地铁浅埋暗挖施工沉降控制技术核心探索

2022-10-19宋立勋中国水利水电第四工程局有限公司青海西宁810007

中国房地产业 2022年26期

文／宋立勋中国水利水电第四工程局有限公司青海西宁 810007

1、地铁浅埋暗挖施工沉降的影响因素

1.1 地层土体性质

在地铁浅埋暗挖施工活动中，地层土体性质属于重要的影响因素。基于隧道受力情况展开系统分析，对于浅埋暗挖隧道，一般认为隧道上覆地层已无自承载能力，其荷载应全部由隧道结构承担。例如，一些地区地铁车站上部覆土层的孔隙率较高，含水量非常丰富，此类土层在失水固结处理后，很容易带来地基沉降问题。部分地区的土层属于强风化岩层，此类岩层的强度相对较低，在对其进行开挖时，受到土层内部应力影响，容易引起周边土体的松弛变形和甚至出现坍滑，同时也会带来地层损失问题，导致上部出现沉降类问题。

1.2 地下水水位

为了降低工程开挖对地上结构稳定性的影响，地铁开挖的深度相对较大。例如，重庆市地铁红岩村站的最深距离为116m，远低于该地区的地下水位线。在降水工程的施工中，由于水头差问题也会导致地下水会从开挖位置处渗出，使地层处于持续失水的状态。在此情况下，土层失水也会增加结构的有效应力，此时土体中的孔隙及节理裂隙固结收缩，从而导致隧道上部出现超前或大范围的沉降。例如，隧道顶部失水情况的出现，也会让应力更容易集中在拱顶部分，导致结构出现形变或者塌落的情况。

1.3 地层损失和应力释放

在地铁浅埋暗挖施工活动中，地层损失和应力释放也属于重要的影响因素。在隧道开挖过程中，地层中的应力会逐渐向外进行释放，释放工作结束后又会在地层中重新进行分布，过程中如果没有对应力分布情况进行控制，从而导致土体出现变形问题。例如，部分地区属于富水软弱地层，在开挖过程中很容易造成土体坍塌的情况，进而引起结构沉降问题。在地层坍滑活动的逐渐扩大，这样也使得地层应力释放不断增大，带来更大范围地沉降问题。基于此，为了更好地控制地表形变问题，在隧道工程开挖活动中也需要做好地层预加固、支护等工作，这也是确保浅埋暗挖施工质量的重要保障。

1.4 施工方法

在浅埋暗挖施工活动中，台阶法属于常用的施工技术，同时该技术也会对地表沉降带来较为严重的影响性，其带来的沉降问题相较于CRD工法更为严重。但是台阶法在应用中的操作便捷性较强、综合成本相对较低，采取恰当措施进行处理后，可以有效降低地表沉降带来的负面影响。对此，在地铁工程浅埋暗挖施工活动中，台阶法属于常用的施工方法。而台阶法所带来的影响性主要体现在以下2方面：（1）台阶长度，施工时的台阶长度越长，土体对于工作面的挤压度越小，工作时的稳定性能也越高，反之则越不稳定，更容易带来沉降问题。（2）台阶形状，施工时的台阶形状规则性越强，其受力均匀性也越高，稳固性也越强。

1.5 开挖进尺情况

开挖进尺的大小实质上是工作面无支护空间的大小，它不仅决定地表下沉及拱顶沉降，而且也影响开挖面的稳定性，二者相互作用并以工作面的稳定性为基础。对软土隧道，工作面难以自稳，必须进行支撑。研究表明，开挖时工作面需支撑的压力并不大，仅10MPa就足以使工作面短期内自稳，使开挖顺利进行。

1.6 初期支护刚度

除上述提到的影响因素外，工程初期支护刚度也属于重要的影响因素。在总刚度保持一致的情况下，地层刚度较小时，需要通过增大初期支护刚度的方法来提升结构稳固性。如果初期支护刚度无法达到预期要求，那么由于其提供的支撑力不足，也会影响到整个结构的稳固性，从而提升整个结构的稳定性。对复合式衬砌结构设计的荷载分配，一般情况下二衬结构不承担施工期荷载，但根据实际施工及有关监测资料表明，在初期支护活动结束后地表也会处于较长时间的沉降，在进行二衬施工后，也需要做好相应的保护工作，若不满足应用要求，那么也将影响到整个结构的稳定性，从而带来变形沉降问题。

2、地铁浅埋暗挖施工沉降控制技术

2.1 桩基托换技术

该技术在实际应用中的控制原理在于，按要求对建筑物基础进行加固处理，完成处理后开始进行人工挖孔桩施工，作用是可以将建筑物的荷载分流到灌注桩上，从而提高地层稳固性，避免沉降变形问题。在技术的具体应用中，其应用流程如下：（1）根据现场的实际资料，对于需要换桩结构的具体数量和布设位置进行科学化计算，以得到科学的桩基托换方案。（2）根据完成的设计方案在地面上进行放线，并标注相关参数，便于后续施工活动的展开。过程中也需要在桩结构周围布置止水帷幕，减少其他因素带来的影响性。（3）按要求进行人工挖孔桩施工，过程中也需要在合适位置布置监测点，对整个施工过程进行监督，确保挖孔桩施工活动的有序进行。（4）在开挖基槽内依次进行夹墙梁、穿墙梁、主梁等结构的施工，同时也需要做好临时支撑作业，营造良好的工程作业环境。所有工作结束后进行预应力张拉施工，以此来提高整个结构的稳固性，避免结构沉降问题的出现。

2.2 顶升控制技术

该技术在实际应用中的控制原理在于，按要求对建筑物基础进行加固处理，完成处理后开始进行预压桩施工，搭配千斤顶来对整个结构偏移情况进行纠正，这样也可以确保结构可以顺利分流建筑物荷载，从而提高地层稳固性，减少地层沉降变形问题。在技术的具体应用中，其应用流程如下：（1）根据现场的实际资料，利用计算机软件来对结构总荷载、预压桩荷载、地层荷载等参数进行科学化计算，并以此为基础来完成科学性施工方案的拟定。（2）根据完成的设计方案在地面上进行放线，并标注相关参数，便于后续施工活动的展开。（3）按要求进行预压桩施工，过程中需要先将预压桩开挖到设计深度，同步制作预制桩，完成开挖工作后下放第一节预制桩，桩顶上会安装千斤顶，借助上部建筑物重力来向下压制桩结构，相邻桩结构也会通过预制钢板焊接的方式进行固定，以提高整个桩结构施工结果的合理性。（4）在桩顶结构的两侧安装钢支架，并且在支架两侧布置千斤顶，待施加压力达到预设压力后再将桩顶千斤顶支出，确保整个桩身施工结果的合理性。

2.3 迫降施工技术

该技术在实际应用中的控制原理在于，利用计算机软件对建筑物基础相关参数进行整理，随后选择开挖某一侧土方，以此来对结构偏移情况进行纠正，使整个建筑物的偏移情况可以得到顺利纠正，从而确保整个地层结构的稳固性，降低不均匀荷载带来的沉降变形问题。在技术的具体应用中，其应用流程如下：（1）根据现场的实际资料，利用计算机软件来建立相应的三维模型，模型中会对浅埋暗挖施工所带来的影响性进行科学性分析，并以此来完成迫降施工方案的拟定。（2）根据完成的迫降施工方案在地面上放样开挖点，利用机械设备对土层进行开挖，在开挖到设计深度后，可以借助上部建筑物重力、土层应力来完成结构迫降，从而使整个建筑结构重新恢复到最为稳定的状态，提高整个结构的稳定性。（3）在结构开挖过程中，也需要做好相应的监测工作，根据得到的相关参数及时调整开挖策略，以此提升开挖结果的合理性，达到预期的施工要求。

2.4 上部建筑物平移

该技术在实际应用中的控制原理，在计算机软件辅助下对建筑物基础相关参数进行整理，同时计算上部建筑的总荷载，在建筑下放安装滚轮结构，在新区域建立支撑结构，将建筑物平移到新区域，从而减少上部建筑物和下部地铁结构之间的相互作用，避免不均匀荷载带来的沉降变形问题，多用于一些古建筑的搬迁。在技术的具体应用中，其应用流程如下：（1）根据现场的实际资料，利用计算机软件来建立待迁移建筑物的三维模型，模型中会对建筑物分布荷载情况、自重荷载等参数进行计算，并以此来确定最为合理的建筑物平移方案。（2）根据建筑物平移方案中的相关内容，进行局部加固、安装移动轮等，确定各项基础工作满足要求后，开始进行建筑和基础的剥离，剥离后检查原建筑是否出现质量问题，做好补强工作后开始进行结构迁移。（3）在建筑物平移的过程中，需要对结构平移速度进行合理化控制，过程中也需要做好相应的监测工作，及时调整相关参数，直到结构到达新区域后将建筑物和新基地关联在一起，从而达到预期的施工要求。

2.5 注浆加固技术

该技术在实际应用中的控制原理在于，在地铁工程施工过程中，选择在合适位置进行压力注浆，浆液沿着土层缝隙渗入到层结构中，凝固后可以和原土层组成一个整体，以此来提高整个结构的稳固性，减少施工时的沉降变形问题，是目前常用的变形控制技术。在技术的具体应用中，其应用流程如下：（1）根据现场的实际资料，对于需要进行注浆的区域进行标记，同时也会借助钻孔工具在相应位置进行钻孔，钻孔深度根据地层的实际情况进行确定。相邻钻孔间距控制在60-100cm，并且呈梅花形进行布置，以达到预期的浇筑要求。（2）根据前期得到的基础资料，需要做好注浆材料拌和比例的控制工作，做好所使用材料粒度的控制工作，以此来确保注浆活动的顺利进行，提高注浆结果的合理性。（3）在注浆过程中需要将注浆压力控制在0.3-0.5MPa，保持匀速状态进行注浆，等待注浆孔溢浆之后，停止继续注浆，等待其凝固后可以在土层中形成整体，提高整个结构的稳固性。

2.6 水平旋喷桩技术

除上述提到的注浆技术外，在工程变形控制活动中，水平旋喷桩技术也具有良好的应用价值。该技术在实际应用中的控制原理在于，在地铁工程施工过程中，选择在合适位置进行高压注浆，借助高压液体将土体切碎，使拌和好水泥浆能够与已切碎土体充分拌和在一起，凝固后可以和原土层组成一个整体，以此来提高整个结构的稳固性，也是目前常用的变形控制技术。在技术的具体应用中，其应用流程如下：（1）根据现场的实际资料，对于需要应用水平旋喷桩技术的区域进行标记，同时也会根据前期得到的基础资料，确定水平旋喷桩技术应用时的喷射速度、喷射流量、旋转次数等参数，制定科学的工程施工方案。（2）根据前期得到的基础资料，需要做好注浆材料拌和比例的控制工作，做好各项参数的控制工作，满足要求后再进行细致化施工，提升施工结果的合理性。（3）在水平旋喷桩技术应用过程中，需要对压力、流量、循环次数等参数进行控制，完成充分搅拌后按要求做好养护工作，确保材料凝固后可以达到预期的浇筑效果，满足相应的使用要求。

3、地铁浅埋暗挖施工沉降控制技术实例分析

3.1 工程项目概况

该地铁工程采用浅埋暗挖施工技术进行施工，工程的断面尺寸为16.3×11.2m。如图1所示，该地区底板所在土层为粉质黏土、全风化岩层、强风化岩层，整个隧道工程的洞身大部分都穿过了该地层。隧道顶部为砂层，砂层的总厚度在2.0m左右，而砂层上面也覆盖了粉质黏土和素填土层，在施工时面临涌水、结构变形、涌砂等问题，进而带来不规则沉降问题，威胁地上建筑和地下施工环境的安全性。在综合考量各项因素后，选择水平旋喷桩施工技术进行施工，以提高整个工程施工结果的可靠性。

图1 工程地质剖面图

3.2 水平旋喷桩设计

结合该地区的基础情况，所布置的水平旋喷桩设计方案如图2所示。在应用中利用水平定向钻机在合适位置布置水平孔，在钻进到预设标高之后，会将钻杆拔出，随后将喷嘴、钻杆伸入到的钻孔内，以超过30MPa的压力将提前配置好的水泥浆注入土体当中，借助高压状态的水泥浆，可以对土层进行快速切削，同时钻杆的一面也会以20r/min的顺序进行旋转，另一面也会以15-30r/min的顺序缓慢向外拔，从而确保土体可以和水泥浆充分搅拌在一起，等待其顺利硬化之后所形成的土体比较均匀，可以起到0.5-8.0MPa桩体的加固作用。结合该工程项目的实际情况，在具体的施工过程中，所使用的桩结构直径为500mm，桩中心间距为350mm，相邻两根桩结构相互间咬合150mm，同时在掌子面的布设中会以1.2m为间距来进行布置，以达到预期的加固效果。

图2 水平旋喷桩设计示意图

3.3 注浆施工过程

在具体的施工过程中应注意以下几点：（1）基础准备工作，检查钻机设备的工作状态是否正常，同时检查高压注浆泵、回油管、启动柜、钻具等设备工作状态的稳定性，待满足要求后可进入下一施工环节。（2）进行钻机安装，过程应遵循“平整工作台→铺设相关轨道→安装立柱结构→安装升降系统→安装钻具→相关参数调试”的顺序展开的作业，过程中也需要做好各项误差参数的控制工作，如钢轨的找平误差不能超过3mm，四柱对角的误差不能超过5mm，底盘对角线误差不能超过3mm等，从而为后续施工活动的推进奠定良好的应用基础。（3）按要求配置浆液，水和水泥的比例为1:1，搅拌过程不低于3min，确保搅拌结果的均匀度，而且搅拌好的水泥浆也需要在4h内完成使用，满足相应的使用要求。（4）进行水平钻进，如图三所示，使用可导向钻头进行钻进，开孔深度控制在0.5-1.0m，并且在钻进时会先进行2-3个探孔的打设，根据获取到的数据调整后续工作参数，确保钻孔结果的合理性。（5）将喷嘴、钻杆伸入到的钻孔内，以超过30MPa的压力将提前配置好的水泥浆注入土体当中，钻杆的一面也会以20r/ min的顺序进行旋转，另一面也会以15-30r/min的顺序缓慢向外拔，等待钻杆拨至孔口1.0m处，停止继续注浆，缓慢拔出钻杆后进行封孔作业，完成整个施工过程。

图3 可导向钻头示意图

3.4 加固效果整理

该技术的使用可以确保土体和水泥浆充分搅拌在一起，等待其顺利硬化之后所形成的土体比较均匀，具有良好的抗滑移、抗渗作用，可以搭建安全的工程作业环境。并且根据监测点反馈曲线可以了解到，在高压水平旋喷桩技术的应用背景下，土层拥有了良好的抬升效果，没有施工前的沉降量相对较大，最大值可达165mm，而加固工作结束后地层抬升了110mm左右，从而将地表沉降数值控制在合理范围内。