淺埋暗挖隧道施工地面沉降控制研究

王景彪

（北京廣得安工程有限責任公司，北京 100061）

由于淺埋暗挖法隧道施工具有明開槽施工難以比擬的優(yōu)點，無論是工程項目的前期拆遷還是后期的施工維護，都較明開隧道省時、省力和省錢，在我國地下隧道工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但砂卵石土層松散、自穩(wěn)能力差，開挖前必須進行超前支護和地層加固，以提高砂卵石層的自穩(wěn)能力。因此，如何加固砂卵石地層防止地面沉降，減少對道路和其他建構(gòu)筑物的危害，是穿越卵石地層淺埋隧道施工的關(guān)鍵。對此，文章分析研究了淺埋暗挖隧道在砂卵石地層中下穿現(xiàn)狀道路，并提出措施保證了道路的安全，使道路沉降沒有超出允許范圍。

1 工程背景及地質(zhì)條件

1.1 工程背景

新建電纜隧道起自密興路與密三路交叉口西北側(cè)現(xiàn)狀埋管三通井預(yù)留甩口，向南至明開三通井，后沿規(guī)劃密興路北紅線南3.0m向東穿越現(xiàn)狀密三路至新建6.0m×6.0m四通豎井后向南穿過現(xiàn)狀密興路、在建京沈客專，再沿密三路東紅線西2.0m向南至φ5.2m三通豎井，最后向東至電纜終端塔為設(shè)計終點。整個路徑長度約為417.9m，暗挖段采用2.0m×2.3m暗挖電纜隧道。

1.2 地質(zhì)情況

（1）地層構(gòu)成巖性。按成因類型、沉積年代可劃分為人工堆積層、第四紀沉積層及長城紀沉積層3個大類，并按巖性及工程特性進一步劃分為7個大層及亞層。表層為人工堆積的碎石填土①層、粉質(zhì)黏土填土①1層、細砂填土①2層；人工堆積層以下為第四紀沉積的碎石②層、砂卵石②1層、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土③層、碎石④層、粉質(zhì)黏土⑤層；第四紀沉積層以下為長城紀沉積的全風化石英砂巖⑥層、強風化石英砂巖⑦層。

工程明開隧道底板位于碎石填土①層、碎石②層，暗挖隧道穿越碎石②層、砂卵石②1層、粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土③層、強風化石英砂巖⑦層。

（2）工程水文條件?？辈炱陂g（2019年7月上旬）于鉆孔勘測深度內(nèi)（最深23.00m）未發(fā)現(xiàn)地下水。

2 路面沉降控制標準

該隧道在0+84.7～0+139.5區(qū)段下穿密三路和密興路，位于砂卵石地層，隧道覆土厚度6m左右，卵石粒徑為10～180mm，中粗砂充填，低壓縮性。從專業(yè)人員現(xiàn)場調(diào)查資料和咨詢道路產(chǎn)權(quán)單位工作人員處得知，道路結(jié)構(gòu)為500mm厚石灰粉煤灰碎石+80mm瀝青混凝土。

隧道結(jié)構(gòu)施工前，北京廣得安工程有限責任公司安排專業(yè)的測量人員對隧道穿越現(xiàn)狀道路影響范圍內(nèi)的現(xiàn)狀地面標高進行詳細測設(shè)。施工過程中，專業(yè)人員每天上午和下午各進行1次觀測，且在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有異常時加密觀測頻率。同時，保存原始數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)具有可追溯性，穿越施工完成后，對整個施工前后的數(shù)據(jù)進行分析，用數(shù)據(jù)證明此次施工采取的措施可靠。

初次地面高程測放發(fā)現(xiàn)，22#、26#、30#觀測點處地面平整度最大間隙為8mm，此為利用3m檢測尺查的，其他觀測點處平整度最大間隙均小于4mm，滿足規(guī)范要求。

道路結(jié)構(gòu)的面層的平整度是保證行車安全和舒適性的重要指標，保證隧道下穿輻射范圍內(nèi)的道路結(jié)構(gòu)沉降滿足設(shè)計要求，是保證道路結(jié)構(gòu)面層平整度的關(guān)鍵。

目前，我國隧道下穿公路時引起的路面沉降大多采用北京、深圳地鐵施工的經(jīng)驗值30mm作為控制標準值，該工程設(shè)計單位給出的道路結(jié)構(gòu)沉降允許值為小于等于30mm，與經(jīng)驗值相符。但是，北京廣得安工程有限責任公司為以防萬一，將道路的沉降允許值控制在小于等于10mm。當超出此值時，立即封閉掌子面，采取應(yīng)急措施，控制路面的沉降。

3 地層加固方案比選

為保證暗挖隧道下穿市政道路地層加固方案的可靠性和可實施性，暗挖隧道施工之前進行現(xiàn)場地層加固試驗。將隧道0+58.6～0+78.6作為試驗段，隧道正式加固范圍為0+81.7～0+162.5。

3.1 方案一

采用常規(guī)的超前小導管支護，開挖前必須沿拱頂環(huán)向打超前小導管，其直徑φ32mm，長2.25m；沿隧道開挖輪廓環(huán)向間距為0.25～0.3m，小導管仰角為12～14°，必須從鋼架腹部穿過，打設(shè)范圍為拱頂起拱線以下0.3m，每榀鋼架打設(shè)1次超前小導管，2次打設(shè)超前導管重疊不小于1m。

打入導管后壓注水泥漿加固地層，要求固砂體單軸抗壓強度達到0.3～0.5MPa，并在注漿后管口周圍用快硬性水泥封死。

將φ32mm無縫鋼管截成3m/段，端部1.15m打溢漿孔，按直徑8mm、間距200mm梅花狀布置，并在鋼管的一端做成100mm長的圓錐狀，以便于插打。

采用此方案遇到以下問題：第一，注完漿后，砂卵石地層被漿液包裹固化，形成了強度較大的固結(jié)體，隧道開挖時難度較大；第二，通過分析地面沉降觀測點觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，沉降已達到50mm，超過道路結(jié)構(gòu)最大允許沉降值30mm。

3.2 方案二

開挖前對隧道設(shè)計路由地層進行地面深孔注漿加固，在地面畫出需要加固的土體的范圍，按間距1m梅花狀布置。

第一，成孔。采用鉆機在注漿點位鉆孔，鉆機鉆進前需整好鉆桿鉆入角度，過程中隨時檢査鉆入角度，以防偏孔。如出現(xiàn)偏孔，及時進行調(diào)整。對于偏差過大的，采用干砂回填，重新鉆孔。

第二，清孔。為保證地層加固的質(zhì)量和效果，必須清理完畢鉆孔進行后再注漿（至少進行2次清孔）。

第三，注漿管。地層加固的注漿管采用外徑40mm、壁厚3mm熱軋無縫鋼管加工制成。鋼管尾部焊上φ6mm鋼筋勁箍，導管的長度根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整，注漿管端頭加工成圓錐形。注漿管端部1m范圍內(nèi)設(shè)置溢漿孔，孔徑為10mm，間距為200mm，梅花狀布置；剩余部分不設(shè)溢漿孔。

第四，漿液制備。注漿漿液采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥單液漿，注漿參數(shù)如下：W∶C=1∶1；注漿壓力為500～800kPa；注漿參數(shù)通過現(xiàn)場試驗確定，注漿量視情況調(diào)整；水泥漿制備采用攪拌機進行，水泥漿邊拌邊用，制備完成后應(yīng)在30min內(nèi)用完，超過30min重新拌漿。

第五，注漿。采用分段分塊注漿，注漿前調(diào)整好注漿壓力。隨注漿阻力的増大，泵壓會隨之升高，因此當注漿阻力減小時，適當減小注漿壓力。注漿按從低至高的順序進行注漿，并在注漿過程中派專人時刻關(guān)注注漿情況，觀察地表的變化，以及時根據(jù)注漿情況調(diào)整注漿的漿液濃度和注漿壓力。

采用此方案遇到以下問題：第一，注漿量比原設(shè)計注漿量增加將近1倍，材料消耗太大，同時造成的地層污染也大大增加。第二，由于是壓力注漿，漿液沿著孔隙四處亂竄，隧道開挖面內(nèi)進入大量漿液，使得隧道開挖面范圍內(nèi)存在大范圍漿液與卵石的固結(jié)體，隧道開挖難度大大增加。

3.3 方案三

采用超前深孔注漿，上半斷面注漿，即隧道拱頂及兩側(cè)起拱點以下600mm注漿。帷幕注漿施工前，對隧道掌子面進行封閉處理。處理方式為錨噴C20混凝土+鋼筋網(wǎng)片，厚度為150～200mm。必要時，可打設(shè)錨管，確保注漿時掌子面所封閉的混凝土不產(chǎn)生裂紋和隆起。

采用半斷面帷幕注漿施工工藝，加固范圍為電力隧道開挖輪廓線外1.5m范圍。采用小型機械鉆機成孔，鉆機成孔直徑為75mm，注漿管采用直徑48mm、壁厚3.5mm的無縫鋼管。地層加固所采用的注漿材料為水泥水玻璃雙液漿。施工鉆孔按照“先外圈再內(nèi)部、先上后下、跳孔施工”的順序進行，注漿管循環(huán)搭設(shè)，注漿管長度為9m，注漿管尾部預(yù)留止?jié){段長度為3m，搭接長度為2m。注漿采用后退式分段注漿，將長注漿管分為2m/段，通過調(diào)整注漿管內(nèi)的止?jié){閥位置實現(xiàn)分段注漿。注漿材料的配比可根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整。注漿效果可通過預(yù)留觀察孔、注漿壓力和注漿量等因素綜合分析預(yù)判，注漿壓力一般不得超過600kPa。拱頂及側(cè)墻注漿量為5m3/m。成孔安放注漿管后，應(yīng)采用速凝水泥封堵孔壁和管壁間空隙，封堵深度為0.5m，滿足壓力注漿的要求。

注漿材料如下：管材為φ48mm普通鋼管，壁厚3.5mm，管頭為30°椎體，長度為12m，預(yù)留止?jié){段3m；漿液為水泥-水玻璃漿液。

注漿控制值如下：注漿后土層要求單軸抗壓強度不小于l5～30MPa。

此方案漿液選用水泥漿+改性水玻璃，由于漿液加入了水玻璃，隧道開挖時圍巖強度不高，開挖難度較小；由于漿液的固結(jié)和膠結(jié)作用，使開挖面基本無坍塌，開挖輪廓控制較好、地層穩(wěn)定；經(jīng)地面沉降觀測發(fā)現(xiàn)，地面由于隧道開挖產(chǎn)生的沉降為6mm，小于允許沉降10mm，滿足道路安全和舒適的要求。

3.4 方案比選

通過對三個方案進行比較分析，超前深孔上半斷面注漿能夠滿足施工要求，能夠滿足路面沉降的要求，施工風險小。因此，綜合考慮，確定地層加固采用超前深孔上半斷面注漿，即方案三。

4 施工觀測

采取信息化施工，應(yīng)檢測地表沉降、拱頂沉降、凈空收斂等項目，以判斷道路結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，及時調(diào)整施工參數(shù)，控制施工風險。在現(xiàn)況地面設(shè)置沉降觀測點，在地表下5m、2.5m處埋設(shè)分層沉降儀進行地層沉降檢測。檢測結(jié)果表明，地表沉降、分層沉降、拱頂沉降及洞內(nèi)收斂沉降均屬可控狀態(tài)；隧道穿過后，發(fā)現(xiàn)22#、26#、30#觀測點處地面平整度最大間隙仍為8mm，其他觀測點處平整度最大間隙均小于5mm，滿足規(guī)范要求，地面最大沉降為15mm，能夠保證行車的安全性和舒適性。

5 結(jié)論及建議

淺埋暗挖隧道穿越砂卵石地層時，采取合理的注漿加固措施，利用信息化施工，做好監(jiān)控和監(jiān)測，及時調(diào)整施工參數(shù)，并遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”十八字方針，可以保證施工安全和地表路面的安全性和出行的舒適性。同時，淺埋暗挖隧道施工應(yīng)加強新工藝新技術(shù)方面的開發(fā)和應(yīng)用，加強信息化管理和動態(tài)過程控制、過程檢測，實現(xiàn)數(shù)字化分析與施工，并根據(jù)試驗參數(shù)調(diào)整施工工藝，最終實現(xiàn)生產(chǎn)安全和社會安全。