進(jìn)行試驗(yàn)段施工。首先，在進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方案、試驗(yàn)段等計(jì)劃后，需制定隧道開挖試驗(yàn)段，主要探測施工中圍巖的變形規(guī)律、地面沉降、隧道支護(hù)等問題。其次，從隧道試驗(yàn)段施工中獲取的施工參數(shù)，可準(zhǔn)確地分析出隧道圍巖的地質(zhì)類型、巖石性能，從而制定出合理有效的開挖方案、支護(hù)方式、地層加固等形式。

（二）隧道開挖

在隧道工程采用淺埋暗挖工藝進(jìn)行施工時，應(yīng)結(jié)合工況特點(diǎn)、隧道圍巖結(jié)構(gòu)特征、周圍建筑物下環(huán)境要求，以及施工承包單位等基礎(chǔ)條件，確認(rèn)具體的掘進(jìn)開挖方法，如果施工組織要求較高，應(yīng)考慮在試驗(yàn)段予以實(shí)踐施工，從而論證作業(yè)成效。一般情況下，山嶺隧道多采取正臺階法進(jìn)行施工，城市隧道則多采取短臺階法或上臺階分部開挖法進(jìn)行施工。施工中所有工序在進(jìn)行作業(yè)時，應(yīng)盡量不對圍巖結(jié)構(gòu)造成擾動影響，如果是應(yīng)用爆發(fā)開挖，應(yīng)堅(jiān)持“弱爆破”與“短進(jìn)尺”施工控制原則，且爆發(fā)尺寸一般控制在1 米范圍之內(nèi)。

（三）隧道支護(hù)

第一，利用初期支護(hù)來承擔(dān)所有的荷載，而二期支護(hù)則是作為安全的儲備工作；第二，將隧道工程初期支護(hù)作為臨時支護(hù)，同時，將二次支護(hù)作為隧道工程支護(hù)主要結(jié)構(gòu)；第三，初期和二期支護(hù)共同作為支護(hù)的承載結(jié)構(gòu)，但支護(hù)方式的選取應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況來進(jìn)行判斷，并在施工中根據(jù)數(shù)據(jù)和信息不斷進(jìn)行調(diào)整和完善。通常情況下，隧道工程開挖施工是在淺層地表進(jìn)行的，因此對于地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求比較高，一般情況下，隧道工程在淺埋暗挖地段施工中，雙層超前小導(dǎo)管。在實(shí)際施工過程中，通過應(yīng)用小導(dǎo)管進(jìn)行水泥注漿，從而對隧道工程內(nèi)部土體起到擠壓和滲透的作用，當(dāng)泥漿固結(jié)后，即可對土體進(jìn)行約束，促使圍巖結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，提高其抗?jié)B能力。另外待初期支護(hù)驗(yàn)收合格后，應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行堵漏防水作業(yè)，且在無水條件下施作聚乙烯丙綸防水卷材，最后對已做的防水層進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后可進(jìn)行下道工序的作業(yè)。

（四）混凝土噴射

在進(jìn)行混凝土的噴射作業(yè)時，需保證噴射的連續(xù)進(jìn)行，如果機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，就需確保料斗內(nèi)有充足的存料。在混凝土噴射施工前，首先，需要對隧道工程內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)和送水，然后開機(jī)，給料，再停水，然后對輸料管和噴射機(jī)進(jìn)行清理。其次，在開始噴射之前，應(yīng)對噴射機(jī)的噴頭狀況進(jìn)行檢查，確保噴頭能夠良好地運(yùn)行，同時還需使用人工或高壓風(fēng)對受噴面積進(jìn)行清理。

（五）回填注漿

混凝土噴射完成后，當(dāng)其凝固強(qiáng)度達(dá)到工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上后，即可進(jìn)行回填注漿施工，有效控制地面沉降問題。在回填施工中，回填材料為水泥砂漿將初期支護(hù)與圍巖進(jìn)行緊密貼合，同時將回填注漿壓力控制在0.4MPa 以內(nèi)，需要注意的是，在回填施工中，出漿口與隧道開挖的方向是相反的。

二、地層沉降的原因

地鐵施工引起的地表沉降在空間上具有三維性，一般地鐵隧道的施工埋深較淺，相對來說發(fā)生底層沉降的幾率更大，會受地層地質(zhì)，開挖方式與支護(hù)等等很多方面的影響。

1.自然因素。

（1）地下水因素。

目前地鐵施工一般在地下水線之下，在隧道開挖排水之后，因壓力差不同，會造成地下水不斷滲出，造成土層孔隙坍塌收縮，引起地表大范圍沉降。因此，在隧道施工的過程中，防水排水的工作是不可避免的。

（2）地層應(yīng)力。

由于土地的高壓縮性，在隧道開挖的過程中，會造成隧道周圍的應(yīng)力集中，土體的彈塑性變形，造成多孔介質(zhì)土的局部下沉，隧道上層土的壓縮，地層應(yīng)力得到了釋放，坍塌面就會逐漸產(chǎn)生，從而使地表大面積沉降。

（3）地質(zhì)原因。

經(jīng)調(diào)查與研究，在隧道開挖后，土體能否形成自然拱載對隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及地表的沉降影響很大。由于暗挖后隧道上層土體已經(jīng)失去承載能力，所以荷載將完全由隧道承擔(dān)。能形成自然拱的地質(zhì)相對來說對地表沉降影響較小，反之則影響較大。

2.人為原因。

（1）施工方法。

在各種施工方法中，臺階法因?yàn)楹唵危靸r低的原因被廣泛運(yùn)用。但也是對地表沉降影響最大的方法，地表沉降量能為CRD 方法的兩倍。而且因?yàn)閿鄬雍偷貙有蝿莶煌_階法也有很多種。若采用臺階法方式不當(dāng)，很有可能會造成地表沉降。

（2）施工速度。

開挖面的暴露時間也和沉降有一定的關(guān)系，施工速度如果過慢，就會使暴露時間變得漫長，從而沉降時間變得很長，開挖面將變得不穩(wěn)定，地表沉降量也就相應(yīng)的會增加很多。

（3）支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)。

由于施工材料不足，施工技術(shù)參差不齊，以及施工中的偷工減料或者施工人員的原因不能按設(shè)計(jì)施工，會導(dǎo)致襯砌厚度不足，支護(hù)力度不夠等等后果，在前期施工中，隧道周圍巖石土體的荷載全由支護(hù)承擔(dān)，支護(hù)的剛度極其重要，如若支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問題，將有極大的幾率引起地表沉降。

三、對于地表沉降提出的對策

地表沉降雖然是眾多原因綜合造成的，但是只要做好預(yù)防，還是能在很大程度上減少地表沉降發(fā)生的幾率的。

1.嚴(yán)格遵守“十八字”原則。

“管超前，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測”這十八字原則是我國人民的智慧結(jié)晶，經(jīng)過多次實(shí)踐得來的淺埋暗挖法的真理，充分的體現(xiàn)了淺埋暗挖法的精髓。簡單來說管超前就是采用超前管棚或超前導(dǎo)管注漿加固地層；嚴(yán)注漿就是對超前導(dǎo)管，拱腳及墻部及初期支護(hù)在規(guī)定時機(jī)注漿；短進(jìn)尺就是在開挖時，開挖長度視地形而定，不良地段開挖進(jìn)尺不超過0。8m 甚至更短；強(qiáng)支護(hù)就是噴射混凝土—開挖—架立鋼架—掛鋼筋網(wǎng)—噴混凝土的次序進(jìn)行初期支護(hù)施工；早封閉就是初期支護(hù)從上至下及早形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，便于封閉，減少基地?cái)_動；勤量測就是經(jīng)常測量施工資料以便進(jìn)行指導(dǎo)。

2.對于自然因素。

（1）為保證施工的進(jìn)行，盡量保證洞內(nèi)無水的狀態(tài)。因此對地下水的防護(hù)十分重要。對于地下水，不應(yīng)一味的把其抽排到其他地方，造成地表沉降，應(yīng)以防水為主。地下結(jié)構(gòu)的防水設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“以防為主、剛?cè)峤Y(jié)合、多道防線、因地制宜、綜合治理”的原則對工程進(jìn)行全方位的防水措施。底層注漿既可以做到阻水，同時又起到了加固的作用，是防水的不二選擇。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)，及時調(diào)整注漿的參數(shù)，確保注漿效果。

（2）若施工地段地質(zhì)較差，土體較為松垮，不易形成自然拱，應(yīng)對周邊土體進(jìn)行適當(dāng)加固，改善土質(zhì)，同時也促進(jìn)了自然拱的形成。深層注漿和超層注漿是兩種常用的方式，根據(jù)土質(zhì)可選取不同的漿液。但是在黏土地中，注漿的效果就不是太理想了，這時可以沿著開挖輪廓線利用錨桿對土體進(jìn)行加固。

3.對于人為因素。

（1）支護(hù)對于施工的重要性是絕對的。在初期支護(hù)制作后，隨著時間的推移，支護(hù)效果會有所降低，在這種情況下，應(yīng)采用增大小導(dǎo)管直徑，減少布置距離，與適當(dāng)縮小格柵距離等方法對初期支護(hù)進(jìn)行加護(hù)，保證支護(hù)效果。并且初期支護(hù)的剛度會和地層剛度相互作用，作用效果會越來越強(qiáng)。因此還要盡快進(jìn)行二次襯砌，確保地表正常恢復(fù)。

（2）施工時間越長，開挖面暴露的時間就越長，地層應(yīng)力作用的時間也就越長，施工的地層就越不穩(wěn)定。因此，若想減少地層沉降的危害，應(yīng)提高施工效率，在最短的時間內(nèi)最高效的完成隧道的建設(shè)。

（3）若在施工過程中采取臺階法，應(yīng)預(yù)留成型的核心土，臺階的長度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡貙訔l件確定。按照一般來說，地層越軟，則臺階的長度就應(yīng)該越長，在特殊地段處上臺階拱腳處應(yīng)架設(shè)鋼支撐噴混凝土作為托梁。

四、地鐵淺埋暗挖法施工引起的地表沉降與控制措施

（一）做好地鐵工程建設(shè)周圍環(huán)境的調(diào)查

地鐵隧道施工與周圍環(huán)境互有影響，應(yīng)在施工前詳細(xì)調(diào)查周圍的施工環(huán)境。主要的調(diào)查項(xiàng)目有地下管線受施工影響的分布情況、周圍接近的建筑物及臨近施工現(xiàn)場的地表水源概況。調(diào)查的重點(diǎn)內(nèi)容包括施工地鐵線路與管線的相對位置關(guān)系、管線用途、基礎(chǔ)類型及埋深、建筑物的建成年限等。對于施工隧道上方為供水、雨水及污水管線的，尚應(yīng)重點(diǎn)排查有無存在滲漏問題。上橋車站位于鳳中路正下方，所以對車站施工變形控制要求較高。沿線存在多棟磚砌體建筑物，除因施工圍擋要求需要拆遷的以外，仍有多棟需要在車站施工過程中對變形進(jìn)行嚴(yán)格控制。本車站周邊建（構(gòu)）筑物有車站左側(cè)鳳中路垃圾中轉(zhuǎn)站磚房及新橋街道辦事處磚房，車站右側(cè)上橋二村民房，小里程端科能技校、民房兩棟及加油站，大里程端沙區(qū)救助站及加油站。根據(jù)目前的管線資料，主體結(jié)構(gòu)暗挖施工過程中，施工影響范圍內(nèi)共32 根管線，無需對管線進(jìn)行遷移，但應(yīng)監(jiān)測其變形，當(dāng)變形量達(dá)到預(yù)警值（0.8 倍變形指標(biāo)）時，應(yīng)采用注漿地層。車站上方鳳中路下方存在兩根燃?xì)夤艿繢N219 和DN300，其中DN219 局部位于車站正上方，為車站施工過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)源之一。管線變形指標(biāo)：（1）上水、熱力等有壓管道：允許變形控制值為10mm，管線傾斜率為0.002。（2）電信、電力等管道：允許變形控制值為20mm，管線傾斜率為0.003。

（二）施工前的工程地質(zhì)勘察

隧道地質(zhì)勘察在設(shè)計(jì)及施工前都非常重要。淺埋暗挖法施工時，勘察的重點(diǎn)項(xiàng)目包括：表層填土的分布、性質(zhì)組成及厚度；圍巖土的自穩(wěn)性、性狀及密實(shí)度；是否在隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)存在松散圍巖、破碎帶、廢棄地下工程等，并分析其對施工的影響；有無古河道或引起開挖面突發(fā)性涌水的富水型地質(zhì)。上橋車站位于川東南弧形構(gòu)造帶，因而向斜、背斜兩翼寬緩，受應(yīng)力作用相對微弱，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷層通過，巖體結(jié)構(gòu)面主要受構(gòu)造裂隙控制。勘察區(qū)出露的地層為一套強(qiáng)氧化環(huán)境下的河湖相碎屑巖沉積建造。多由砂巖～砂質(zhì)泥巖不等厚的正向沉積韻律層組成。以紫紅色、暗紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)鈣質(zhì)泥巖為主，夾黃灰色、灰色薄至厚層狀細(xì)粒長砂巖。車站隧道水文地質(zhì)條件簡單，地下水主要以基巖裂隙水的形式存在，無統(tǒng)一地下水位，主要補(bǔ)給來源為大氣降水，受季節(jié)變化的影響較大。隧道施工時預(yù)計(jì)涌水量6.20L/（min＊10m）。場地內(nèi)巖土層序正常，未發(fā)現(xiàn)斷層、滑坡、軟弱夾層等不良地質(zhì)現(xiàn)象，工程地質(zhì)條件較好。

（三）開挖過程中的防沉降措施

在隧道開挖過程中需要注重開挖的控制，具體表現(xiàn)在選用地層處理技術(shù)，就是根據(jù)隧道施工的地層情況提高或者降低地層的相應(yīng)，從而改變了地層運(yùn)動的有關(guān)方式。還有就是隧道自身施工時，要使用降低地層沉降的操作手段，才能保證在開挖過程中不會造成地層沉降的問題。

在淺埋軟弱地質(zhì)條件下進(jìn)行地鐵隧道施工，開挖擾動使原始地層應(yīng)力重分布，控制地層變形主要把握2 個主要方面：加強(qiáng)圍巖的自穩(wěn)能力和及時施作襯砌支護(hù)。其中，對不良地層的改良措施是加強(qiáng)圍巖自穩(wěn)能力的重要措施，在很大程度上決定了地層變形的大小。

對淺埋隧道施工地面沉降采用的施工技術(shù)措施一般有：環(huán)形開挖留核心土、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、地表注漿加固地層、設(shè)置臨時仰拱、水平旋噴超前支護(hù)、高壓旋噴加固地層等方法，應(yīng)根據(jù)工程具體情況、實(shí)施效果和成本等情況合理選用。淺埋暗挖地鐵隧道施工，由于隧道開挖后圍巖土體自穩(wěn)性及成拱效應(yīng)較差，而圍巖自穩(wěn)時間與圍巖本身強(qiáng)度和施工前期的超前預(yù)加固措施有關(guān)，一般先采用超前小導(dǎo)管對掌子面前方圍巖進(jìn)行注漿預(yù)加固，減少開挖后掌子面上方圍巖過大變形而引起的地面沉降，再在隧道開挖過程中采用環(huán)形開挖留核心土法，對控制地面沉降有不錯的效果。對于地質(zhì)條件特別差，采取超前小導(dǎo)管注漿和環(huán)形開挖留核心土法仍無法控制地面沉降的地段，一般考慮對局部地段采用地表注漿加固。

實(shí)踐表明，在軟弱地質(zhì)淺埋段采用超前小導(dǎo)管注漿，配合環(huán)形開挖留核心土法，洞外對地質(zhì)條件特別差或埋深特別淺的地段進(jìn)行連續(xù)注漿，使隧道上部軟弱雜填土層都被注漿處理后，對于控制地表沉降具有較好的效果。特別是對于軟弱地層拱頂雜填土較厚的淺埋隧道，由于埋深淺，地表注漿易于施工，使雜填土的空隙得到充實(shí)，提高了土體的抗?jié)B性及黏結(jié)性，加強(qiáng)了圍巖土體成拱效應(yīng)，對控制沉降效果最為明顯。

（四）改變土質(zhì)的結(jié)構(gòu)

隨著隧道施工的繼續(xù)，為了進(jìn)一步防止地層的沉降問題，會采用改變土質(zhì)結(jié)構(gòu)的施工措施，可以在隧道局部區(qū)域進(jìn)行土質(zhì)的加固處理，這種措施的優(yōu)勢在于隧道施工完成后地層能夠形成自然供形，改變原始地層中易沉降的地層結(jié)構(gòu)，使土質(zhì)向著正方向發(fā)展，在具體的操作中表現(xiàn)為超前注漿、深層注漿等方式，注入的漿還分為雙液漿、化學(xué)漿、水泥漿，可以有效的改變土質(zhì)結(jié)構(gòu)，防止地面沉降問題。

（五）適度排放地下水

自然地層的構(gòu)造中一些地區(qū)的地下水含量豐富，尤其是砂層等含水量大的地層，一旦大量排空地下水就會造成地層大幅度沉降，因此減少地下水排量，實(shí)施水幔幕或者旋噴樁等方式堵塞地下水滲入，將地下水就在地層中也會降低地層沉降的現(xiàn)象。

（六）嚴(yán)格控制施工過程，保證施工質(zhì)量

嚴(yán)格控制一次爆破的裝藥量，盡量避免擾動軟弱破碎圍巖；嚴(yán)格遵守開挖工序要求，控制每次開挖進(jìn)尺；鋼架制作、支護(hù)施工必須滿足設(shè)計(jì)和驗(yàn)標(biāo)要求，確保施工質(zhì)量；施工期間應(yīng)在洞口備有方木、鋼架等塌方搶險(xiǎn)材料，以備急用。對松散、無膠結(jié)、低強(qiáng)度巖層及開挖后有可能發(fā)生流砂、突水、突泥的巖層，根據(jù)不同情況采用超前大管棚、超前小導(dǎo)管注漿、水平旋噴樁、地表注漿、水平凍結(jié)等方法預(yù)加固地層和改良地層，提高圍巖自穩(wěn)能力。對應(yīng)力和應(yīng)變超限的初期支護(hù)和其他坍塌預(yù)兆應(yīng)及時采取措施，根據(jù)不同情況，采用嵌鋼架、加網(wǎng)噴、加錨、壁后注漿、提前模筑混凝土等方法加固，必要時先進(jìn)行臨時支撐、頂柱、扇形支撐、方木垛支撐，然后再采取加固措施。

（七）采取嚴(yán)格的管理措施

1.嚴(yán)格控制施工進(jìn)尺，上、下臺階步距控制在1 倍洞徑內(nèi)，盡早使初襯封閉成環(huán)，減少掌子面暴露時間，并及時進(jìn)行初襯背后注漿。

2.雙洞隧道，左、右線掌子面應(yīng)錯開2 倍洞徑以上，減少2條隧道施工的互相干擾和同時發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

3.施工中加強(qiáng)監(jiān)測，在超淺埋地段掌子面前后1～2 倍洞徑范圍適當(dāng)加密測點(diǎn)并增加監(jiān)測頻率，做到信息化施工。

4.在距離隧道開挖掌子面前方2～3 倍的洞徑范圍，避免前方地面上各種集中荷載垂直作用在隧道掌子面及拱頂。

四、結(jié)語

雖然現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)，但是在修建地鐵時地表沉降目前仍然是一個難題，不同的地方地質(zhì)千差萬別。但只要在施工前進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，做出科學(xué)的規(guī)劃，就可以把沉降控制在可以接受的范圍之內(nèi)。淺埋暗挖法是一項(xiàng)靈活的方法，對實(shí)時情況的需求很高，只要能及時測量出施工的實(shí)時資料，采取相應(yīng)的對策，就可以應(yīng)對大多數(shù)突發(fā)事件，把危害降到最小，把沉降控制在最低范圍內(nèi)。