淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)及其地面沉降控制研究

王穎苗

（北京中領(lǐng)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京 100000）

隧道工程開挖施工在公路、鐵路、地鐵等工程項(xiàng)目建設(shè)中非常常見，由于隧道開挖需要破壞既有地層結(jié)構(gòu)狀態(tài)與關(guān)系，且會(huì)對(duì)隧洞室臨空面周邊一定范圍內(nèi)的地層應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致地面發(fā)生一定程度上的沉降。當(dāng)?shù)孛娉两党^允許范圍時(shí)，就會(huì)對(duì)上部既有建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全性產(chǎn)生威脅，因此必須引起施工作業(yè)人員的關(guān)注。在淺埋暗挖法隧道施工的過程中，對(duì)地面沉降的合理控制更是至關(guān)重要。

1 淺埋暗挖法隧道施工技術(shù)

1.1 施工原理

隧道區(qū)間開挖施工過程中選用淺埋暗挖法的基本原理：隧道工程開挖初期通過復(fù)合襯砌的方式承擔(dān)基本荷載作用力，二次支護(hù)作為荷載安全儲(chǔ)備，初期、二次支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)特殊狀態(tài)荷載作用力。圍巖結(jié)構(gòu)通過輔助工法超前支護(hù)的方式進(jìn)行加固，以調(diào)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)自身承載作用力，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選用多種開挖方法支護(hù)封閉成環(huán)，與圍巖結(jié)構(gòu)形成聯(lián)合體系，鞏固支護(hù)效果。目前，該工法被廣泛應(yīng)用于軟弱地層地下工程施工作業(yè)中，但考慮到圍巖結(jié)構(gòu)自身承載作用力不高，因此為達(dá)到對(duì)地表沉降的控制效果，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在確保支護(hù)時(shí)效的前提下盡可能提高剛度水平，通過增加支護(hù)結(jié)構(gòu)承載作用力的方式，合理降低圍巖結(jié)構(gòu)自身承載作用力，以達(dá)到控制地表沉降量的目的。

1.2 施工原則

在淺埋暗挖法隧道施工過程中，為最大限度確保開挖作業(yè)的順利進(jìn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)地表沉降量的合理控制，應(yīng)遵循以下基本原則：（1）結(jié)合淺埋暗挖作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)地層情況、既有建筑物構(gòu)造特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械的配置情況，對(duì)開挖方法進(jìn)行合理選擇。針對(duì)比較常見的大地層斷面或地層條件較差的情況，可以將分部正臺(tái)階開挖法與輔助工法結(jié)合應(yīng)用。反之，若地層斷面小或地層條件良好，則可以優(yōu)先選用全斷面開挖工法。（2）在斷面開挖過程中應(yīng)當(dāng)重視對(duì)輔助工法的選擇與合理應(yīng)用，在輔助工法應(yīng)用基礎(chǔ)之上結(jié)合實(shí)際情況優(yōu)先考慮大斷面開挖工法。（3）開挖作業(yè)面現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備投入應(yīng)當(dāng)與地層、斷面實(shí)際情況契合，按照工程造價(jià)×10.0%以上標(biāo)準(zhǔn)投入作業(yè)。（4）現(xiàn)場(chǎng)隧道開挖應(yīng)當(dāng)安排專人對(duì)通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，密切處理各關(guān)鍵施工工序、作業(yè)人員以及內(nèi)外部環(huán)境間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（5）現(xiàn)場(chǎng)開挖施工期間應(yīng)當(dāng)基于對(duì)信息化技術(shù)的應(yīng)用，合理調(diào)整與優(yōu)化工序進(jìn)度與實(shí)踐安排，以保障施工進(jìn)度與質(zhì)量水平。

1.3 施工技術(shù)

淺埋暗挖法隧道施工開挖作業(yè)進(jìn)行前，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程實(shí)際情況對(duì)開挖掘進(jìn)方式進(jìn)行合理選擇，以提高施工工法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的適應(yīng)性。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。施工過程中，原則上應(yīng)以人工開挖為主，條件允許時(shí)可配合弱爆破、短進(jìn)尺開挖工法的合理應(yīng)用，并最大限度避免圍巖結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)影響，開挖全程應(yīng)當(dāng)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)，爆破進(jìn)尺必須嚴(yán)格控制在1.0m以內(nèi)。

表1 不同類型隧道淺埋暗挖開挖掘進(jìn)方式對(duì)應(yīng)表

現(xiàn)場(chǎng)施工期間，為降低對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，最大限度控制地表沉降量，原則上應(yīng)盡可能提高支護(hù)剛度，提前支護(hù)時(shí)間，同時(shí)配合對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)條件的改良，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)方式的合理選擇。一般來說，淺埋暗挖法施工期間的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)結(jié)合對(duì)開挖現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、輔助工法、開挖方法的綜合研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式在開挖期間持續(xù)改進(jìn)。支護(hù)設(shè)計(jì)方式對(duì)應(yīng)表如表2所示。

表2 開挖期間支護(hù)設(shè)計(jì)方式對(duì)應(yīng)表

（1）土體加固施工技術(shù)。淺埋暗挖隧道施工過程中地表、地下沉降都是在初期支護(hù)作用前生成的，因此為控制沉降，必須在施工前期完善對(duì)開挖區(qū)域土體的預(yù)加固、支護(hù)施工。目前技術(shù)條件支持下常見的土體加固施工技術(shù)措施包括以下幾類：①隧道超前錨桿支護(hù)：根據(jù)工法以及結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為懸吊式支撐、格柵拱支撐等幾種類型。在開挖作業(yè)前將超前錨桿打入穩(wěn)定巖層結(jié)構(gòu)內(nèi)，末端通過懸吊錨桿提供支撐作用力，以約束圍巖結(jié)構(gòu)變形，方便后續(xù)斷面開挖以及噴錨作業(yè)，發(fā)揮土體加固的作用。②超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)：通過格柵鋼架構(gòu)建共同支護(hù)體系，同時(shí)發(fā)揮注漿管與超前管棚的加固作用，注漿過程中可選用水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿等注漿材料，注漿壓力按照0.5～1.0MPa標(biāo)準(zhǔn)控制，可確保漿液填充擴(kuò)散均勻。③超前管棚支護(hù)：在開挖隧洞外輪廓周邊按照一定間隔距離鉆孔并安裝大慣性矩鋼管，通過注漿固結(jié)的方式形成支護(hù)體系，施工期間應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制導(dǎo)向鋼管鉆孔精度以及大管棚導(dǎo)向墻施作，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全可靠。④水平旋噴支護(hù)：一種新型的巖土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，通過水平旋噴注漿在掌子面前方構(gòu)筑拱形剛性體，以此種方式支撐上部荷載作用力，控制因開挖作業(yè)所產(chǎn)生變形以及隧道開挖過程中不良地層結(jié)構(gòu)坍塌問題。該方法施工過程中在土層中水平鉆進(jìn)成孔，借助于水平狀布設(shè)注漿管，通過噴嘴自內(nèi)至外移動(dòng)完成旋噴注漿施工。支護(hù)作業(yè)期間應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格注意對(duì)漿液質(zhì)量、承載力、樁長(zhǎng)、樁位的控制。

（2）隧道開挖的施工技術(shù)。淺埋暗挖隧道開挖過程中的常見開挖技術(shù)方法包括全斷面開挖、臺(tái)階開挖、中隔墻開挖等，其基本施工流程如圖1所示，具體施工技術(shù)包括以下內(nèi)容：①全斷面開挖：適用于1～2級(jí)圍巖結(jié)構(gòu)，借助于移動(dòng)鉆孔臺(tái)車全斷面一次性鉆孔作業(yè)，爆破成型，在此基礎(chǔ)之上完成初期支護(hù)以及二次模筑襯砌施工作業(yè)，整體施工速度快、工序少，但可能因爆破作業(yè)帶來移動(dòng)、震動(dòng)擾動(dòng)，必須加強(qiáng)作業(yè)安全管理。②臺(tái)階開挖：結(jié)合實(shí)際情況劃分工作面施工以適應(yīng)地層變化，多在軟弱圍巖地層結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，在隧道開挖過程中以正臺(tái)階法比較常見，可結(jié)合實(shí)際情況通過上下兩部分步開挖、多部分步開挖等方式實(shí)現(xiàn)。③中隔墻法：建立在臺(tái)階開挖基礎(chǔ)之上，每一部分開挖后及時(shí)支護(hù)以形成閉合單元，在不穩(wěn)定巖體以及地層較差結(jié)構(gòu)中應(yīng)用頻繁。需要注意的一點(diǎn)是，若施工條件無法滿足施工要求，可以在中隔墻施作基礎(chǔ)之上增設(shè)臨時(shí)性仰拱，以交叉中隔墻的方式完成斷面開挖作業(yè)。④雙側(cè)壁導(dǎo)坑法：可以將開挖斷面大跨度施作轉(zhuǎn)變?yōu)樾】缍茸鳂I(yè)，在地層較差、開挖斷面較大隧道項(xiàng)目中應(yīng)用比較廣泛。該方法的施工原理是將隧道工程開挖斷面劃分為左右兩側(cè)壁導(dǎo)坑，上部核心土、下臺(tái)階，分別完成施工作業(yè)，過程中各個(gè)分塊開挖完成后獨(dú)立閉合，施工期間中間變形基本不發(fā)展，但由于分塊較多，擾動(dòng)較大，因此對(duì)初期支護(hù)全斷面閉合時(shí)間有較高要求。

2 工程實(shí)例

某地鐵隧道開挖工程項(xiàng)目位于S市西北側(cè)高新技術(shù)開發(fā)區(qū)，起訖里程為DK24+909.2～DK26+166.5，開挖隧道全長(zhǎng)1.2km左右，為雙洞雙線隧道。隧道開挖區(qū)間選用淺埋暗挖法進(jìn)行施工作業(yè)。開挖區(qū)間作業(yè)面為全線地下區(qū)間，埋設(shè)深度最大值為11.5m。根據(jù)前期施工方案與設(shè)計(jì)圖紙規(guī)劃，隧道開挖工作斷面為橢圓形，開挖寬度為6.7m，開挖高度為7.0m，采用復(fù)合襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行早期支護(hù)。整個(gè)隧道開挖區(qū)間位于開發(fā)區(qū)主街道下方，道路兩側(cè)既有建筑物包括商業(yè)、住宅、學(xué)校等，地勢(shì)構(gòu)造平坦，起伏波動(dòng)不大，既有建筑物與開挖隧道間距離近，地下管線縱橫交錯(cuò)，環(huán)境復(fù)雜，給淺埋暗挖施工帶來一定影響。

3 地面沉降控制

3.1 地面沉降影響因素

圖1 淺埋暗挖隧道施工基本流程示意圖

（1）隧道埋設(shè)深度。地面沉降在很大程度上受到結(jié)構(gòu)拱頂上部土層覆蓋厚度、隧道結(jié)構(gòu)跨度影響，兩者比值即腹跨比越小，地面沉降風(fēng)險(xiǎn)越大。該工程中，腹跨比＞1.0時(shí)地面沉降可控制在30.0mm范圍內(nèi)；腹跨比＜1.0的情況下，淺埋暗挖隧道施工區(qū)段地面沉降將超過30.0mm的可控范圍。

（2）圍巖結(jié)構(gòu)質(zhì)量及土層性質(zhì)。淺埋暗挖隧道結(jié)構(gòu)開挖作業(yè)結(jié)束后，上部覆土層所形成自然拱最小土層厚度直接受到土體力學(xué)性質(zhì)的影響，施工過程中憑借其穩(wěn)定性達(dá)到初期支護(hù)的狀態(tài)。但在圍巖質(zhì)量有缺陷的情況下，隧道開挖過程中覆土層難以避免出現(xiàn)坍塌問題，影響自然成拱效果，進(jìn)而對(duì)地面沉降控制產(chǎn)生不良的影響。該工程中，隧道開挖過程中若可自然成拱，則地面沉降控制難度低，反之則地面沉降控制風(fēng)險(xiǎn)大。

（3）地下水構(gòu)造及環(huán)境降水。一般情況下，隧道開挖作業(yè)面多集中在地下水位線以下區(qū)域，淺埋暗挖作業(yè)結(jié)束后地下水滲出比較明顯，并在地下構(gòu)造中形成滲水通道，地層因失水而出現(xiàn)土層收縮與空隙問題，形成較大面積沉降區(qū)段。尤其對(duì)于該工程項(xiàng)目而言，地層因淺埋暗挖所形成的連續(xù)性失水直接加大了地面沉降控制的難度。

（4）地層應(yīng)力集中釋放。在隧道淺埋暗挖作業(yè)過程中，地層位移持續(xù)增加，隧道結(jié)構(gòu)上部覆土層荷載作用力有所降低，最佳支護(hù)狀態(tài)是在滿足地層穩(wěn)定位移需求的前提下最大限度降低支護(hù)結(jié)構(gòu)承受作用力。為控制地面變形，應(yīng)按照固定值嚴(yán)格控制地面沉降，此過程中所涉及的措施包括支護(hù)、封閉成環(huán)、預(yù)加固等。

3.2 地面沉降控制措施

（1）合理排放地下水。地下水及時(shí)排放會(huì)促進(jìn)土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度水平的提高。若工程施工現(xiàn)場(chǎng)上部覆蓋地層以砂礫層為主，過度排放地下水會(huì)導(dǎo)致上部覆蓋多孔介質(zhì)土層出現(xiàn)超固結(jié)的問題，進(jìn)而給地面沉降的控制帶來難度。因此，隧道開挖過程中應(yīng)當(dāng)以確保開挖作業(yè)面穩(wěn)定性為前提，對(duì)地下水進(jìn)行合理科學(xué)排放，并結(jié)合實(shí)際情況及時(shí)封堵地下滲水通道。在此基礎(chǔ)之上，該工程開挖期間，在完成掌子面開挖作業(yè)后，通過掌子面周邊開挖與注漿加固結(jié)合的方式提高工作面穩(wěn)定性，并視情況停止排水作業(yè)。期間結(jié)合地層條件對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行科學(xué)控制，以最大限度保證注漿加固效果。

（2）科學(xué)進(jìn)行開挖施工。該工程項(xiàng)目隧道斷面開挖選用上臺(tái)階與下臺(tái)階結(jié)合方式。上臺(tái)階開挖以人工風(fēng)鎬為主，開挖臺(tái)階長(zhǎng)度在3.0～3.5m，開挖過程中人工裝車翻至下臺(tái)階，循環(huán)進(jìn)尺按照1.0m標(biāo)準(zhǔn)控制。上半斷面開挖過程中自拱部環(huán)形土開始進(jìn)行，盡可能保留中央土體結(jié)構(gòu)，發(fā)揮掌子面承載作用力，完成拱部支護(hù)后再進(jìn)行核心土開挖作業(yè)。下臺(tái)階開挖過程中該工程選用人工開挖與裝載機(jī)開挖相結(jié)合的方式，按照1.0m控制循環(huán)進(jìn)尺，自中央土體開始進(jìn)行機(jī)械開挖，左右兩側(cè)的墻體預(yù)留0.5～1.0m寬度由人工方式進(jìn)行開挖修正，開挖結(jié)束后及時(shí)封閉成環(huán)，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。配合人工開挖修正的方式使開挖輪廓線達(dá)到圓順狀態(tài)，并減少開挖作業(yè)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的不良影響。

（3）強(qiáng)化初期支護(hù)。初期支護(hù)完成后支護(hù)作用力存在一定的變化趨勢(shì)。結(jié)合已有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)超前支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以采取的措施包括控制導(dǎo)管間距、增加導(dǎo)管直徑、以及擴(kuò)大注漿加固范圍等。結(jié)合該工程隧道開挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在鋼格柵支護(hù)結(jié)構(gòu)形式下，采取了增大噴射混凝土厚度、增加錨桿直徑、增加主筋直徑的方式，促進(jìn)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度水平的提升，以達(dá)到合理控制地面沉降量的目的。

（4）及時(shí)二次襯砌。在淺埋暗挖隧道開挖作業(yè)過程中，受到斷面開挖因素影響，孔隙水侵蝕開挖結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致附加應(yīng)力水平的緩慢、持續(xù)性提升。對(duì)于該工程中所涉及的軟弱富水地層區(qū)域而言，在滲水、排水持續(xù)進(jìn)行的過程中，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生日益增大的地表沉降量。考慮到這一情況，為了盡快恢復(fù)地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，控制初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與地層剛度間的相互作用，就應(yīng)當(dāng)在初期支護(hù)開展基礎(chǔ)之上及時(shí)、盡早進(jìn)行二次襯砌，以穩(wěn)定地層變形，控制地面沉降問題。需要特別注意的一點(diǎn)是，某些特殊情形下，二次襯砌澆筑作業(yè)還可能涉及隧道開挖工作斷面邊頂拱以及仰拱分隔部分，針對(duì)兩者分界線的襯砌澆筑作業(yè)，必須適當(dāng)縮短澆筑仰拱邊墻的總時(shí)間，若澆筑環(huán)節(jié)出現(xiàn)氣泡，現(xiàn)場(chǎng)施工人員可以通過翻轉(zhuǎn)定型模板的方式予以處理。

（5）控制背后注漿。淺埋暗挖隧道斷面開挖且進(jìn)行初期支護(hù)后應(yīng)及時(shí)通過背后注漿施工的方式填充支護(hù)結(jié)構(gòu)背后間隙，并嚴(yán)格控制注漿加固壓力水平，確保填充達(dá)到飽滿效果，使初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與地層緊密固結(jié)。以此種方式彌補(bǔ)因隧道斷面開挖給地層應(yīng)力造成的不良影響，保證應(yīng)力平衡狀態(tài)，控制位移變形問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章研究了淺埋暗挖法隧道施工的基本原理以及施工原則，并就土體加固施工技術(shù)方案以及隧道開挖的施工技術(shù)的選擇與優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合某工程實(shí)例，探討了地面沉降的影響因素，如隧道埋設(shè)深度、圍巖結(jié)構(gòu)質(zhì)量、土層性質(zhì)、地下水構(gòu)造及環(huán)境降水、地層應(yīng)力集中釋放等，并針對(duì)上述影響因素，提出了針對(duì)性的地面沉降控制措施，包括合理排放地下水、科學(xué)進(jìn)行開挖施工、強(qiáng)化初期支護(hù)、及時(shí)二次襯砌以及控制背后注漿等相關(guān)內(nèi)容，旨在促進(jìn)地面沉降的有效控制，進(jìn)一步鞏固淺埋暗挖隧道施工的整體效果，值得業(yè)內(nèi)人員關(guān)注與重視。