城市淺埋暗挖隧道地層變形規律及控制方法

成冬

摘要：對于城市公路隧道而言，施工區域周邊環境復雜是其最為顯著的特點，表現在隧道緊鄰建構筑物，往往要穿越交通流量較大的城市主次干道，且隧道埋深較淺，隧道施工對周邊環境影響大，安全事故的發生會帶來惡劣的社會影響。因此，為了保障隧道施工安全及最大限度地降低隧道施工對周邊環境的影響，選擇合適的施工方法是關鍵。

關鍵詞：城市;淺埋暗挖法;地層變形規律

1、工程概況

某城市淺埋暗挖隧道段西線端樁號K12+710—K13+587.1，全長877.1m、東線端起訖樁號K12+700—K13+569.1，全長869.1m。工程段主要位于⑩-2層粉質黏土混碎石、⑩-3層含礫粉質黏土、?k1c-1層全風化凝灰灰質粉砂巖、?k1c-2層強風化凝灰質粉砂巖、?k1c-3層中風化凝灰質粉砂巖、?s2k-2層強風化粉砂巖。工程區屬錢塘江水系，地面隧道下穿沿山河，沿山河平行于天目山路，河道寬30余米，河道與西溪濕地相通，河水漲落與大氣降水補給有關。場區水文主要分為地表水系和地下水。

2、地層變形規律

2.1地層豎向變形

通過對某城市隧道土建工程淺埋暗挖隧道地表變形進行監測，得到該地區典型地層變形規律。隧道開挖后，圍巖首先會發生應力重分布，導致地層變形，形成典型的地表沉降槽。由此可知，在掌子面未到達監測斷面之前，施工擾動對地層的影響較小，地層豎向變形不明顯;地層豎向變形從CRD1部開挖通過時開始增加，且變形速率呈增大趨勢，直至掌子面通過監測斷面一段時間之后豎向變形速率開始減小，即沉降變形接近穩定。可見，隧道掌子面初支的封閉成環對圍巖的變形影響較大，為變形控制的關鍵，施工時應盡早使仰拱閉合，以減小圍巖的變形量。為統計出地層豎向變形規律，定義L/D為掌子面與監測斷面的當量距離（其中，L為掌子面與監測斷面實際距離，D為隧道跨度），對當量距離L/D與監測斷面地層豎向變形之間的關系進行研究。研究表明，可將隧道施工對地表的影響歸納為四個變形階段，即第一階段為超前微小變形階段，-2.03.0，該階段后沉降基本趨于穩定。

2.2地層縱向變形

隨著掌子面的不斷推進，隧道東側拱頂沉降的變化與分布，地層變形具有明顯的時空效應，沿隧道縱向地層變形存在超前和滯后兩方面特征。通過對隧道施工拱頂沉降變化及分布規律進行總結，得沿隧道縱向軸線所產生的地層變形的一般規律。地層縱向變形可劃分為三個區域，即前期變形區、施工變形區和后續變形區。前期變形區：當隧道開挖工作面尚未到達該區域，由于工作面支護力不足等原因，導致工作面前方巖土體向后、向下移動，該區域地層表現為微小下沉。施工變形區：在施工階段，由于隧道開挖，隧道周邊的巖土體必然向隧道內移動，一方面隧道開挖后不可能馬上提供支護，另一方面支護也不可能完全阻止地層向隧道內的變形，施工變形區地層必然出現較大的下沉，施工變形區地層變形通常在1月內完成。后續變形區：在隧道開挖工作面通過后的很長一段時間內，后續變形區地層變形仍在不斷發展，后續變形區地層變形主要是由于土體的次固結沉降和蠕變變形引起的。

3、地層變形控制方法

3.1在掌子面對隧道周邊地層進行注漿處理

淺埋暗挖隧道第VI標段設計以V、VI級圍巖為主，其中V級圍巖784m、VI級圍巖93.1m。從進洞起始，相繼穿越淤泥質粉質黏土、粉質黏土、含礫粉質黏土、粉質黏土混碎石、含礫粉質黏土、全風化凝灰質粉砂巖、強風化凝灰質粉砂巖、中風化凝灰質粉砂巖、強風化粉砂巖，地層總體呈“上軟下硬”，以軟弱圍巖居多。本工程針對軟弱地層及下穿城市主流交通要道采用超前管棚（分為Φ108mm大管棚、Φ89mm中管棚）、周邊預注漿、超前小導管注漿（Φ42mm）等注漿加固工藝，改善圍巖工程特性，有效控制了地層變形。暗挖隧道從明暗交界段的北口豎井進洞，洞口段埋深最淺處僅9.2m（地面標高至拱頂標高），洞口段為Ⅵ級圍巖，主要為淤泥質粉質黏土，含水率較高，隧道洞口圍巖易受隧道施工擾動而產生變形，其施工安全風險相對較大。暗挖隧道進洞段通過施工超前大管棚對隧道周邊地層進行預加固，改善地層特性，提高周邊土體c、φ值，從而有效的控制了進洞段地層變形，成功保證進洞段的施工安全。

3.2地層含水率控制

地下水的存儲會對巖土體的物理力學性質造成一定的削減，因此本工程地下水控制在一定程度上影響隧道施工風險大小。由于隧道東西兩線同時下穿沿山河，為降低沿山河段隧道圍巖含水率，控制地層變形，隧道穿越河流施工前對河流采取“截”、“引排”措施（黏土圍堰+導流管），減小河水的下滲量和開挖面土層含水率。并在圍堰內設置拉森鋼板及高壓旋噴樁，防止河道下部地下水朝水平向滲透，兩者協調配合，將地下水這一風險源帶來的施工風險降到最低。

3.3初支背后注漿

由于隧道施工過程中出現超挖現象，導致隧道初期支護及圍巖不密實，隧道初期支護后處于空腔狀態，支護與圍巖間不能變形和受力，造成圍巖變形加速。為進一步控制隧道圍巖變形，將隧道施工過程中通過對初支背后進行注漿加固，最大程度的減小由于初支背后空腔引起的附加地層變形。

3.4確定合適循環進尺

循環進尺越小，隧道開挖對地層的擾動越小，但同時也會增加工期和施工難度，故應結合具體監測數據確定循環進尺的大小。根據隧道現場實際地質情況及類似工程經驗，施工過程中采用50cm的循環進尺進行施工，進行支護。現場監測數據顯示，在此循環進尺下地層變形正常，無異常變形情況發生。

3.5增加初期支護剛度

對于軟弱地層隧道施工，通過提高初期支護的承載力、抗變形能力和保持拱腳的穩定性，可有效避免地層大變形。通過對隧道原設計拱架體系進行優化，在原有系統錨桿的基礎上增設鎖腳鎖腰錨桿，同時增加Φ22U型筋將錨桿與拱架鎖緊卡死，牢固焊接成整體，使拱架形成良好的剛性支撐體系。

3.6按路面對地表沉降控制標準要求的驗證

由于城市建設對路面的影響主要在于地面沉降和開裂，降低了日常行車的舒適度，只要隧道施工中嚴格控制施工質量，就不會影響道路的安全。通過綜合分析對比路面修復和控制地表沉降，認為城市施工中控制地表沉降達到30mm以內所投入的費用遠高于路面修復的費用，且時間較長，故此地表沉降對路面的影響不作為制定地表沉降控制基準值的考慮重點。

4、結語

對于城市淺埋隧道，進尺長度應慎重。盡量采用短進尺，一方面有利于降低施工對圍巖的擾動，另一方面縮短了開挖后土體的裸露時間，應盡早完成支護，對土體變形進行約束，同時圍巖的完整性、埋深是影響圍巖發生水平、豎向位移的重要因素。我國各個城市的地質特點不同，因此我們結合地區地質特點，以現場監測數據為支撐，對地層豎向、縱向變形規律進行研究，得到了該地區地層沉降典型規律。針對地層變形影響因素，并結合現場施工實際情況提出了一系列地層變形控制方法。

參考文獻：

[1]JTGD70—2004公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]TB10003—99鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，1999.