某城際鐵路飽和砂層及全風化巖段暗挖施工塌陷原因分析

肖學仁+劉佳

中鐵工程設計咨詢集團有限公司

【摘 要】在施工中，地面沉降事故占總事故的30%～40%，對隧道內的直接表現是拱頂下沉或塌陷，這種塌陷產生的涌水、涌泥對施工現場的人員、設備安全構成了極大威脅，同時也影響了工程的進度、增加了工程的費用。因此，對施工中發生塌陷的原因進行分析與總結十分必要，不僅能為塌陷處理提供依據

【關鍵詞】砂層；全風化巖；暗挖施工；塌陷原因

1 .概述

對于砂層地區，在受特殊環境限制的情況下，采用暗挖法施工時，由于地層的特殊性質，淺埋暗挖施工技術更為復雜。砂層自穩能力差，開挖極易引起地面沉陷過大，甚至塌陷，造成災難性后果[1]。在施工中，地面沉降事故占總事故的30%～40%，對隧道內的直接表現是拱頂下沉或塌陷，這種塌陷產生的涌水、涌泥對施工現場的人員、設備安全構成了極大威脅，同時也影響了工程的進度、增加了工程的費用[2][3]。因此，對施工中發生塌陷的原因進行分析與總結十分必要，不僅能為塌陷處理提供依據，同時能為類似工程施工積累經驗。

2 .工程概況

隧道拱頂埋深約17.0～21.0m。本段隧道穿越道路，地下管線密集，種類繁多，交通繁忙，隧道局部范圍緊鄰建筑物。隧道平面位于直線段。該段隧道施工過程中曾發生多次塌方事故。

3.地質概況

（1）巖土層巖性特征：本段區間隧道范圍內上覆第四系全新統沖積層（Q4al），下伏基巖為（Pz1）混合片麻巖。第四系全新統沖積層（Q4al）主要有粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉砂、粗砂等。震旦系混合片麻巖（Pz1）主要為黃褐色、淺黃色、灰白色、青灰色，變晶結構，片麻狀構造，主要礦物成分為石英、長石、云母，按風化程度可分為全風化混合片麻巖、強風化混合片麻巖、弱風化混合片麻巖。

（2）水文地質：場地內地下水為孔隙水及基巖裂隙水。孔隙水主要賦存于第四系全新統沖積層、殘積層及全風化混合片麻巖中，主要受大氣降水及地表水側向補給，隨季節變化較大；基巖裂隙水主要賦存于強風化、弱風化混合片麻巖節理、裂隙中。主要補給來源為地表水的滲入補給。各巖土層的滲透系數：粉質黏土，混砂，滲透系數k=0.005m/d；淤泥質粉質黏土地下水含量高，呈飽和狀態，具弱透水性，滲透系數k=0.001m/d；粉砂中地下水較豐富，透水性較好，為中等透水層，滲透系數k=1.0m/d；粗砂富含地下水，透水性隨粘粒含量增多而變小，具中等～強透水性，滲透系數k=20.0m/d；全風化混合片麻巖具中等透水性，滲透性從上向下逐漸增大，建議滲透系數k=1.0m/d；強風化混合片麻巖具中等透水性，建議取滲透系數k=5.0m/d；弱風化混合片麻巖具中等透水性，透水性隨節理裂隙發育程度改變，建議取滲透系數k=1.0m/d。

4.設計方案

本段隧道拱頂臨近或局部砂層侵入，采用隧道兩側設置帷幕+帷幕內井點降水+洞內水平旋噴樁+掌子面錨固樁及注漿措施，工法采用上、下臺階+臨時仰拱法。

止水帷幕：止水帷幕伸入隔水層，以阻斷帷幕內外水力聯系，通過帷幕內降水達到礦山法隧道無水施工的條件，降低帷幕內井點降水對周邊環境的影響。止水帷幕采用地下連續墻。在隧道兩側及兩線之間各設置一道平行于隧道的縱向地下連續墻，縱向30m設置一道橫向地下連續墻，將地下連續墻劃分為網格，以保證降水效果，提高工效。為防止地下連續墻在穿越砂層中槽段坍塌，在地下連續墻內外兩側設置水泥攪拌樁進行槽壁加固。施工時應注意地連墻接頭處的止水效果，并根據實際情況采取相應的措施。

降水、回灌：降水除需有效降低帷幕范圍內的地下水位標高之外，還必須有效減小帷幕內地層的含水量，增加地層的固結強度，保證隧道無水施工，提高隧道施工的安全性。根據止水帷幕外水位變化，在帷幕與建筑物間設置一排回灌井，帷幕內井點降水的同時利用回灌井向土層內回灌一定數量的水，形成一道水幕，從而減小降水以外區域的地下水流失，使其地下水位基本不變，達到保護周邊建構筑物的目的。

水平旋噴樁：隧道拱部180°范圍設置單排水平旋噴樁。隧道上臺階設置錨固樁，錨固樁采用水平旋噴樁。

掌子面注漿：隧道掌子面上半斷面及開挖輪廓線外1m范圍內采用水泥-水玻璃雙液漿超前預注漿加固。

5.塌陷原因分析

第一次塌陷發生于GDZK44+275處，下臺階左側邊墻掛網立架完成，進行噴射混凝土時，拱腳處出現突水突泥，封堵未能奏效，隨之發生塌陷。分析塌陷原因為：（1）根據抽芯結果結合連續墻成槽記錄及混凝土澆筑記錄判斷連續墻墻底位于隧道下臺階范圍，墻底土體仍為全風化地層，未達到設計圖紙要求。（2）隧道塌方段為全風化地層，隧道上方存在砂層，全風化混合體片麻巖，遇水容易軟化。總體地質條件較差。（3）塌方前該地區普降大雨，地下水位上升，導致水土壓力增加。（4）塌方處處于連續墻丁字接頭處，連續墻成槽會對地層造成一定的擾動。隧道開挖時連續墻外土體產生管涌通道，水土體涌入隧道，導致地面塌陷。

第二次塌陷發生于GDZK44+402處，下臺階發生涌水涌泥，現場立即進行臨時封堵，但因瞬間涌水涌泥量過大，封堵未能達到預期效果，隨之出現塌陷。根據涌水位置及地下連續墻鉆孔取芯分析，塌陷原因為：（1）地下連續墻外側存在較大范圍軟土層，隧道拱頂存在砂層，且砂層含水量高，洞身位于全風化、強風化混合片麻巖中，全風化混合片麻巖遇水易軟化崩解，地質情況極為復雜。（2）地下連續墻澆筑混凝土時因成槽塌孔等原因，易造成墻身夾泥，導致墻體完整性存在缺陷，從而形成涌水通道。（3）地下連續墻質量檢測不嚴格，涌水位置地下連續墻未進行質量檢測。（4）地下連續墻混凝土澆筑過程中混凝土用量控制不嚴，未對實際混凝土用量超出或少于設計用量進行分析，留下了安全隱患。（5）暴雨天氣較多，降雨量急劇增加導致地下水位升高，水壓力增大，加大了地下連續墻外側軟化土體涌入隧道的風險。

6.結論及建議

通過對該隧道兩次塌陷原因的分析總結，可得出該隧道飽和砂層及全風化巖段暗挖施工塌陷的主要原因為：

（1）復雜地質條件是引起塌陷的客觀原因。

（2）施工質量未達到設計要求是引起塌陷的主要原因。

（3）降雨導致地下水壓力增大是誘發塌陷事故的外部因素。

（4）建議在同類隧道施工中加強施工管理，對施工質量進行檢測，確保施工質量達到設計要求，并在地下水環境發生變化時，制定相應的防排水措施，加強安全監控，從而避免塌陷事故的發生。

參考文獻：

[1]顧擁武.砂層中地鐵車站暗挖施工技術研究[C]. 城市地下空間開發與地下工程施工技術高層論壇論文集，2004.

[2]羅忠，陳明輝. 富水砂層中暗挖隧道施工沉降控制技術[J]. 現代隧道技術，2012（4）：125-131.

[3]方仁應. 淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J]. 城市建設理論，2014（35）.

[4]譚佳. 地鐵淺埋暗挖施工技術分析[J]. 城市建設，2009（30）：394-395.

[5]曾英軍. 淺埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析與控制[J]. 科技創新導報，2015（5）：72.