城市地鐵隧道區間淺埋暗挖施工地表沉降控制施工技術

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，區間埋深10.56～21.86m。區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的地表沉降問題時，通常情況下根據施工工序的特點在彈性變形、失水固結、固結蠕變等方面分析原因。隧道工程的開挖作業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，使地層保持穩定，同時圍巖會形成向下變形的應力，長時間作用下則會發生地表沉降。

2.1 土層結構與力學性質原因

淺埋隧道施工作業時往往會對第四紀沉積表土層造成影響，而天然第四紀沉積表土層一般由礦物顆粒構成骨架體、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，進而骨架體液出現一定程度的錯動，最終造成了第四紀表土層的變形。孔隙水壓力具有變動性，此現象的出現與土質的滲透能力具有緊密關聯。黏土的滲透性逐步下降時，固結所需時間隨之延長。外力作用于土體后將導致土粒和孔隙內的流體發生變形，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，于該處形成應力變形現象，最終引發地表沉降。

2.2 巖層性質與地質構造原因

巖層所發生的沉降與巖層的特點、地質構造等有著密切的關系，巖層在地質結構不斷演變的過程中會出現褶皺、裂隙、斷層等特點。其中，褶皺是巖石在受力后所產生的連續彎曲變形；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生沉降，使用較多的施工技術有：環形開挖留核心土、超前小導管注漿支護、地表注漿加固地層、設置臨時仰拱、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地質特點、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，通過對多點進行監測后發現其沉降量在設計范圍內。但是在ZSK4+967.876～ZSK6+179.000 斷面，其沉降監測結果顯示基本超出了設計允許沉降值（30mm），造成這種現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，在開挖后土體的應力得到釋放，在地表以及洞頂部位發生明顯的沉降。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、路面沉降等現象，還可能導致地下管線遭到破壞、地面建筑物發生傾斜等危險。

3.1 地表注漿仿真分析

在淺埋軟弱地質的路段進行施工時，開挖作業會影地層的應力分布，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，應在設計階段做好注漿仿真分析工作，具體包含如下幾點：（1）連續注漿仿真，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，實際注漿寬度應在兩側的基礎上各增加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，寬度和厚度控制標準同上。（3）加大注漿厚度仿真，絕大部分工藝與連續注漿具有一致性，但注漿厚度提升到6m，該值等同于隧道的覆土厚度。

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

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。試驗時通常設置lm×lm 的孔距，且各孔之間呈梅花形布置，鉆孔時應確保穿過雜填土層，將水灰比控制在0.5：1～1：1 的范圍內，注漿壓力控制為0.3 MPa。注漿作業落實到位后，在相鄰兩孔間取樣檢測，可見芯樣內存在部分水泥結實體，再經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時，確保洞壁、掌子面不出現涌水、涌泥、崩塌等現象，并且對該段的地表沉降情況進行監測時保證起沉降值在設計允許的30mm 范圍內，表明注漿技術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，易導致圍巖失穩或嚴重抑制成拱效應。從圍巖自穩時間的影響因素來看，與圍巖強度和超前預加固方式具有顯著關聯[4-5]。對此，通常采取注漿預加固處理措施，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，再通過環形開挖留核心土的方式有序組織開挖作業，經上述流程后可取得較好的地面沉降控制效果。而對于地質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）地表注漿施工區域為超淺埋地段洞頂雜填土層，以隧道邊線為基準，兩側分別加寬2m，以此作為注漿寬度控制標準。

（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水體匯聚至隧道內的情況。

（3）鉆進成孔，注漿孔孔徑取110mm，在此基礎上適當增加8mm，以作為套管管徑控制標準。注漿管應觸底，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，向中間逐步推進的過程中可適當增加壓力。

3.4 地表注漿前后沉降對比分析

監測數據表明：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對地表沉降的控制。

經地表注漿作業后，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 結束語

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