淺埋暗挖隧道施工技術(shù)及其地面沉降控制研究

收稿日期：2024-01-22

作者簡介：王偉（1982—），男，本科，工程師，從事項目施工及管理工作。

摘要 文章以某項目為例，通過論述淺埋暗挖隧道施工原則，探討淺埋暗挖隧道施工要點及地面沉降控制措施。根據(jù)研究結(jié)果分析，小導(dǎo)管超前加固、安裝鋼筋格柵、選擇合適施工技術(shù)、噴射混凝土施工、二次襯砌是隧道施工要點，為避免地面沉降，需從改良土質(zhì)結(jié)構(gòu)、合理排水、做好二次襯砌入手，確保項目施工順利進行。

關(guān)鍵詞 隧道工程；沉降控制；施工活動

中圖分類號 U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0156-03

0 引言

隧道工程作為我國重要交通工程，能夠改善建筑空間擁擠、城市交通阻塞等問題，緩解交通運輸壓力。淺埋暗挖施工作為常見的隧道施工技術(shù)，具有造價低、支護結(jié)構(gòu)強、不破壞施工環(huán)境等優(yōu)勢。但在淺埋隧道施工中極易出現(xiàn)地面沉降，從而破壞道路及地下管道，無論是從施工安全角度，還是費用控制角度，控制地面沉降至關(guān)重要，避免影響地面房屋、道路及管線。

1 項目概述

隧道工程作為項目控制性工程，直接制約項目工期。此隧道工程可分為淺埋暗挖段與明挖回填段，淺埋暗挖作為工程重難點，存在埋深淺、地質(zhì)條件差等特點，根據(jù)勘察結(jié)果，項目所處地質(zhì)為填筑土、殘積砂質(zhì)黏性土以及風(fēng)化花崗巖等，施工過程中容易因為底層損失導(dǎo)致地面移動，影響周邊環(huán)境，對施工技術(shù)要求較高。

2 淺埋暗挖隧道施工原則

（1）對周圍地層擾動小，結(jié)合項目特點、機械配置、周邊環(huán)境選擇施工技術(shù)。

（2）做好施工監(jiān)測與反饋，施工活動若與預(yù)期不符，及時找尋原因進行處理。

（3）嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”十八字方針。

（4）加強洞內(nèi)通風(fēng)，選擇適用于不同地質(zhì)、不同斷面的裝運、開挖、防水、通風(fēng)配套設(shè)備[1]。

（5）對施工區(qū)域的圍巖及結(jié)構(gòu)變化進行動態(tài)跟蹤，實時測量，測量結(jié)果積極反饋給設(shè)計、施工人員。

3 淺埋暗挖隧道施工要點

3.1 小導(dǎo)管超前加固

該項目土層自穩(wěn)能力差，隧道拱部無黏結(jié)，采用超前小導(dǎo)管注漿，超前小導(dǎo)管規(guī)格為Φ42 mm無縫鋼管，長度3 m、壁厚3.5 mm。將其布置于拱部、邊墻上部，改良工作層，形成厚0.5～1.0 m加固圈，超前小導(dǎo)管也能夠與地層構(gòu)成支護機構(gòu)，提高開挖工作穩(wěn)定性，防止坍塌。下注漿管呈梅花狀，彼此間距15～20 cm，使用煤電鉆鉆孔將鋼管直接灌入土中。

根據(jù)土體情況選擇改性水玻璃漿液，灌漿參數(shù)要滿足終壓0.3 MPa、擴散半徑＞0.25 m、灌注速度≤30 L/min，灌漿量要滿足式（1）。

Q=πR2Lnαβ （1）

式中，R——漿液擴散半徑（m）；L——注漿管長（m）；n——地層孔；α——地層填充系數(shù)（在該項目中選0.8）；β——漿液消耗系數(shù)（在該項目中選1.1～1.2）；準(zhǔn)備好漿液后使用牛角注漿器進行注漿，每根管灌注量控制在150～200 ml[2]。

3.2 安裝鋼筋格柵

鋼筋事先在工廠內(nèi)加工，焊接為骨架，使用角鋼螺栓連接不同分段，質(zhì)量檢驗合格后運至施工現(xiàn)場保存，使用時組裝。該項目中格柵鋼架間距0.75 m，鋼筋網(wǎng)厚250 mm，規(guī)格150 mm×150 mm，格柵的質(zhì)量要求要滿足：①孔眼位置準(zhǔn)確、弧形圓順。②不得有裂縫、夾渣、氣泡，焊縫飽滿，無焊渣。③格柵拼裝時要平整，無任何翹曲、扭曲。

安裝鋼筋格柵先要清除場地，拱腳下不能有雜物，鋼架與土層用混凝土塊楔緊，安裝要注意中線、標(biāo)高，防止出現(xiàn)左高右低、前傾后仰現(xiàn)象，格柵與隧道軸線相垂直，偏差不能＞30 mm，垂直度＜5%[3]。

3.3 合理選擇開挖技術(shù)

為控制地面沉降，保持開挖面穩(wěn)定，需根據(jù)項目實況選擇開挖技術(shù)。常見開挖技術(shù)如表1所示。

該項目中地質(zhì)條件較差，存在軟弱地層，斷面＜8 m，考慮項目效益選擇中隔墻法，如圖1所示。首先，項目地層不穩(wěn)定，在完成拱部開挖工作后需及時開展初期支護，將其分為左右兩個單元洞體，縱向間距＜15 m，開挖支護每步臺階控制在5 m左右。應(yīng)用該方法要注意核心土留設(shè)是否合理，盡早閉合斷面，縮短仰拱閉合間距，控制工作面穩(wěn)定[4]。

圖1 中隔墻法施工示意圖

3.4 噴射混凝土施工

完成開挖工作需開展混凝土噴射工作，常見技術(shù)有濕噴、潮噴以及干噴等，該項目中因為干噴粉塵量大，濕噴對噴射設(shè)備要求高，所以選擇潮噴。只需將骨料加入少量水，加入水泥拌和，便能解決干噴粉塵量大這一問題，同時與濕噴相比，噴射設(shè)備要求低。作業(yè)如下：

（1）分層、分片、分段從下到上依次噴涂，若遇凹洼，需填平后噴涂。

（2）分層噴射時需等待前一層混凝土終凝后進行，若終凝后1 h噴射，需先用風(fēng)水清洗噴層表面。噴層厚度需根據(jù)噴射區(qū)域而定。該項目中拱部噴層為3～5 cm，墻部噴涂厚度為5～8 cm。

（3）在有水地段開展噴射作業(yè)，需改善混凝土配合比，適當(dāng)增加水泥用量，先噴干混合料，等待其與涌水相融合，后加水噴射。噴射時從遠(yuǎn)端涌水點開始，逐漸向涌水地區(qū)靠近。若涌水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，需設(shè)置排水孔，邊排水邊噴射。

（4）若遇砂層地段，施工單位要在砂層表面掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，將其固定后進行噴射。噴射時先噴一層含有較多速凝劑的水泥砂層，等待水泥砂層形成薄殼后再進行正式噴射，終凝后2 h進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間＞14 d。

3.5 二次襯砌

初次支護、仰拱需在8 h內(nèi)完成，開挖工作、混凝土噴射作業(yè)需在12 h內(nèi)完成。圍巖及初期支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后開展二襯施工。此時周邊變形速度明顯下降，當(dāng)拱部下沉速度＜0.15 mm/d時，施工單位需對初期支護凈空斷面進行測量，并且檢測初期支護平整度，符合要求后開展二襯施工。若初期支護結(jié)構(gòu)不能趨于穩(wěn)定，可以結(jié)合實況提前開展二襯施工，一定要保證二襯施工強度[5]。有關(guān)施工流程如圖2所示。

圖2 二襯施工流程圖

4 地面沉降控制對策

地下空間開挖后會導(dǎo)致周圍土層力學(xué)形態(tài)發(fā)生變化，變化較大將會導(dǎo)致地表下沉、地層變形，施工單位需嚴(yán)格監(jiān)測由淺埋暗挖施工導(dǎo)致的地層變化情況，及時采取措施進行處理，如改良土質(zhì)結(jié)構(gòu)、合理開展排水工作、提高施工效率、控制爆破影響等，確保隧道施工順利進行。

4.1 改良土質(zhì)結(jié)構(gòu)

通過改良土質(zhì)結(jié)構(gòu)改善項目土體特性，可防止地面沉降，這一措施能夠改善原始地層，使土質(zhì)正向發(fā)展。除超前注漿外，還可采用地表注漿、預(yù)注漿以及超前管棚法。

（1）超前管棚法：常見管棚有大小、長短之分，在該項目中應(yīng)用小管棚便可，規(guī)格直徑為50～150 mm，將其以固定間距沿開挖周邊打入地層，打入傾角＜5 °。鋼管上有注漿鉆孔，將管棚預(yù)注漿結(jié)合，促使拱頂形成保護環(huán)，加大承載力，避免在地面荷載與巖層重量下形變。

（2）地面注漿加固法：該項目中，注漿范圍為淺埋地段雜填土層，寬度相較隧道寬2 m，注漿孔眼間距1 m×1 m，孔眼深度要大于雜填土層20 cm，注漿順序以先兩邊后中間為主[6]。

4.2 合理開展排水工作

該項目地下區(qū)域水含量豐富，尤其是砂層區(qū)域，一旦排空地下水極易導(dǎo)致大幅度沉降。因此控制地面沉降要點便是合理排水，采用旋噴樁或者止水帷幕，防止地下水滲入，隨后采用明排施工技術(shù)，將地下水排出洞內(nèi)。①在洞內(nèi)基坑一側(cè)設(shè)置排水明溝和集水井，排水溝低于開挖面0.5 m，集水井比排水溝低0.8 m。②在施工現(xiàn)場設(shè)置防洪溝或垱水堤，防止?jié)撍⒂晁M入施工場地。③施工區(qū)域低洼地段設(shè)置排水設(shè)施。例如應(yīng)用抽水機排水，抽水過程中注意開關(guān)水泵間隔時間，安排專業(yè)人員值班，確保水泵正常運轉(zhuǎn)，實時監(jiān)測井內(nèi)水位，保障無任何雜物進入井底，及時調(diào)節(jié)抽水量。

需注意，集水明排要防止流砂現(xiàn)象，避免直接損害土壤承載力。施工單位需通過平衡動水壓力或改變動水壓力方向這一措施對其預(yù)防。常見方法為井點降低地下水位。該項目中，井點管選擇Φ60 mm、長6 m無縫鋼管，配備2 m濾管、離心泵、真空泵以及水汽分離器。采用單排線狀方式布置井點，位置處于地下水流上側(cè)，距離基坑要＞1.5 m，井點高程需滿足式（2）。通常井點管要高于露出面0.2 m，并且濾管只能在透水層中[7]。

H≥H1+h+lm （2）

式中，H1——井管埋設(shè)面到基坑底部的距離（m）；h——基坑底部到降低后地下水位的距離（m）；l——地下水降落坡度（該項目為單排井點，坡度為1/4～1/5）；m——井點管到基坑中心的水平距離。

4.3 提高施工速率

隧道淺埋暗挖施工中，施工單位需提高效率，在較短時間內(nèi)完成開挖工作，減少圍巖暴露時間以及地層壓力釋放。這就要求施工單位結(jié)合項目實況，嚴(yán)格遵循施工流程，做好測量監(jiān)控工作，對不同施工過程以及巖層狀態(tài)實時監(jiān)控，把握地層結(jié)構(gòu)情況并做好記錄，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工內(nèi)容，有效預(yù)防地面沉降[8]。

4.4 及時做好二次襯砌

開展初期支護工作時，為加強支護強度，可擴大注漿范圍、減少導(dǎo)管間距、縮小格柵間距，避免地面沉降。若發(fā)現(xiàn)初期支護不穩(wěn)定，需及時開展二次襯砌，尤其是項目中的砂層區(qū)域，孔隙水調(diào)整的過程中會出現(xiàn)附加應(yīng)力，及時開展二次襯砌工作能夠促使地層迅速趨于穩(wěn)定，進而控制地面沉降。

4.5 嚴(yán)格控制爆破振動

土方開挖工作會涉及爆破工作，引起的震動會對周邊環(huán)境造成影響，包含地下水、地表環(huán)境等。為減少爆破導(dǎo)致的地面沉降概率，施工單位需對震動進行實時監(jiān)測，合理設(shè)計爆破工作，結(jié)合項目實況選擇爆破參數(shù)，從引爆順序、炸藥量等因素入手，減少爆破能量釋放。此外，可以在地表設(shè)置振動屏障或音頻隔離墻，減緩振動傳播。

5 結(jié)語

綜上所述，淺埋暗挖施工技術(shù)作為隧道施工常見技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于公路工程。為確保施工活動順利開展，施工單位要嚴(yán)格把控施工要點，控制地面沉降，避免隧道施工對地表路面、管線造成損害，為隧道施工安全提供保障。

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