明挖隧道施工安全风险分析及控制措施

2021-04-12

智能城市 2021年7期

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）

1 工程概况

榆安1号隧道（DK32+700～DK37+250）全长为4 550 m，隧道位于北京市大兴区礼贤镇，采用基坑明挖施工，应用放坡+钻孔灌注桩围护+钢支撑支护形式。

深基坑开挖深度为22～24.0 m，开挖宽度为14.2～15.7 m；围护钻孔桩桩径为0.8～1 m，间距1.1～1.35 m，桩长23～34 m；水泥搅拌桩桩径0.85 m，间距0.6 m，桩长22～33 m；冠梁截面形式为1 m×0.8 m及1 m×1.2 m，总长6.86 km（两侧）；钢支撑采用Φ609、Φ800钢管，壁厚16 mm，纵向间距3 m，竖向间距4～5 m，分3道和4道设置；隧道截面形式为拱形截面，线间距为4.2、4.4、4.6 m三种。

2 施工工法

明挖隧道采用钻孔灌注桩作为围护结构，水泥搅拌桩作为止水帷幕，基坑开挖选用反铲挖掘机分段分层开挖，人工配合汽车吊进行钢支撑。开挖完毕后进行桩间网喷混凝土及防水层施工，隧道主体分底板、边墙、顶板三次浇筑，边墙模架系统使用分体式衬砌台车，拱顶采用横撑骨架复合式台车进行浇筑，混凝土浇筑采用泵送混凝土，随后施工顶板防水层及基坑回填施工。

3 明挖隧道风险识别

3.1 基坑渗漏水、涌水、涌砂、桩间流沙

部分段落地下水位位于明挖基坑坑底以上，基坑地层以粉质黏土、粉土、细砂为主，地层含水量不均匀，基坑易产生渗漏水。部分段落基坑侧壁存在粉砂地层，地层自稳性差，基坑开挖过程桩间砂层出现流沙现象，影响基坑正常开挖施工，危及基坑稳定性。渗漏水严重时，基坑易发生涌水等风险事故，会导致基坑失稳坍塌。

3.2 基底软化及隆起

由于降水不到位或坑内排水不及时，水汇集到基底会造成基底软化，使基坑产生变形，影响基坑安全，降低了基底承载能力，易导致隧道结构施工完成后沉降过大。由于基坑开挖及坑外土体的重力作用，基底土层较软，易发生基底隆起的风险，威胁基坑及附近建筑物的安全。

3.3 支撑失稳或脱落

在基坑施工过程中，如支撑架设不及时或架设不牢靠，会造成基坑内支撑失稳或脱落。严重时会产生连锁反应，引起基坑内的支撑脱落，基坑坍塌，造成施工人员伤亡和施工机械受损。

3.4 围护结构、基坑变形过大

内支撑施工不及时或内支撑预加应力过小均会造成围护结构水平变形过大。水平变形过大引起基坑周边建（构）筑物变形，增加建构筑物不均匀沉降，严重时导致建筑物开裂，影响基坑稳定性。

3.5 深基坑安全

明挖基坑开挖深度较深，基坑深度范围内的土质较软，荷载大，施工时存在基坑失稳风险。

3.6 明挖隧道主体结构风险

（1）隧道结构开裂、渗漏水。隧道主体结构施工完成后，进行回填的过程中，未按照要求进行分层回填，导致填土侧与非填土侧地基受力差别较大，产生不均匀沉降，导致隧道衬砌产生裂缝及漏水。在施作防水时未按照要求施工，隧道防水效果差导致衬砌出现渗漏水。混凝土冬季施工时，由于未按照要求采取有效措施，导致衬砌产生裂纹而漏水，在软弱地层区域地基不均匀沉降，导致结构不均匀沉降而开裂漏水。

（2）结构不均匀沉降或上浮。主体结构施工完成后，未按照要求进行分层回填，导致填土侧与非填土侧地基受荷载差别较大，产生不均匀沉降。由于降水未达到降水深度，地基遇水软化使结构产生不均匀沉降。进行地基处理时，地基未达到设计要求的强度，导致地基及结构不均匀沉降，在地下水位高或隧道顶部土方开挖的情况下，可能发生隧道上浮的风险。

（3）区域沉降风险。隧道部分区域位于沉降漏斗区，近三年平均沉降速率为22～36 mm/年，遭受地面沉降地质灾害的危险性大。地面沉降是一种区域性、均匀缓变的地质灾害，不具有突发性，会随时间的积累产生不均匀沉降。

（4）隧道上方规划道路、水渠施工对隧道的影响。隧道上方规划多条道路，在后期施工时会产生施工荷载，在后期正常使用的过程中，增加了隧道上方的超载，不利于隧道主体结构的稳定。

（5）隧道口雨水倒灌。隧道施工完成后，路基排水系统未施工或未完成施工，如遇雨水天气可能导致洞口雨水倒灌；如遇特大暴雨、洪水，导致地表水短时间内水位升高及发生洞口雨水倒灌。

4 明挖隧道风险控制措施

4.1 基坑渗漏水、涌水、涌砂、桩间流沙

隧道出口放坡段及打设止水帷幕段基坑采用坑内降水，其余明挖段采用坑外降水措施，沿隧道基坑设置两排降水井，基坑开挖前进行坑外降水施工，确保基坑内没有明水作业；地下水位低于基底，可根据情况设置地下水位观测井，及时掌握地下水位变化情况，再进行信息化施工。

根据地下水位情况，对地下水采取合理的处理措施，任何一层土方开挖前，应先检查观测井水位是否控制在设计要求安全水位以下，不可盲目开挖，避免出现透水、突涌事故。沿线基坑侧壁存在粉砂地层，地层自稳性差，为防止基坑开挖过程桩间砂层出现流沙现象，确保基坑施工安全，对该地层的基坑侧壁采用小导管注浆加固，基坑放坡坡顶、坡底两侧设置侧沟，防止明水流入基坑内[1]。

4.2 基底软化及隆起

开挖前基坑提前降水对地层进行预加固，基坑开挖过程中，采取分层、分部开挖基坑，及时架设支撑；基坑底部开挖时预留0.5 m，待上部工程施工完成后，采用人工开挖方式对预留部分进行处理，减少基坑底部隆起、基坑变形。隧道开挖至基底后，坑内不应有明水，开挖至指定高程后应尽快施工仰拱底垫层及仰拱。

4.3 支撑失稳或脱落

钢支撑应设置防坠落装置，加强支撑施工质量监督，对施工完成后内支撑预加轴力进行监控量测。及时加强对基坑围护结构的监测，若发现存在较大突变，应立即核查相应位置支撑是否松动或脱落，及时调整架设支撑，做好应急处理措施及应急预案。

设立监测体系，建立信息反馈系统，支撑体系的稳定性、地表沉降、边坡稳定、水位变化等应安排专人监测，并做好观测记录，及时对数据进行分析，根据监测情况，采取相应的技术措施。

4.4 基坑变形过大

根据周边环境合理确定基坑安全等级及变形控制标准，明挖放坡段安全等级为三级，支护结构重要性系数为0.9，其余段围护结构安全等级均为一级，支护结构的重要性系数为1.1。

基坑深度≤20 m，基坑周围无重要保护建筑物的基坑变形控制等级为二级，地面最大沉降量≤0.2%H，且≤35 mm，围护结构最大水平位移≤0.3%H，且≤30 mm。

基坑深度＞20 m或局部临近高速公路段、永定河大堤段、村庄段、重要管线等基坑变形控制保护等级为一级，围护结构最大水平位移≤0.14%H，且≤25 mm，地面最大沉降量≤0.15%H，且≤30 mm（H为基坑深度）。

明挖段基坑施工过程中，严格按照“先支撑、后开挖”原则，按照设计进行施工，及时架设支撑，确保支撑架设精度和质量，支撑预应力不宜施加过大。加强施工过程的监控监测，制定切实可行的应急预案。

4.5 深基坑安全

基坑深度较大，采用大放坡并加强支护措施，确保基坑安全稳定。围护形式采用放坡+Φ1 200 mm@1 500 mm钻孔桩+钢支撑形式，冠梁顶标高设置5 m宽平台，单坡最大高度为10.799 m，平台上部土体采用喷混凝土+钢筋网+土钉防护，坡率1∶1.25，放坡平台采用混凝土+钢筋网硬化处理，对主体侧压力较大段落采用Φ800钢支撑。

5 隧道主体结构风险控制措施

5.1 隧道结构开裂、渗漏水

（1）结构防水设计中遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”“防水与结构设计并重和统一考虑”的原则。明挖段隧道结构以自身防水为本，施工缝、变形缝为重点，做到衬砌不漏不渗，防水等级为一级。（2）结构根据洞顶覆土、地表规划、地质水文情况，采用荷载结构模型进行配筋计算，结构裂缝宽度小于0.2 mm。（3）主体结构施工完成后进行土回填，严格按照要求进行回填。（4）进行防水系统施工时，严格按照要求进行施工。（5）对地基承载力不足的地段进行地基处理，避免隧道的不均匀沉降导致开裂。（6）主体结构衬砌添加高效抗裂剂32 kg/m3和聚丙烯网状纤维0.8 kg/m3，防止衬砌的非结构性裂缝。

5.2 结构不均匀沉降或上浮

针对隧道段基坑内地基承载力特征值不足160 kPa的地层，为防止运营期产生较大沉降，改善仰拱内力分布，为满足基坑抗倾覆稳定性，增加基坑内侧被动土压力，采用三重管高压旋喷桩进行基底满堂或裙边加固，满堂加固3 m深，墙角处2.65 m×3.0 m（宽×深）。对结构进行抗浮验算，在隧道口段结构增加抗浮脚趾，部分浅埋大跨段设置压顶梁。