大跨度地下工程淺埋暗挖法施工技術與安全風險控制*

羅立娜

廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510430

隨著地下工程施工技術水平的日益提高，地下空間開發(fā)利用向大跨度、多功能、深地下和立體式方向發(fā)展。自20世紀80年代淺埋暗挖法施工技術首次在軍都山鐵路隧道[1]獲得試驗成功以來，我國工程技術人員經(jīng)過幾十年的工程實踐，不斷創(chuàng)造和發(fā)展了一系列適用于大跨度地下空間的淺埋暗挖法施工技術，如中洞法、側(cè)洞法，洞樁法、拱蓋法等，然而由于大跨度地下工程跨度大、埋深淺、斷面形式多樣，淺埋暗挖施工受技術復雜、作業(yè)循環(huán)多、支撐體系轉(zhuǎn)化多、建設工期長、缺少科學管理、監(jiān)控量測自動化程度低等不利因素影響，存在著諸多風險因素，如缺少科學管理，極易引發(fā)滲漏、塌方、地表沉陷等事故。

1 淺埋暗挖法關鍵施工技術

1.1 施工工法

大跨度地下工程采用淺埋暗挖法施工時，常用的施工工法有中洞法、側(cè)洞法、洞樁法（PBA法）和拱蓋法[2-3]，其施工工序和特點如表1所示。

表1 大跨度地下工程淺埋暗挖施工工法和特點

以上施工工法主要是通過增加開挖分塊，將變大跨為小跨，并利用地層特點盡早建立內(nèi)支撐體系，達到緩解地表沉陷的目的。施工時，需綜合考慮地質(zhì)情況、斷面大小、施工安全、工期、造價等因素，選用合適的施工工法，做到安全、經(jīng)濟、快速施工。

1.2 輔助施工措施

在大跨度地下工程淺埋暗挖法施工過程中，常因地應力釋放和重分布引起地層變形，造成洞內(nèi)塌方、地表沉降，甚至地面塌陷等事故，因此開挖前必須根據(jù)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等采用相應的輔助施工措施，如降低地下水位、超前錨桿、超前鋼插管、地層注漿、地層凍結(jié)等，以加固地層，確保安全穩(wěn)定開挖[4]。

（1）降低地下水位。當在富水且滲透性好的地層中進行淺埋暗挖法施工時，可通過降低地下水位提高噴錨支護安全，穩(wěn)定圍巖。城市地下工程應確保降水引起的沉降不會對周邊構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全造成危害。降低地下水位通常采用地面降水法或洞室內(nèi)輔助降水法，不宜采用集中宣泄排水法。

（2）超前錨桿、超前鋼插管。通過在開挖面前方超前打入錨桿或鋼插管，將圍巖若干層組合成厚層，將節(jié)理發(fā)育的巖體串聯(lián)在一起阻止巖塊沿裂隙面滑移，從而在洞室周邊形成一定厚度的承載環(huán)，充分發(fā)揮圍巖自承能力，提升掌子面的穩(wěn)定性，阻止圍巖因過大變形而坍塌。

（3）地層注漿。地層注漿加固的機理主要有以下兩種。一是利用壓力將漿液注入地層，使?jié){液滲透、擴散到地層的裂隙或孔隙中，以阻斷地下水通道，改善圍巖物理力學性能，在擬建地下工程周圍形成一個既能止水又有一定強度的硬殼固結(jié)體，具體做法有管幕法、超前大管棚、超前深孔注漿、超前小導管注漿、初支背后回填注漿等。二是利用高壓設備噴射出來的漿液沖擊破壞土體，將漿液與土顆粒強制攪拌混合，在開挖輪廓外圍形成一圈膠結(jié)體，從而提高圍巖的強度和抗?jié)B性，如水平旋噴法等。

（4）地層凍結(jié)。首先在開挖面周圍地層中鉆孔敷管，利用人工制冷技術將土體中的水凍結(jié)為冰并與土體膠結(jié)在一起，在結(jié)構(gòu)輪廓外圍形成一個臨時加固體，然后在凍結(jié)體的保護下開挖施工，待襯砌支護完成后，凍結(jié)地層逐步解凍，恢復到原始狀態(tài)。凍結(jié)法加固圍巖的強度高，整體固結(jié)性和止水性好，對環(huán)境影響小，適用于淤泥、松軟泥巖、松散沖積層、裂隙發(fā)育的含水巖層，以及飽和含水和水頭特別高的地層。

2 淺埋暗挖法施工風險管理

2.1 智慧施工管理平臺

大跨度地下工程淺埋暗挖法施工工序多、技術復雜、敏感度高，傳統(tǒng)監(jiān)測技術很難滿足頻率、精度的要求。隨著網(wǎng)絡信息技術和數(shù)據(jù)處理技術的飛速發(fā)展，利用光纖光柵自動化監(jiān)測、光電式雙向位移計自動化監(jiān)測、分布式光纖自動化監(jiān)測、3D數(shù)字攝影測量、三維激光掃描儀等智能化監(jiān)測技術[5]，可對地下水位、周邊收斂、拱頂沉降、鋼拱架應力和掌子面變形等項目進行實時監(jiān)測。

與此同時，智慧施工管理平臺利用BIM技術，以具體工程為依托，建立三維數(shù)字模型，可對監(jiān)測點及監(jiān)測數(shù)據(jù)實行可視化管理。平臺通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、無線傳感網(wǎng)絡傳輸和數(shù)值模型展示，讓項目管理人員及時掌握地表沉降、圍巖和支護體系的工作狀態(tài)及施工對周圍建筑物的影響；通過有限元反分析計算方法，修正地層參數(shù)，預測開挖面前方一定范圍內(nèi)的未來動態(tài)，評估施工風險，調(diào)整設計參數(shù)和施工工序。在風險評估的基礎上，平臺自動識別主要風險源，啟動分級預警機制，再由項目部執(zhí)行相應等級的風險管控措施。

2.2 施工安全風險監(jiān)控內(nèi)容

根據(jù)大跨度地下工程淺埋暗挖法施工特點和關鍵技術，有針對性地對施工過程各個方面進行風險識別和評估，明確施工安全風險監(jiān)控內(nèi)容[6]，具體如表2所示。

表2 淺埋暗挖施工安全風險監(jiān)控內(nèi)容

2.3 施工風險管理流程

基于施工安全風險監(jiān)控內(nèi)容，通過智慧施工管理平臺建立施工安全風險管理分析框架，按照“分區(qū)、分級、分階段”的綜合風險分級管控程序，使技術人員能夠根據(jù)大跨度地下工程狀態(tài)采取精準的風險控制措施，實現(xiàn)對大跨度地下工程建設安全風險的日常管理與應急管理。施工風險管理流程如圖1所示。

圖1 施工風險管理流程

2.4 施工措施

為有效控制施工風險，大跨度地下工程淺埋暗挖法施工嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的原則，并根據(jù)以往工程實踐經(jīng)驗，針對特殊地層、施工工藝、關鍵部位和周邊環(huán)境等采取相應的施工措施。

（1）特殊地層處理。粉細砂地層自穩(wěn)性差，施工時不能帶水作業(yè)，必須采取注漿加固處理后，方能開挖，否則會出現(xiàn)流砂或大面積坍塌；砂、卵石地層在臨空的情況下易失穩(wěn)，在該地層中開挖應先封閉掌子面，再打管注漿；軟～流塑狀地層土顆粒小，漿液難滲透，一般采用低壓劈裂注漿法，小間距布孔，間歇性注漿。

（2）爆破施工。由于覆土薄，圍巖自穩(wěn)能力差，淺埋暗挖法爆破施工風險大，施工過程中，需合理布置掏槽孔和周邊孔，采用減振開挖方案，控制最大裝藥量，同時避免因振波疊加而加大爆破振動。施工期間，每次放炮必須進行爆破振速量測，以便及時調(diào)整鉆爆參數(shù)，減輕振動，減少對圍巖的擾動。

（3）開挖支護。淺埋暗挖法開挖支護是施工中的重大風險源，開挖時應首先做好超前地質(zhì)預報工作，及時了解圍巖地質(zhì)水文情況，若地層自穩(wěn)能力差，則應采用超前支護加固，開挖后盡快進行初期支護，盡早封閉成環(huán)，減少圍巖暴露時間。同時，根據(jù)圍巖變化和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時調(diào)整工法，制訂加固方案。

（4）受力復雜部位施工。對出入口、陡坡段、變斷面、馬頭面、明暗法結(jié)合處、施工工序轉(zhuǎn)換等受力復雜部位進行識別，變斷面處由于受力轉(zhuǎn)換比較復雜，施工中易引起坍塌，是大跨度地下工程淺埋暗挖法施工的一大難點。施工中需按不同的斷面轉(zhuǎn)換類型考慮應力集中及洞室之間力學效應，遵循淺埋暗挖法基本原則，根據(jù)斷面間相互關系和施工工法，采用超前支護加固圍巖，利用格柵掛網(wǎng)噴射混凝土實現(xiàn)斷面過渡，并及時模筑混凝土襯砌。

（5）下穿建筑物、管線施工。大跨度地下工程施工影響范圍大，應對周邊建筑物進行加固處理，并采取相應的保護措施，合理選擇隧道開挖支護方法和輔助施工措施，加強靠近建筑物基礎一側(cè)的初期支護背后回填注漿。通過監(jiān)控量測，準確掌握建筑物的變形發(fā)展趨勢和變化規(guī)律，及時采取有效措施，確保建筑物安全。地下工程穿越管線施工時，施工前要改移距結(jié)構(gòu)較近的雨、污水管，施工中要密切監(jiān)測燃氣、自來水管的動態(tài)沉降，若管線滲漏嚴重，則應在施工過程中進行定位注漿，并對周邊地段進行檢查和實時量測。

2.5 施工管理措施

加強施工現(xiàn)場安全管理是大跨度地下工程淺埋暗挖法施工安全的關鍵。在施工準備階段，通過開展深入的施工調(diào)查，在綜合分析地質(zhì)情況、斷面類型、周邊環(huán)境等影響因素的基礎上，明確地下工程施工風險，以便工程技術人員采取具有針對性的管理措施。項目部成立安全生產(chǎn)領導小組，實行各級各部門安全崗位責任制，建立健全安全保證體系和安全檢查制度，并針對大跨度地下工程特點，制定崗位作業(yè)標準、安全防護規(guī)則、安全操作規(guī)程及應急預案。在施工階段，組織有關人員宣傳、貫徹執(zhí)行各種安全生產(chǎn)法律、法規(guī)及制度，定期召開安全例會，加強安全生產(chǎn)教育，提高全員安全意識；落實技術措施，組織各種形式的檢查活動，認真排查不安全因素和隱患，從源頭上控制危險源，形成“檢查—整改—驗收”的閉環(huán)管理。此外，積極推廣新技術、新工藝、新設備，解決施工生產(chǎn)中的安全問題。

3 結(jié)束語

大跨度地下工程是一項復雜的高風險系統(tǒng)工程。淺埋暗挖施工時，依據(jù)工程地質(zhì)水文情況、周邊環(huán)境、工程規(guī)模、覆土埋深及工期等因素，選用合適的施工工法和輔助措施。為了讓技術人員及時準確地掌握施工狀態(tài)，文章提出將現(xiàn)代監(jiān)測技術與網(wǎng)絡信息技術、數(shù)據(jù)處理技術相結(jié)合，通過建立智慧施工管理平臺，對淺埋暗挖施工風險監(jiān)控內(nèi)容進行全方位的跟蹤、監(jiān)測、評估、預警，并針對性地采取一系列施工風險控制措施。