城市地鐵隧道區(qū)間淺埋暗挖施工地表沉降控制施工技術(shù)

呂知睿

（中交隧道工程局有限公司北京分公司， 北京 100102）

1 工程概況

嘉陵江路站～香江路站區(qū)間右線起止點里程為：YSK4+967.876～YSK6+179.000，全長 1211.124m，左線起止里程為：ZSK4+967.876～ZSK6+179.000，全長1228.227m，區(qū)間埋深10.56～21.86m。區(qū)間平面共四處平曲線，其中ZJD1 半徑為400m、YJD1 半徑為430m、ZJD2 半徑為1200m、YJD2 半徑為1200m，區(qū)間縱坡最大20.288‰。

2 淺埋隧道施工引起地表沉降原因

研究淺埋暗挖隧道開挖施工所出現(xiàn)的地表沉降問題時，通常情況下根據(jù)施工工序的特點在彈性變形、失水固結(jié)、固結(jié)蠕變等方面分析原因。隧道工程的開挖作業(yè)勢必會造成地層的損失，因此需要圍巖對地層損失進行最大限度的彌補，使地層保持穩(wěn)定，同時圍巖會形成向下變形的應(yīng)力，長時間作用下則會發(fā)生地表沉降。

2.1 土層結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)原因

淺埋隧道施工作業(yè)時往往會對第四紀(jì)沉積表土層造成影響，而天然第四紀(jì)沉積表土層一般由礦物顆粒構(gòu)成骨架體、孔隙水和氣體填充骨架體而組成三相體系。土層受到外界荷載的壓力作用，會形成孔隙水壓力以及土體的有效應(yīng)力。其中，孔隙水壓力包括靜水壓力和超孔隙水壓力兩種[1]。在外部荷載的作用下空隙流體不斷流動，氣體體積逐漸減小導(dǎo)致顆粒重新排列，而顆粒間的距離也隨之變化，進而骨架體液出現(xiàn)一定程度的錯動，最終造成了第四紀(jì)表土層的變形。孔隙水壓力具有變動性，此現(xiàn)象的出現(xiàn)與土質(zhì)的滲透能力具有緊密關(guān)聯(lián)。黏土的滲透性逐步下降時，固結(jié)所需時間隨之延長。外力作用于土體后將導(dǎo)致土粒和孔隙內(nèi)的流體發(fā)生變形，在此條件下組織淺埋暗挖隧道施工時將使壓力傳遞至上部土層，于該處形成應(yīng)力變形現(xiàn)象，最終引發(fā)地表沉降。

2.2 巖層性質(zhì)與地質(zhì)構(gòu)造原因

巖層所發(fā)生的沉降與巖層的特點、地質(zhì)構(gòu)造等有著密切的關(guān)系，巖層在地質(zhì)結(jié)構(gòu)不斷演變的過程中會出現(xiàn)褶皺、裂隙、斷層等特點。其中，褶皺是巖石在受力后所產(chǎn)生的連續(xù)彎曲變形；斷裂面在沒有位移的情況下稱為裂隙；斷層是兩盤巖石沿斷裂面出現(xiàn)了較明顯的位移，同時伴有幾米到幾十米不等的巖石破碎帶。

為防止淺埋隧道施工時地面發(fā)生沉降，使用較多的施工技術(shù)有：環(huán)形開挖留核心土、超前小導(dǎo)管注漿支護、地表注漿加固地層、設(shè)置臨時仰拱、水平旋噴超前支護、高壓旋噴加固地層等，在實際施工時可以根據(jù)地質(zhì)特點、施工成本控制等因素合理選擇。

3 沉降分析

本工程中，YSK4+967.876～YSK6+179.000 段的地層斷面具有地勢高、覆土厚等特點，通過對多點進行監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)其沉降量在設(shè)計范圍內(nèi)。但是在ZSK4+967.876～ZSK6+179.000 斷面，其沉降監(jiān)測結(jié)果顯示基本超出了設(shè)計允許沉降值（30mm），造成這種現(xiàn)象的主要原因是該段左右線的拱部土層相對較淺，且覆土厚度＜洞徑，在開挖后土體的應(yīng)力得到釋放，在地表以及洞頂部位發(fā)生明顯的沉降。此外，該段的地勢較低，該項目在雨季施工時受到頻繁降雨的影響，上部較松軟的土層在雨水沖擊下產(chǎn)生一定的裂隙，且雨水不斷下滲，水體流失引起地表土層的進一步變形，并且形成掌子面坍塌、路面沉降等現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致地下管線遭到破壞、地面建筑物發(fā)生傾斜等危險。

3.1 地表注漿仿真分析

在淺埋軟弱地質(zhì)的路段進行施工時，開挖作業(yè)會影地層的應(yīng)力分布，為防止地層變形主要采取兩種措施：一是提升圍巖的自穩(wěn)性，二是采取襯砌進行支護[2]。改良地層條件較差的地段時主要采取地表注漿的方式提升圍巖自穩(wěn)性，從而控制地層的變形程度。

為提高注漿加固方案的可行性，應(yīng)在設(shè)計階段做好注漿仿真分析工作，具體包含如下幾點：（1）連續(xù)注漿仿真，施工順序為沿著隧道軸線方向依次推進，以隧道邊線為基準(zhǔn)，實際注漿寬度應(yīng)在兩側(cè)的基礎(chǔ)上各增加2m，注漿厚度取4m。（2）分段注漿仿真，依然沿軸線方向展開，以5m 為間隔依次注漿，單次長度以15m 較合適，寬度和厚度控制標(biāo)準(zhǔn)同上。（3）加大注漿厚度仿真，絕大部分工藝與連續(xù)注漿具有一致性，但注漿厚度提升到6m，該值等同于隧道的覆土厚度。

根據(jù)仿真分析得知，采用大面積連續(xù)注漿和加大厚度注漿技術(shù)時地表所發(fā)生的沉降要明顯小于分段注漿技術(shù)下的沉降量，尤其是加大厚度注漿技術(shù)能夠使上部較為松軟的土層有效固結(jié)，控制地表沉降的效果最為明顯。在沉降槽寬度方面，除分段注漿技術(shù)外其余兩種技術(shù)的沉降槽寬度都較小，且地表沉降所產(chǎn)生的影響也相對較小。仿真分析所得出的結(jié)論與實際施工時所測試的結(jié)果基本保持一致。

3.2 地表注漿試驗

為了保障地表注漿的質(zhì)量，施工前在左右線分別選取20m 長的路段進行地表注漿試驗。試驗時通常設(shè)置lm×lm 的孔距，且各孔之間呈梅花形布置，鉆孔時應(yīng)確保穿過雜填土層，將水灰比控制在0.5：1～1：1 的范圍內(nèi)，注漿壓力控制為0.3 MPa。注漿作業(yè)落實到位后，在相鄰兩孔間取樣檢測，可見芯樣內(nèi)存在部分水泥結(jié)實體，再經(jīng)過試驗的方式檢測芯樣的抗壓強度，實測值為1.10MPa，該值等于尚未注漿前的1.7 倍；并組織注水試驗，滲透系數(shù)取9.3×10-5cm/s，與注漿前滲透能力相比明顯降低。對試驗段采取開挖作業(yè)時，確保洞壁、掌子面不出現(xiàn)涌水、涌泥、崩塌等現(xiàn)象，并且對該段的地表沉降情況進行監(jiān)測時保證起沉降值在設(shè)計允許的30mm 范圍內(nèi)，表明注漿技術(shù)能夠有效控制地表沉降[3]。

3.3 地表注漿加固方案

隧道開挖的擾動性強，易導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)或嚴(yán)重抑制成拱效應(yīng)。從圍巖自穩(wěn)時間的影響因素來看，與圍巖強度和超前預(yù)加固方式具有顯著關(guān)聯(lián)[4-5]。對此，通常采取注漿預(yù)加固處理措施，最大限度減小掌子面上方圍巖的變形量，從而達到控制地面沉降的效果，再通過環(huán)形開挖留核心土的方式有序組織開挖作業(yè)，經(jīng)上述流程后可取得較好的地面沉降控制效果。而對于地質(zhì)條件欠佳的施工情況或采取上述方法依然無法有效控制沉降時，則要對局部采取地表注漿加固處理措施。

以仿真計算和試驗結(jié)果為立足點，編制切實可行的地表注漿方案，采取大面積連續(xù)注漿工藝，注漿范圍為左線 YSK5+385～YSK5+523、右線YSK5+405～YSK5+510，具體注漿方案如下：

（1）地表注漿施工區(qū)域為超淺埋地段洞頂雜填土層，以隧道邊線為基準(zhǔn)，兩側(cè)分別加寬2m，以此作為注漿寬度控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）地表注漿孔眼間距均為1m×1m，孔深46m 且＞人工雜填土層厚度20cm。加強對注漿管打入深度的控制，該值不宜超過隧道拱頂覆土厚度，否則易由于拱頂土層受損而引發(fā)水體匯聚至隧道內(nèi)的情況。

（3）鉆進成孔，注漿孔孔徑取110mm，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加8mm，以作為套管管徑控制標(biāo)準(zhǔn)。注漿管應(yīng)觸底，以花管注漿的方式為宜。

（4）漿液采用P0.42.5 水泥漿液，漿液濃度0.6：1，注漿壓力0.15～0.2MPa。

（5）按先兩邊、后中間的流程有序完成注漿作業(yè)，向中間逐步推進的過程中可適當(dāng)增加壓力。

3.4 地表注漿前后沉降對比分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：注漿前最大沉降量達65.57mm，注漿后最大沉降量為23.07mm，并且YSK5+400、YSK5+410、YSK5+450 的最大沉降量遠小于YSK5+360斷面（未注漿）的沉降，通過地表注漿的方式可實現(xiàn)對地表沉降的控制。

經(jīng)地表注漿作業(yè)后，雜填土空隙得到有效的填充，土體綜合性能得以改善，地表沉降較小，相較于未注漿地段而言，地表沉降減少量可達到50～80%。

4 結(jié)束語

在淺埋段進行隧道開挖作業(yè)時極易引發(fā)地表沉降，因此通過地表注漿技術(shù)加固淺埋層，能夠充實雜填土的孔隙，提高土層的抗?jié)B透性能，增加土體的固結(jié)性，從而提升圍巖土體的成拱效果，避免沉降產(chǎn)生的同時確保城市地鐵隧道施工的質(zhì)量，維護地鐵的施工安全。