浅埋暗挖法隧道施工技术及其地面沉降控制分析

2022-10-01贾兴明唐晓林

工程与建设 2022年4期

贾兴明，厉斌，唐晓林

(1.杭州萧山城市建设投资集团有限公司，浙江杭州 311200； 2.浙江明燧科技有限公司，浙江杭州市 310000； 3.华东交通大学，江西南昌 330073)

0 引言

随着我国经济的高速发展，隧道建设在各地大规模进行。隧道建设中常用的施工方法为浅埋暗挖法。利用该方法进行施工时，受到地质条件和施工工艺等因素的影响，会导致地面出现沉降，影响施工安全和进度。当地面的沉降超过一定程度，会导致隧道以上的既有建筑物结构安全性不足，甚至出现失稳现象。针对该情况应对地面沉降进行有效控制，保证施工的安全和施工。

1 施工原理、原则

1.1 原理

利用浅埋暗挖法对隧道进行施工时，衬砌形式主要为复合衬砌。浅埋暗挖法的优点：初期支护时，能够承担所有荷载。二衬施工时可保证结构的安全和稳定。

在隧道施工前，应进行施工准备工作，保证该方法有秩序的进行，同时还应保证施工进度。施工准备主要有：通过辅助技术，对围岩进行加固，提供自身的承载能力。通过对实际工程的查询了解到：在隧道施工时，应用浅埋暗挖法的地层较为柔软。该方法能够降低围岩自身的承载能力，降低地表沉降的发生概率。在施工准备阶段应做好支护工作，保证工程质量。

浅埋暗挖法与新奥法的施工原理一致。衬砌形式为复合衬砌，初期支护承担荷载，二次衬砌作为安全储备。施工时采用超前支护等方式来对围岩进行加固，采用信息化施工。

浅埋暗挖法主要应用于地层较软、围岩承载能力较差的地下工程。为保证地表沉降的程度，初期支护应采用刚度较大的结构，且支护要及时。特征曲线如图1所示。图中C点应尽量向A点靠近，增大支护的承载能力，降低围岩自身的承载力。施工时应遵守管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测的原则[1]。

图1 特征曲线图

1.2 原则

浅埋暗挖施工时，应遵循以下原则：

(1) 选择机械设备以及开挖方式时，应结合工程实际情况、施工要求、水文气候、地质条件等。当开挖断面较大或地层土质较差时，施工前应做好准备工作，通过施工辅助进行开挖。

(2) 施工时，应对辅助方法进行合理选择，利用辅助施工才可以进行大断面开挖。

(3) 当地层和断面情况不同时，应选择不同的机械设备进行作业，且设备的费用不能大于总造价的10%。

(4) 在进行隧道开挖时，应对围岩等进行控制和测量，同时进行数据记录。

(5) 施工工艺应严格依据规定进行，合理排除地下水、加强初期支护[2]。

(6) 通过有效路径来加快施工速度，提高施工质量。

(7) 施工过程中应对隧道内的通风情况进行观测，保证施工质量及人员安全，同时处理好与环境的关系。

(8) 通过互联网及大数据等技术，对施工工序进行调整，对施工质量、施工安全、施工进度进行合理把控。

2 施工技术

利用浅埋暗挖法对隧道进行作业前，应对工程实际情况进行调查，合理选择开挖方式，提高施工效率，使施工工艺与实际情况相吻合。隧道开挖方式见表1。隧道施工时，以人工开挖为主，当存在适用条件时，可配合弱爆破、短进尺方式施工，避免对围岩结构造成较大扰动。在开挖过程中，还应对围岩进行监测，爆破时的进尺应控制在1.0 m范围内。

表1 开挖方式表

在进行浅埋暗挖施工时，为降低对围岩的扰动及地表沉降，应提高支护的刚度，选择合理的支护形式。浅埋暗挖施工采用的支护形式应结合现场的地质条件、辅助工法等进行确定。并通过试验对开挖方法进行改进。支护设计方式及作用见表2。

表2 支护方式及作用表

2.1 土体加固施工技术

浅埋暗挖隧道施工时发生的沉降发生时间集中于初期支护之前。因此应在施工前完成土体预加固和支护。目前较为常见的土体加固技术如下所示。

(1) 超前锚杆支护：该支护形式通过工法和结构形式进行划分，主要分为悬吊式支撑、格栅拱支撑等。施工工艺及作用原理为：在开挖作业前，将锚杆打入稳定岩层内，末端通过悬吊锚杆来提供支撑，对围岩变形进行约束。该方法可有效发挥土体的加固作用，为断面开挖和喷锚提供了便利条件[3]。

(2) 超前小导管注浆支护：该支护方法与钢格栅共同形成支护体系，使注浆管和超前管棚共同发挥加固作用。注浆原料可采用水泥浆、水泥-水玻璃双液浆，注浆压力为1.0 MPa。

(3) 超前管棚支护：对隧道的外轮廓进行开挖时，应按照一定间距进行钻孔，且安装钢管，然后对其内部进行注浆，形成强度较高的支护体系。该方法施工时，应对钻孔的精度、钢管的导向等进行严格控制，保证隧道结构的稳定性。

2.2 隧道开挖的施工技术

浅埋暗挖隧道在施工过程中，主要采用的开挖方式有全断面法、台阶法、中隔墙法等。施工流程如图2所示。

图2 施工流程图

每种施工方法的主要内容如下所示：

(1) 全断面法：该方法主要适用Ⅰ、Ⅱ级围岩，通过钻孔台车进行钻孔作业，全断面一次成型。然后进行初期支护及二次衬砌施工。该方法的优点为：施工速度快，施工工序较少。缺点为：爆破会对围岩本身及周边建筑物产生振动。施工时应加强安全管理。

(2) 台阶法：对实际场地进行分析，合理划分工作面，适应地层变化。该方法主要应用于软弱围岩结构中。施工中的开挖方法以正台阶法为主。

(3) 中隔墙法：该方法是在台阶法的基础上进行的，开挖后应进行及时支护。该方法主要应用于较差地层结构中。当施工要求无法得到满足时，可试做临时性仰拱进行支撑。

3 地表沉降机制

3.1 地层损失沉降

由于出行需要，一般情况下城市地铁的埋置深度较浅，因此在对地铁进行施工时，常出现超挖和欠挖的情况，导致支护结构与岩土结合不紧密，混凝土强度不够等情况的出现。最终导致土体发生弹塑性变形，使地表出现沉降现象。当地下水较多时，随着开挖深度增加，可能会出现涌水现象，导致岩层结构发生变化，发生沉降。因此，软弱围岩施工时地层损失有以下几点：

(1) 当土体受到挤压时，导致部分土进入到围岩缝隙内。隧道进行施工时，常出现超挖和欠挖的情况，此时的轮廓线较为粗糙，混凝土强度较低，导致周围土体向内移动，最终地层损失[4]。

(2) 掌子面的土体向隧道洞内移动。开挖过程中开挖面土体应力消散，临空面的土体向隧道洞内迁移，最终围岩出现变形。

(3) 在上覆土层长期作用下，隧道支护结构会出现位移或变形的现象。

(4) 施工时地表出现涌水、塌方现象，最终导致土层损失。

3.2 固结沉降

天然土体是由粒径不同的矿物质组成，骨料间的空隙被水和空气充满。当隧道施工时，在外力作用下，土体发生扰动，使里面的水和空气渗透出来，土体发生扰动后，骨料进行重新分布排列，使孔隙率降低，最终引起地表沉降。由于土体发生固结时的特征不同，因此可将固结分为两种：主固结沉降和次固结沉降。主固结沉降指隧道施工时，由于空隙水压力发生消散使土体发生沉降的现象[5]。次固结沉降是指土体的骨架发生变化而导致结构出现沉降。次固结沉降的特点是沉降持续的时间较长。

有研究表明，白芍中的芍药苷对模型大鼠脑缺血后的血脑屏障具有保护作用[2]，对肿瘤细胞的生长有一定抑制作用[3]，对肝脏具有保护作用[4]；牡丹皮中的丹皮酚具有抗肿瘤[5]、抗神经系统氧化应激损伤[6]、抗动脉粥样硬化[7]和改善血液循环[8]等作用；栀子中的栀子苷具有保肝利胆[9]、改善脑缺血[10]、调节血糖[11]和镇痛抗炎[12]等作用。由此可见，栀子苷、芍药苷和丹皮酚这3个成分与丹栀逍遥散养血健脾、疏肝清热的攻效相呼应，均为该方重要的活性成分。此外有研究表明，该方中栀子苷、芍药苷和丹皮酚含量均较高[13]。因此，本试验选择栀子苷、芍药苷和丹皮酚为指标成分。

3.3 应力状态改变

在目前研究阶段，支护内力和变形采用的分析方法是：地层结构法和荷载结构法。地层结构法：假定地层与结构共同受力，计算时认为结构与围岩是连续介质，二者协同变形，共同受力。利用该方法进行计算时，本构关系选择时应依据材料自身特性，计算时常使用的是数值解。荷载结构法：该方法是将支护结构与围岩分别考虑，围岩对结构的作用转变为等效荷载，将围岩和支护结构分开考虑，对结构的变形计算时，把围岩对结构产生的作用转化为等效。该方法确定的地表变形由经验公式进行分析。

4 地表沉降规律

4.1 横向沉降规律

通过对隧道的相关分析可知：间距与埋深的比值不小于3时，隧道施工时的顺序对地表沉降影响较小，隧道间的相互影响较小。该情况下对地表进行沉降预测可通过叠加法进行，横向沉降曲线如图3所示。

图3 地表沉降槽曲线

单条隧道横向发生的地表沉降可通过Peck公式进行表达，最终将两条隧道的沉降值进行叠加，叠加后的地表沉降值可通过下式表达[6]：

式中：Sp为某一点到隧道中线之间由于施工引起的地表沉降，mm；iA、iB为隧道沉降槽宽度系数；L为隧道间距，m；SmaxA、SmaxB分别为A、B隧道地表的最大沉降值，mm。

4.2 竖向沉降规律

隧道开挖过程，在进行地下作业时地质条件和地形情况相对复杂，掌子面的时空效应在开挖过程中会由于地表沉降而发生显著变化，主要阶段划分如下：

(2) 沉降剧增阶段：随着施工过程的推进，到达监测点指定位置时，地表沉降为1～3倍洞径，占总体沉降的50%～60%。此时造成沉降的主要原因是上层土体发生应力重分布。

(3) 沉降缓慢阶段：施工进度继续推进，当超过监测点3～5倍洞径时，沉降量较小，沉降速率较慢，沉降值占总体沉降的15%～20%。

(4) 沉降稳定阶段：当开挖面超过5倍洞径时，沉降曲线变得平缓，沉降值开始降低，约为总体沉降的5%～10%。

5 案例分析

5.1 工程概况

本文依托工程为某双线椭圆形地铁隧道的开挖工程。隧道全长为1.2 km，桩号范围为K24+900～K26+100。隧道采用浅埋暗挖法施工。围岩最大覆土厚度为11.5 m。隧道断面根据前期施工方案与设计图纸规划，隧道宽度为6.7 m，高度为7.0 m。支护结构为复合衬砌结构。隧道位于城市道路下方，道路两侧的既有建筑物有住宅区和学校。该地区地势较为平坦，但环境较复杂，建筑物与隧道间距较小，地下管线较多，给施工带来一定程度困难。隧道主体采用PBA法施工，区间隧道采用台阶法施工。

5.2 沉降变化

5.2.1 横向沉降变化

(1) 台阶法沉降变化。台阶法施工时，产生的横向沉降范围为40 m。两隧道的沉降变化相互影响。左线隧道施工时，拱顶土层的沉降量为13.78 mm，掌子面封闭成环后的沉降量为22.03 mm。左线施工时，右线产生的最大沉降量为6.24 mm。右线隧道施工时，拱顶土层的沉降量为19.29 mm，掌子面封闭成环后的沉降量为24.16 mm。此时隧道左线产生最大沉降为2 mm。充分证明左右线隧道的沉降量是相互影响的。针对台阶法施工时导致的沉降可采用超前小导管预注浆对围岩进行支护，保证结构的稳定性。施工完成后，地表沉降呈现出“双峰”形，最大沉降发生于右线拱顶位置，沉降量为24.16 mm。上台阶开挖导致地表发生的沉降占总体沉降的70%，沉降变化如图4所示。

图4 沉降变化图

(2) PBA法沉降变化。1号和3号临时小导坑间距为15 m，施工时引发的地表沉降呈“双峰”形变化。1号导坑的最大沉降量为7.02 mm，产生沉降的主要原因是3号导坑施工对土体产生了较大影响，导致土体结构松弛，产生较大沉降。

下部导洞施工时，最大沉降发生于车站主体的地表位置。上部小导坑对沉降槽产生较大影响，下层导坑的沉降主要受上部小导坑的影响。

本项目施工时，车站部位有8个临时小导洞，产生的地表沉降槽为U形。最大沉降发生于主体结构中线位置，沉降量为64.42 mm。出现最大沉降的主要原因为导坑开挖引起的群洞效应。

5.2.2 纵向沉降变化

通过对现场得沉降进行观测，得到纵向沉降变化为：车站主体上部导洞施工时，监测点的沉降速率为3.03 mm/d；车站主体结构施工时，自身沉降速率随时间变化出现先增长后下降的发展趋势，沉降速率由2.41 mm/d增加到3.25 mm/d，然后又降为1.45 mm/d。

5.3 地面沉降控制

5.3.1 开挖沉降控制

隧道开挖过程中，应做好支护与加固工作，减少地面发生沉降的现象。根据施工现场情况和地层情况选择合理的处治技术，改变地层的受力状态。可通过超前小导管等方法将高压浆液注入，来提高围岩结构的稳定性，从而降低地表沉降。

5.3.2 改良土体

隧道施工时，为降低地表的沉降量，可对土体进行改良，使土体保持稳定状态。对隧道局部位置的土体进行加固，在地层中形成仰拱，保证结构的稳定状态。主要施工方法有：超前注浆、深层注浆等。浆液主要为化学浆、水泥浆。通过注浆的方式可对土体结构进行加固，防止出现大幅度的运动。

5.3.3 排放地下水

地层结构中存在大量地下水，且软弱土层的含水量较大。隧道施工触碰到地下水时，地层会出现缺陷，发生大面积的沉降和坍塌。因此，在合理条件及合理时间，应对地下水进行排放。实际工程中，排除地下水常用的方法有：水帷幕法、旋喷桩法。作用原理是对地下水进行封堵，防止进入围岩结构造成地面沉降及坍塌。

5.3.4 提高施工效率

隧道施工时，施工效率对地面沉降的影响程度较大。当施工效率较低时，严重影响围岩支护工作，导致隧道结构强度降低，沉降时间较长。因此隧道施工时，提高施工效率，能够减少地面沉降，保证施工质量和施工安全。缩短施工时间可以将地层压力控制在合理范围内，保证围岩稳定性。

5.3.5 临时支撑施工

浅埋暗挖隧道在施工过程中，为提高围岩结构的稳定性可进行临时支撑。隧道开挖时，对于隧道轮廓的开挖应自上而下进行。初期支护、中隔壁、临时仰拱的施工应按照一定会顺序进行。隧道开挖时，上下层的工作面应保持一定的时间间隔，二者间应保持3～5 m的间距。若断面一次成型时，应待喷射混凝土的强度达到设计强度的70%后方可进行下段开挖。