北京特殊地質隧道施工變形機理與對策分析

孫玉輝，孫增偉，王金明，南文勝

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

1 工程概況

某地鐵區間風井斷面為矩形斷面，開挖尺寸寬 7 m×長14.6 m，開挖深度 28.25 m，采用倒掛井壁法分三部分施工(三部分凈尺寸分別為 6.3 m×4.85 m、6.3 m×3.6 m、6.3 m×4.85 m)，初支厚度 0.35 m，臨時中隔壁厚度 0.3 m；風道斷面為雙層拱頂拱底直墻斷面，開挖尺寸寬 12.9 m×高 16.67 m，覆土厚度為 9.98 m，采用雙側壁導坑法分四層施工，初支厚度 0.35 m，臨時仰拱及臨時中隔壁厚度 0.3 m。具體結構尺寸如圖1所示。風道垂直下穿城市主干道、雨水、污水和燃氣管線等一級風險源。

圖1 工程地質剖面圖及風井風道結構、環境相互關系圖

場地巖土主要為人工填土，新近沉積土，粉細砂、粉土及軟塑性粉質黏土等。共存在三層水。

具體各風險源與地下結構相對位置平面關系、水文地質情況如圖1所示。

1.1 風井及風道的初期支護設計

風井、風道初期支護設計參數如表1、表2所示。

豎井初期支護參數 表1

風道初支支護參數 表2

1.2 施工方案設計

開挖區間風井井口土體至鎖口圈梁底部，壓實鎖口圈底部土體，整體澆注井口鋼筋混凝土圈梁，并預埋好各種預埋件；然后向下開挖土方，逆作法施作初期支護：掛鋼筋網、架鋼格柵及工字鋼角撐、初噴混凝土，焊豎向連接筋，噴混凝土至設計厚度；重復上述步驟向下開挖，開挖步長同格柵間距，直至井底并封底，待區間風井封底后，由下往上分段分區施作區間風井二襯結構，分段長度不大于 5 m，待區間風井二襯結構施做完畢且混凝土達到強度后，分層、分區破除區間風井初支結構側向井壁，并分層、分區開挖區間風道土體。鑿除馬頭門范圍內井壁混凝土時，應同步架設區間風道格柵鋼架并與井壁格柵焊接牢固，前三榀格柵聯排，待架設完畢后，打設超前小導管，開挖區間風道土體，并及時施作初期支護。

區間風道分四層三列共12部分開挖，各層導洞采用臺階法并留設核心土開挖，臺階長度 2 m～4 m，上下相鄰導洞錯開間距不小于 5 m。風道開挖步長為格柵間距。具體風井、風道結構形式及尺寸如圖2所示：

圖2 豎井、風道、鎖口圈結構圖

1.3 施工過程中地下水處理方案

采用深孔注漿止水方法對施工過程中遇到的水進行處理。豎井開挖過程中：開挖土方遇到水時，對風井四周 2 m范圍內土體進行深孔注漿，確保形成止水帷幕，保證無水施工；風道開挖過程中同樣采用全斷面 2 m范圍內深孔注漿進行止水及土體加固。

1.4 監測方案設計

根據風險源情況，監測項目為施工影響范圍內的周邊環境及結構自身變形。具體為：地表及道路沉降、地下管線沉降、豎井鎖口圈梁沉降、橫通道洞內收斂及拱頂沉降等。具體監測布點圖如圖3所示。

圖3 豎井、風道監測點布設圖

2 施工中遇到問題及原因分析

2.1 風井

風井在開挖至10 m時遇到第一層水，開挖至 13 m時水量較大，風井側壁出現滲水流砂現象，開挖至 17 m時由于風井鎖口圈及周邊環境監測點沉降量較大暫停開挖并臨時封底。期間采取打設降水井(3月18日開始打設降水井，在基坑周邊共打設8眼降水井，并于3月26日開始抽水，連續抽水3天)、風井周邊地表深孔注漿(4月4日～4月11日期間風井暫停開挖，連續進行地表深孔注漿)等措施控制鎖口圈及周邊地表沉降。具體風井自身結構(鎖口圈)、周邊地表監測點沉降時程曲線如圖4所示，根據開挖進度所行車的坑邊沉降槽如圖5所示：

圖4 沉降時程曲線圖

圖5 基坑周邊沉降槽

根據監測結果(圖4、圖5)，可以發現：

(1)風井周邊監測點及鎖口圈結構監測點整體沉降量較大，周邊地表最大沉降量 -54.05 mm，鎖口圈最大沉降量 -66.35 mm。并且鎖口圈沉降量整體大于周邊地表沉降量。

(2)沉降量主要發生在風井開挖 10 m～17 m期間，期間沉降量占總沉降量60%。

(3)風井周邊沉降槽明顯，說明周邊地表沉降主要原因是風井開挖施工造成的。

通過精細化的監測，綜合各方面的因素，對造成以上變形異常的原因分析如下：

(1)工程地質。風井處人工填土厚度約 1.0 m左右，新近沉積土厚度約 8.5 m，新近沉積層土質軟，結構性、均勻性較差，工程性質不穩定，承載力較小，對施工擾動敏感，易產生變形。

(2)風井開挖使用的龍門吊安裝在鎖口圈結構上。施作鎖口圈時只對鎖口圈底部土體進行壓實處理，并未做任何加固或換填處理，鎖口圈結構直接坐落在新近沉積土上。根據驗算，新近沉積土的承載力遠小于龍門吊自身重量及其運行過程中所產生的震動荷載，導致鎖口圈結構沉降較大。

(3)未做鎖腳錨桿。根據風井初期支護設計參數(如表1)，風井初期支護并未設置鎖腳錨桿。現場巡視發現風井初期支護噴射混凝土存在不密實現象，造成初期支護與巖土之間密貼不實，鎖口圈底部土體承載力不足造成初期支護與土之間的摩擦力不足。造成鎖口圈下沉過大并且整體大于周邊地表監測點沉降量。

(4)未進行降水。風井開挖至10 m～17 m期間遇到第一層滯水，設計采用的逐漸止水效果不好，現場巡視發現豎井開挖過程中坑壁出現滲水流砂現象，造成豎井側壁巖土水土流失，造成豎井周邊地表沉降。

2.2 風道

風道施工按圖2所示順序進行開挖。開挖對應地表沉降監測點沉降時程曲線如圖6所示，對應地表不同時期沉降槽如圖7所示，以隧道中心對應地表點為例，各導洞開挖造成對應地表沉降量及占總沉降量比例如表2所示。

圖6 風道對應地表沉降時程曲線圖

圖7 風道對應地表沉降槽

隧道中心線對應地表監測點各導洞通過時沉降量及比例統計表 表2

從圖6、圖7及表2中可以看出：

(1)隧道開挖造成其對應地表沉降量整體過大，其中隧道中心線對應地表沉降量最大，最大值為 -148.06 mm，遠超過規范規定控制值及道路評估變形允許值。

(2)隧道開挖過程中2#、3#導洞通過時開挖造成沉降量比例較大(2#導洞沉降量占總沉降量的17.86%，3#導洞沉降量占總沉降量27.49%)，中間導洞開挖對地表沉降影響最小，只占總沉降量3.5%左右。隧道斷面尺寸、上層導洞擾動土體及群洞效應是響應地表沉降量大小的關鍵因素。

(3)在隧道開挖過程中，9、10#導洞開挖相對7、8#導洞開挖造成沉降比例相對較大，9、10#導洞開挖過程中遇到⑥2粉土及層間水，開挖過程中側壁、拱角處滲水較大，造成水土流失及初期支護格柵拱腳脫空，受力不佳。由此可看出施工過程中滲水、水土流失是造成地表沉降的主要原因。

(4)地表沉降槽明顯，說明隧道開挖是造成周邊地表沉降最主要原因。

(5)9月～12月導洞暫停開挖，期間地表沉降量幾乎無變化。具體如圖5所示。

綜合各方因素，造成以上結果的原因分析如下：

(1)工程水文地質條件。

①根據勘察及現場驗證，風道拱部 500 mm以上有粉細砂夾層，并伴有層間水存在，在導洞1、2、5#開挖過程中水量較大；風道3、4、6#導洞開挖斷面存在粉細砂層，位于第二層潛水層，在導洞開挖過程中滲水量較大，造成部分水土流失，造成沉降量過大。

②根據現場地質描述，風道開挖斷面巖土為含水率飽和狀態軟塑性粉質黏土，該地層暴露時間較長易造成水分散失。該地層為北京西北山前地區特殊地層。

(2)施工過程中拱頂土體擾動、格柵兩側拱腳脫空，受力較差。

施工過程巡視發現拱頂工程地質較差，土體松動并伴有滲水、開挖過程中拱頂擾動較大，偶爾發生土體塌落，架設格柵時格柵距離圍巖空隙較大。格柵拱腳處滲水、粉質黏土地層經水浸泡后變成軟塑狀態，承載力較差，另外施工鎖腳錨桿不及時，均造成格柵拱腳受力點較差或沒有支點，格柵處于懸空狀態，以至于格柵整體下沉，根據隧道洞內監測最大拱頂沉降為 75.16 mm。如圖8所示：

圖8 風道1#、2#導洞洞內拱頂沉降

(3)隧道斷面較大，拱頂過于偏平及開挖過程中群洞效應也是造成地表沉降過大的原因之一。另外設計深孔注漿止水長度不滿足該地層止水要求，無法達到止水效果。

3 變形控制對策及效果

3.1 風井開挖

(1)打設降水井降水

豎井在開挖10 m～17 m期間，側壁滲水流砂嚴重，原設計深孔注漿止水效果不理想。建議采用降水井降水。3月18日開始在豎井周邊共打設8眼降水井(其中7眼 35 m，1眼 50 m)，并于3月26日開始連續抽水3天。根據變形監測發現在豎井暫停開挖只進行降水的情況下，豎井周邊地表每天沉降速率仍很大(具體詳見圖2所示)。綜合判斷目前進行降水已晚，已不足彌補深孔注漿效果不理想造成側壁滲水流砂嚴重問題，降水可能造成周邊地表進一步下沉。3月29日停止全部降水井抽水，包括豎井南側距離坑邊 5 m的生活用水井的使用。

為驗證降水井降水可能造成周邊地表進一步下沉，在新生活用水井(井深 80 m，距離坑邊 100 m)周邊布設地表沉降監測點(X-01距離井 5 m，X-02距離井 15 m，X-03距離井 25 m，X-04距離井 45 m)。具體各監測點變形時程曲線如圖9所示。可以看出：降水造成的沉降為大范圍區域沉降，沒有明顯的沉降槽。生活用水井自開始投入使用經過4個月時間周邊地層才固結完成，其中前30天沉降速率較大，最終由于抽水地層固結造成周邊地表沉降量穩定在 -25.00 mm左右。可見單純依靠降水井降水無法滿足要求。

圖9 新生活用水井周邊地表監測點沉降時程曲線

(2)地表深孔注漿

打設降水井控制地表進一步沉降效果不佳的情況下，決定采用在豎井周邊進行地表垂直深孔注漿，作為豎井內深孔注漿止水方法的補充。4月4日～11日開始在豎井周邊進行深孔注漿，注漿范圍為豎井周邊含水地層。從圖2中可看出：注漿造成坑邊C2測點連續幾天上升，其余監測點均未出現明顯反應，但從整體上來看自地表深孔注漿后沉降時程曲線變緩，沉降速率變小，施工過程中滲水流砂現象得到一定的緩解。這說明地表深孔注漿有效地補充了豎井開挖過程深孔注漿止水方法，有效地控制住了豎井周邊地表的快速沉降。

(3)完善設計、加強措施

在原有設計的基礎上，增設倒掛井壁初支格柵的鎖腳錨桿，確保格柵背后噴混密實，進行小壓力初支背后回填注漿。確保初支結構和其背后巖土的密貼性，增大初支與巖土之間的豎向摩擦力。

3.2 風道開挖

(1)加強深孔注漿，確保注漿形成止水帷幕及加固地層。

施工過程加強掌子面全斷面深孔注漿，以開挖掌子面斷面出現交叉、平行的漿脈為判斷效果標準。針對風道3、4、6#導洞位于第二層水潛水層，開挖斷面中有粉細砂層，滲水量較大，采取從上層導洞向下深孔注漿、在洞內針對粉細砂層水平深孔注漿止水及采用化學漿液注漿等多種措施；同理，從風道第2層導洞向下對風道第3、4層進行注漿。及時多次進行初支背后回填注漿。

(2)在拱腳處下墊實300×400×50 mm木板，并增設初支格柵鎖腳錨桿數量。確保格柵有受力點，不懸空，控制住格柵拱頂的沉降發展。

(3)加強管理，確保交接班無縫銜接。

采取24小時三班倒不間斷作業，確保交接班無縫銜接，減少巖土體暴露及交接班時格柵封閉成環時間，嚴格按照淺埋暗挖“十六字方針”執行。

3.3 效果分析

在針對性措施實施下、精細化監測及安全巡視風險管控下，風井及風道順利施工完成，隧道結構及周邊環境變形逐漸趨于穩定，累計變形量均在有效安全范圍內，未發生結構自身及周邊環境安全事故。

4 結 論

(1)北京西北山前地區存在一層軟塑性粉質黏土，根據現場地質描述及室內試驗，該地層土孔隙比、空隙率及飽和度均較大，局部處于完全飽和狀態，在無水情況下還具有一定的承載力，有水的情況承載力很差，且伴隨滲流水易發生水土流失現象。

(2)水土流失是致使豎井、隧道開挖對應地表沉降的主要原因。北京西北山前地區軟塑粉質黏土地層地下工程施工過程中易采用地面降水+深孔注漿綜合措施控制帶水作業。

(3)倒掛井壁工法開挖豎井，初支結構與井壁之間的摩擦力不足、鎖口圈尺寸不足、鎖口圈下方土體承載力不足均是造成結構自身沉降的因素。

(4)降水會造成大范圍地層的固結沉降，根據本文研究結果可知：北京西北山前地區施工降水造成的地層固結變形量約為 -25 mm。

(5)加強施工管理，嚴格按照設計規范施工是控制地表沉降過大的根本。

(6)“監測是施工的眼睛”，合理正確的監測能動態指導施工，引導設計方案優化調整，做到信息化施工。可根據現場巡視情況和監測數據綜合判斷結構自身及周邊環境等風險源是否處于可控狀態。最大限度地規避風險，避免人員傷亡和環境損害，降低工程經濟和工期損失，為工程建設提供安全保障服務。

(7)本文對北京西北山前地區軟塑粉質黏土地層變形機理分析及施工所采用的對應措施可為類似工程設計和施工提供實例參考。