上軟下硬地層隧道下穿建筑物礦山法施工風(fēng)險控制①

王日東， 楊 瀟

(同濟大學(xué)地下建筑與工程系巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引言

本文以青島地鐵某區(qū)間隧道穿越密集建筑群工程為研究對象，在“上軟下硬”復(fù)雜地層條件下，采用礦山法分上下臺階施工，由于其施工工法特點，對地表建筑物造成的危害較大，對施工的風(fēng)險控制難度也較大.因此，對地鐵隧道施工過程中的風(fēng)險控制及規(guī)避顯得尤為重要.同時，目前對地鐵隧道風(fēng)險的研究主要為盾構(gòu)法施工，鮮有對礦山法施工的風(fēng)險控制措施研究，而事實上在城市環(huán)境復(fù)雜條件下采用礦山法施工的風(fēng)險發(fā)生幾率相對于明挖法和盾構(gòu)法都要高[1].本文結(jié)合青島地區(qū)某區(qū)間隧道下穿建筑物礦山法施工的案例，介紹其具體施工風(fēng)險控制措施.

1 工程概況

青島市地鐵某區(qū)間隧道下穿某河流，區(qū)間隧道上半部處于富水砂層中，砂層滲透系數(shù)為40m/d，洞身位于半砂半巖的地層中，下部處于中風(fēng)化巖層中，為典型的上軟下硬特殊地層，地面建筑物密集，均為6、7層樓房，且建筑年代久遠，隧道開挖施工極易造成地下水流失，引起地面建筑物的不均勻沉降，給施工帶來極大困難，施工風(fēng)險極大.

2 區(qū)間隧道施工方法

針對該區(qū)段隧道，在初步設(shè)計階段進行了局部明挖方案、盾構(gòu)方案和全暗挖方案三種工法的比較.

明挖法對城市生活影響大，干擾交通，易產(chǎn)生塵土和噪音污染，應(yīng)用受到限制.此工程若采用明挖法施工，需要拆除大量的地面建筑物，拆除面積約28000m2，由于拆遷難度大，費用高，且對地面交通影響較大，因此不推薦采用明挖法施工.

但是，若采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機的選型較困難，機械設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴.施工過程中，機組人員的操作熟練程度以及施工經(jīng)驗，對隧道建設(shè)質(zhì)量和施工安全會產(chǎn)生顯著影響，機組人員的業(yè)務(wù)不精、決策失誤或者操作不當(dāng)，都是隧道穿越建筑物的風(fēng)險源[2，3].盾構(gòu)施工時，上軟下硬的復(fù)合地層，易出現(xiàn)砂層流失，造成較大的地面沉降，引起房屋的不均勻沉降;通過中風(fēng)化巖層時盾構(gòu)刀具磨損較大，特別是下穿房屋需要換刀時操作困難，風(fēng)險極大，因此不推薦采用盾構(gòu)法施工.

礦山法同樣具備暗挖法優(yōu)點，不中斷交通，對城市環(huán)境的影響小，且施工技術(shù)成熟，施工靈活、安全.礦山法中臺階法是將隧道斷面分成上、下兩個臺階開挖，上臺階開挖后，及時施做初期支護，在圍巖失穩(wěn)前盡快開挖下臺階，開挖完成后，迅速進行支護，形成封閉結(jié)構(gòu)，如圖2所示.其主要優(yōu)勢是施工空間大，施工操作方便，施工周期短.

通過幾種常用施工方法比選，選擇礦山法施工盡管風(fēng)險較高，但風(fēng)險可控性較好，技術(shù)成熟，因此采用礦山法分上下臺階施工[4].

圖1 區(qū)間隧道下穿建筑物群地質(zhì)剖面圖

圖2 礦山法分上下臺階施工開挖過程示意圖

超前預(yù)支護采用管棚法和小導(dǎo)管注漿法，初期支護設(shè)計采用250mm厚的高性能防滲噴射混凝土和濕噴混凝土.

由于地面建筑物密集，若采用井點降水，降水井只能圍著建筑物周圍布置，不具備良好的降水條件，地面建筑物緊鄰河流，地下水貫通，降水可能引起建筑物的不均勻沉降，因此不采用地面降水，本工程采用全斷面注漿止水加固地層.

3 風(fēng)險工程變形預(yù)測和安全性評估

區(qū)間隧道穿越的建筑物群中典型建筑代表為某銀行，其為7層的磚砌體結(jié)構(gòu)，沒有地下室，距離地鐵車站約23m，采用的是柱下條形基礎(chǔ)，隧道拱頂與基礎(chǔ)距離約10m.區(qū)間隧道上覆地層為素填土、粉質(zhì)粘土、粗砂.由于該銀行建筑具有典型代表性，因此本設(shè)計選取區(qū)間隧道下穿該銀行段進行風(fēng)險計算分析.

考慮到車站是一個狹長的結(jié)構(gòu)，因此分析采用二維平面應(yīng)變模型進行模擬，在隧道左線開挖完成后，隧道拱頂下沉5.6mm，引起地面下沉為2.6mm.隧道右線開挖完成后，隧道拱頂下沉8.2mm，引起某銀行下沉為4.4mm，表明地表沉降在隧道襯砌支護及圍巖共同作用下基本穩(wěn)定，拱頂沉降也因為及時施做初期支護而得到了有效的控制.地表沉降最大點均在隧道中線附近.

根據(jù)沉降形成機理，沉降主要由以下三部分組成:第一部分是先期沉降，主要是由于掌子面變形發(fā)生土體損失產(chǎn)生;第二部分是開挖過程中，由于施工擾動導(dǎo)致地應(yīng)力重分布引起地層沉降;第三部分是工后沉降，是之前的施工擾動土體，導(dǎo)致土體變形不均勻，重新固結(jié)、達到一個新的平衡[5].

因此，施工過程中需要主要控制第二部分產(chǎn)生的沉降，即在地應(yīng)力重分布期間，迅速進行隧道初期支護施做，使得襯砌與圍巖得以共同工作，提高自穩(wěn)能力.而先期沉降部分，主要可以通過開挖前的土體加固措施進行控制，如超前小導(dǎo)管注漿等.工后沉降部分，可以通過回填注漿、增加錨桿等措施.

圖3 隧道橫斷面上地表沉降隨施工過程發(fā)展曲線

4 施工風(fēng)險控制措施

超前地質(zhì)探孔用于富水地段，通過對探孔中土體含水率的分析，掌握地下水的分布情況，揭示掌子面前方的地質(zhì)特征及滲漏水情況，指導(dǎo)隧道從巖層進入砂層段的開挖，及時采取全斷面注漿止水措施加固地層.

現(xiàn)有地勘資料顯示自區(qū)間隧道拱部出現(xiàn)砂層開始至到達地鐵車站端，砂層基本上位于隧道的上半部，基于以上典型斷面數(shù)值模擬計算與風(fēng)險分析結(jié)果，對該區(qū)間隧道施工提出以下風(fēng)險控制措施.

4.1 斷面初期支護風(fēng)險控制措施

(1)超前支護:沿隧道拱部180°范圍內(nèi)施做Φ42，壁厚 3.25mm、環(huán)向間距 300mm，縱向間距1000mm的超前小導(dǎo)管，導(dǎo)管長 l=3.0m，外插角10°～15°，每兩榀拱架打設(shè)，注漿漿液采用水泥－水玻璃雙液漿.

(2)型鋼拱架:采用Ⅰ20b型鋼拱架，若區(qū)間隧道下穿的建筑物基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，型鋼拱架縱向間距為0.5m，若區(qū)間隧道下穿建筑物基礎(chǔ)為塊石條形基礎(chǔ)，則型鋼拱架縱向間距調(diào)整為0.35m，型鋼拱架做放大腳支撐在中風(fēng)化巖層上.

(3)鎖腳錨管:在每榀拱架拱腳兩側(cè)，各打設(shè)8根長度為3.5m的鎖腳錨管，小導(dǎo)管采用Φ42×4mm鋼管，注漿參數(shù)同超前小導(dǎo)管.

(4)鋼筋網(wǎng):Φ8間距150mm×150mm，型鋼拱架外側(cè)單層布設(shè).

(5)縱向拉結(jié)筋:采用Φ22縱向拉結(jié)筋，內(nèi)外側(cè)梅花型布置，單面焊接，搭接長度為10d.

(6)噴射混凝土:C25噴射混凝土，上臺階噴層厚度為250mm，下臺階噴層厚度為100mm.

4.2 軟弱砂層風(fēng)險控制措施

采用長臺階法施工，上臺階先行，環(huán)形開挖預(yù)留核心土，盡可能拉長爆破作業(yè)面與掌子面的距離，斷面注漿加固的砂層部分采用風(fēng)鎬作業(yè)，分左右兩個導(dǎo)洞錯開一定距離進行開挖，上臺階剩余中風(fēng)化巖石進行爆破施工，考慮到上臺階拱架成環(huán)之前，爆破振動影響極易引起拱頂軟弱地層的坍塌，所以必須采取防護措施對軟弱砂層進行支護.

(1)全斷面注漿加固地層，保證每一開挖斷面及拱部3.0m范圍內(nèi)砂層被加固，注漿材料采用水泥－水玻璃雙液漿.注漿壓力建議控制在1.0～1.5MPa，注漿工作面封堵初始注漿段采用1.0m厚噴混凝土止?jié){墻，后序注漿段均預(yù)留5.0m已注段作為止?jié){巖盤.

(2)環(huán)形開挖預(yù)留核心土，斷面軟土地層密排超前小導(dǎo)管，間距不大于100mm，作為超前管棚.

(3)開挖每一榀拱架的距離(0.5m)，拱頂將鋼筋網(wǎng)片點焊于超前小導(dǎo)管上.

(4)在型鋼拱架大拱腳處，設(shè)置縱向Ⅰ20b工字鋼，工字鋼上部與型鋼拱架、下部與架立鋼板均采用角焊縫焊接，縱向采用連接鋼板等強度連接.

(5)為防止掌子面軟弱圍巖在爆破時滑移失穩(wěn)，按照0.8×0.8m間距打設(shè)3m長錨桿并掛網(wǎng).

(6)噴射10cm厚混凝土封閉拱頂和掌子面軟弱圍巖.

(7)初支背后回填注漿及時跟進，充填初支背后空隙，對局部滲漏水起到止水作用.

(8)地面袖閥管注漿加固房屋基礎(chǔ).

(9)鑒于含水砂層條件下，注漿措施的固結(jié)效果難以保證均勻、密實，地下水也難以被有效封堵，因此在開挖之前，應(yīng)首先對掌子面布設(shè)檢查孔，檢查孔可采用Φ42無縫鋼花管，孔口設(shè)置止水閥門，每個掌子面不小于5個，分別為拱部2個、斷面中間1個、大跨處各1個，若掌子面地下水滲透系數(shù)大于10－7cm/s，應(yīng)對掌子面進行補充注漿.

采取如上措施后，再施做炮眼，進行上臺階剩余石方的爆破施工，爆破作業(yè)時間不宜與噴射混凝土?xí)r間過近，待封閉掌子面的噴射混凝土凝固并達到一定強度后才能爆破.

4.3 變形控制指標

不同類型建筑結(jié)構(gòu)對沉降及變形的承受能力不同，通?？扇〔町惓两盗俊⒆畲蟪两盗考傲芽p開展寬度等作為控制指標[6，7].該銀行無地下室，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ).根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB5007－2002)，相鄰柱基的沉降差應(yīng)小于0.002 L(L為相鄰柱基中心距離)，考慮建筑在施工過程及工后沉降過程中可能已產(chǎn)生了一定的沉降差，區(qū)間隧道施工過程中建筑物相鄰柱基的沉降差按0.0015 L控制.另外，在施工過程中，建筑物的沉降按30mm控制.

4.4 專項監(jiān)控量測

為保證周邊環(huán)境和施工的安全，應(yīng)進行必要的施工監(jiān)測.當(dāng)監(jiān)測顯示有不正常情況時，應(yīng)立即向有關(guān)部門報告.

作為風(fēng)險工程施工安全與否的判別標準如下:安全:F ＜ 0.7;黃色預(yù)警:0.7≤ F ＜ 0.85;橙色預(yù)警:0.85≤F＜1;紅色預(yù)警:F＞1(F為實測值/控制值).

當(dāng)安全性為“黃色預(yù)警”時，應(yīng)加密監(jiān)測頻率，加強對地面和建筑物沉降的動態(tài)觀察;當(dāng)安全性為“橙色預(yù)警”時，應(yīng)加強施工措施，加強觀測，并召集有關(guān)部門協(xié)商解決;當(dāng)安全性為“紅色預(yù)警”時，應(yīng)立即停工，并啟動應(yīng)急預(yù)案.

5 結(jié)論

本文選取了青島地區(qū)上軟下硬地層某區(qū)間隧道采用礦山法下穿既有建筑物群案例，該地鐵隧道地質(zhì)條件及周邊環(huán)境復(fù)雜，施工風(fēng)險較高.

通過有限元分析可知，在正常施工條件下，地表建筑物沉降較小，最大為4.4mm，滿足對地表建筑的控制指標，同時隧道拱頂沉降也較小.結(jié)合工程具體情況，制定了具體的風(fēng)險控制措施.

但是需要考慮到地下工程的復(fù)雜性，施工過程中要加強有關(guān)數(shù)據(jù)監(jiān)測，及時反饋并調(diào)整注漿壓力和頂進力，保證地面建筑物結(jié)構(gòu)的安全.通過對該工程的風(fēng)險及對應(yīng)措施分析，對以后類似工程的風(fēng)險分析及控制，并提供技術(shù)支持有著重要的借鑒意義.

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