淺埋暗挖電力隧道穿越砂卵石地層時地上建筑物沉降控制研究

◎馬儒良

前言：

淺埋暗挖法具有靈活多變、不拆遷、不影響交通、不破壞環境、綜合造價較低、支護強度高等優點，在我國地下工程中得到了廣泛的應用。由于砂卵石地層非常松散，無粘結性，作為隧道圍巖自穩能力幾乎為零，因此隧道開挖前須進行超前支護，以提高砂卵石層的自穩能力。如何控制建筑物（構筑物）和相關管線的沉降，保證建、構筑物的安全和人員安全，是穿越卵石地層淺埋電力隧道施工的關鍵。為此需對砂卵石地層隧道施工的地面沉降控制進行研究。

一、電力隧道修建的必要性

電力隧道是城市交通不斷發展的結果，世界上，很多諸如巴黎、倫敦等歐美城市交通發展趨勢都已呈現為地下化，他們的城市交通配電線路地下化比例已接近100%，對比我國目前很多仍以架空線路為主的城市來說，修建實行輸電和配電線路的電力隧道已經十分必要。通過修建電力隧道可以改善城市面貌，節約城市地上空間資源，通過穩定的地下輸電和配電可以給城市發展帶來巨大的社會和經濟效益。

二、淺埋深挖技術特點及原理

淺埋暗挖技術實施的項目多數會使用矩形框架來建造市政工程隧道，只有少數的工程會使用拱形框架。某工程項目如圖1 所示。淺埋暗挖技術的施工要點主要分為以下五點：圍護框架、降低基坑內的水位、開挖土方石、主體框架建設、施工后的恢復工作，這五點在開挖過程中需要格外注重。淺埋暗挖技術在施工中使用最為頻繁的支護方法是樁和內支撐物以及錨桿為一體的方法。隧道淺埋暗挖支護工程隸屬于臨時性的工程項目，但是在具體施工期間會貫穿于全過程中，所以施工期限比較長。隧道淺埋暗挖支護具有多種不同的類型，在整體上非常復雜，且施工規模很大，在施工期間會面臨各種各樣的問題，施工環境或隨著地質情況導致復雜系數逐漸增加，主要是因為在地鐵工程建設中，隧道支護施工對顯著增強地基的穩定性和安全性起到很好的作用，通常體現在能夠避免土地出現坍塌現象等，促使其作用得到全面的發揮。同時，在隧道淺埋暗挖支護工程施工中，關于土體變動的情況也對維護整體施工的安全性和穩定性具有重要影響。

圖1 淺埋暗挖示意圖（單位：mm）

隨著我國地鐵工程規模的擴大，隧道淺埋暗挖已成為淺埋暗挖中關鍵的基礎技術，該技術的有效結合使地鐵工程的穩定性、安全性以及質量得到了保障，也推動了地鐵工程領域的發展。在淺埋暗挖中難免會遇到地下水資源較多的地區，為了防止在開挖過程中造成地下水大量泄漏，進而導致土方開挖時產生坍塌現象，在開挖之前需要做好降低地下水位的工作和相應的勘察工作，結合淺埋暗挖現場的周邊環境、土質環境以及地下管道分布情況，選擇最為合適的淺埋暗挖方式，比如橫向、縱向、豎向等形式，主體框架的淺埋暗挖可以使用混凝土進行澆筑。淺埋暗挖法是一種在離地表很近的地下進行各種類型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾構法不適應的條件下，如北京長安街下的地鐵修建工程，淺埋暗挖法顯示出了巨大的優越性。

三、價值分析

1.以往已經有類似工程在沉降變形敏感的地方運用淺埋暗挖法。隧道挖掘之后結構的穩定性相對較好，并且圍巖變形量也相對理想，結構受力與位移變形值能很好地控制，所以倘若交通沒有中斷，依然能進行暗挖施工。

2.選擇暗挖法下穿公路具備技術可靠性，可是因為實際作業中掛車通行要被限制，要防止隧道出現嚴重變形問題，避免出現坍塌問題。

3.隧道進出洞口位置是作業中的難點與危險點，因此進洞前應運用切實有效的加固手段，還應在隧道進出口第一時間完成鎖口操作。

四、淺埋暗挖技術在隧道施工中的應用風險

1.周邊環境產生的風險。

在建設的開挖過程中，由于天氣屬于不可控制的因素，可能會出現雨季降水量過大或者管道出現泄漏的現象導致施工周邊的建筑物或者主要的水管路線破裂，導致挖掘的基坑出現嚴重積水的問題。除此之外，隧道上方及周圍的土質水分含量過大，也會對隧道的穩定性產生影響，大量的水分存在土壤之中，也在不斷破壞土體的基本結構。

2.管道滲漏產生的問題。

在建設的過程中地下水管出現滲水、漏水的現象，則會使施工周邊土壤的含水量增加，對土體的結構造成嚴重的破壞和影響，在施工操作時可能會出現土體坍塌的現象。管道滲漏風險問題屬于目前市政隧道工程淺埋暗挖技術應用中經常發生的缺陷，出現的原因可能是施工組織管理工作方式落后，不能及時發現工程結構滲漏風險問題，難以快速應對處理，導致工程質量降低。

3.質量層面的風險。

出現質量風險問題的原因主要是在工程施工期間所使用的技術與地域情況不符，沒有在施工之前因地制宜地制定和完善技術方案，導致在工程建設期間發生質量風險問題，嚴重影響工程建設效果，難以將淺埋暗挖技術在市政隧道工程中的作用發揮出來。同時，在工程技術應用的過程中沒有合理使用檢測措施，缺少完善的檢測工作方案，不能及時、準確地識別質量風險隱患問題，導致工程質量降低。

五、淺埋暗挖技術在隧道施工中的應用方法

1.從組織方面開展控制。

在暗挖之前需組織一支專業的安全風險控制團隊，完善的風險安全控制體系不但可以保證暗挖能夠順利開展，而且能在一定程度上提升開挖過程中的安全性，在管理的過程中需要明確個人或者團隊需要承擔的相應責任，將職責和任務落實到個人的身上，督促開挖現場的安全措施是否有效落實，做好各項安全工作，定期檢查開挖周圍的環境，保證周邊環境不會對開挖產生影響。同時，對開挖技術人員進行安全防范以及緊急避險的培訓，保證開挖人員在出現事故的第一時間內能夠快速做出正確的自我保護措施，如果發現暗挖中設備存在問題，及時采取維護措施，避免發生重大事故。

2.從管理方面進行控制。

在暗挖的過程中，需要結合實際情況制定安全管理制度，確保制度的實用性以及規范性，在開挖過程中有一套符合標準的管理制度，不僅能夠降低暗挖中安全事故的發生率，而且能在一定程度上調動技術人員的工作積極性。此外，需要對暗挖技術人員做好相應的崗前培訓工作，加強技術人員對技術要點的掌握程度，避免在暗挖中由于技術水平的問題造成質量不合格、需要返工等情況。除此之外，參建企業或者相關政府部門如果發現暗挖中存在嚴重的安全風險問題，或者可能會導致安全風險的問題，需要及時停工，采取措施解決或者整頓問題，確認無問題后方可繼續施工，以確保在地鐵建設中工作人員的生命安全。

3.淺埋暗挖技術在市政工程隧道施工中的應用檢測。

為了解隧道的狀況，需要對隧道進行淺埋暗挖技術應用監測，分析隧道是否存在異常，及時采取修補措施以保證地鐵穩定性。但是隨著地鐵里程的增加，傳統的淺埋暗挖技術應用監測工作已經不能滿足需求，為此，必須使用掃描技術，滿足對地鐵淺埋暗挖技術應用監測的需要。在實際的監測工作中，應合理設置隧道施工工程重點結構，超聲波設備掃描系統可以及時發現可能存在的質量問題或其他缺陷，便于施工部門按照檢測結果針對性處理，在維護工程質量的同時增強工程的建設水平和強度。除此之外，企業還需在應用淺埋暗挖技術的過程中組建專門的工程監測隊伍，要求每位人員掌握監測的技術方式、專業知識、技術手段，通過專業性的檢測方式應對可能存在的風險隱患問題，確保技術在隧道工程施工過程中的高質量、標準化運用。

4.相關技術的可靠運用。

（1）上臺階施工。

為實現施工項目安全性的提高，必須在施工之前，加強對設計圖紙的分析，結合實地勘察結果，對現場地質情況進行全面掌握。實際施工中，圍繞周邊土體進行擺噴施工，確保土體穩定性。上臺階施工的時候，應科學設計管線，并合理控制開挖階段的圍巖擾動指標，用風鎬進行開挖。在實際開挖的時候，應從拱部位置開始，預留中心部位，對支護結構進行調整，及時將開挖施工中產生的土方運到下臺階區域，保障開挖、支護的同步進行。

（2）下臺階施工。

下臺階施工中，應根據設計圖紙，合理應用挖掘機，按照施工圖紙的要求，逐步開展開挖作用，施工至中央位置的時候，應結合施工實情，對土體開挖中的兩側輪廓指數進行合理調控。開挖作業完成之后，對兩側輪廓進行一一修正、處理，以控制土體擾動問題。一般來說，應該將隧道下臺階開挖深度控制在1m，在開挖完成后，應及時開展支護作業，并要確保支護的效果，以形成封閉圈，保障施工質量。為確保實際施工過程中的安全性，應注意避免超出循環進尺范圍。

（3）管棚支護。

超前支護環節中，管棚施工有著明顯的簡易性特征，施工成本相對較低，可根據管井規格，合理選擇施工材料。如果鋼管兩端的支護體系規模已經符合要求的情況下，便可以有效降低開挖過程中的變形量。其原因在于，管棚本身具有支護能力，設置在鋼管兩端的支護梁彈性支撐系數較大，充分發揮兩者的作用，便可以確保穩定性。上方地層變形主要包括繞曲變形、端頭支撐變形，實際施工中可以通過對管棚高度、支撐量剛度進行優化調整，來滿足支護階段的系數要求，確保支護效果。這樣也可以為后續施工奠定良好的基礎，有利于確保市政隧道施工質量。

六、建筑物沉降控制標準

控制建筑物沉降，須確定建筑物沉降控制標準。根據GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》的要求，砌體承重結構基礎的局部傾斜，對中低壓縮性土，變形允許值為2‰。由于巖土工程的不確定性，本次穿越房屋段的控制標準應通過現場試驗確定。當承重墻的差異沉降大于30mm 時原有裂縫發展加劇，同時開始出現新裂縫。為保證安全，將控制標準確定為差異沉降應不大于0.5‰，裂縫應不大于1mm，差異沉降量不大于20mm，地表沉降量應不大于30mm。差異沉降控制主要考慮相鄰結構承重柱的差異沉降，計算得出東西柱之間差異沉降應不大于2.5mm，南北柱之間差異沉降應不大于2.1mm；基礎沉降量小于12mm，扣除前期沉降后其基礎最大沉降量應不大于6.11mm。

七、電力隧道圍巖加固方案比選

為保證電力隧道下穿華國匯攪拌站辦公樓時圍巖加固方案的可靠性，電力隧道穿越施工之前，需選定試驗段，進行現場圍巖加固試驗的研究。現場選定的試驗段長度為80m，試驗段施工時試驗人員應密切觀察圍巖的變化，專業人員結合以往工程施工經驗、注漿工藝施工方法、施工原理等，及時了解掌握鉆孔成孔的情況和注漿的效果，試驗人員做好詳細的現場試驗記錄，拍攝好影像資料，供相關專家判別，根據成孔和注漿效果及時調整注漿漿液的配合比、注漿壓力。最終根據試驗段研究，確定經濟合理可行的施工方案。

1.方案一。

開挖前對地層進行地面深孔注漿加固，將水泥漿液由地面注入需加固的土層范圍內。

地面注漿施工工藝：（1）鉆孔；（2）掃孔；（3）注漿管注；（4）制漿；（5）注漿。

注漿過程中需時刻關注注漿情況，觀察注漿地表的變化，并根據注漿情況調整注漿漿液的配合比和注漿壓力。根據實際情況調整注漿壓力。

采用本方案遇到以下問題。

（1）注漿量比原計劃注漿量多將近一倍，材料消耗太大。

（2）隧道開挖面范圍內，存在大范圍漿液與卵石的固結體，隧道開挖難度大幅增加。

2.方案二。

管棚支護施工，在隧道拱頂兩層格柵之間根據注漿角度安裝長400mm、壁厚4mm 鋼套管，套管與套管之間密排并與格柵焊牢固；

108 鋼管切成2m 一段，第一段焊接鉆頭，管與管之間密排并用套筒連接，最后一段鉆進后焊接10mm 厚堵板，安裝32 球閥，導管四周鉆設孔徑12mm 注漿孔（靠閥門端1.1m 處的棚管不鉆孔），孔間距400mm，呈梅花形布置。孔間距為150mm。

接長鋼管應滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應前后錯開。同一橫斷面內的接頭數不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1m。鋼管安裝完畢后端部與初襯格柵相焊接。鋼管施工誤差不大于50mm。

經現場試驗，大管棚支護能保證施工質量和安全，地面和建構筑物的沉降也能保證，但經費用核算后，由于造價過高，技術升方面可行，而經濟方面不合理，被迫放棄。

3.方案三。

沿電力隧道拱頂180°范圍打設自進式錨桿，進行超前預支護。架設完每鋼榀架后，在鋼榀架中預埋50PVC 塑料管作為自進式錨桿導向管，隧道初襯混凝土噴射完成后，用風鉆打入自進式錨桿，錨桿向上傾斜12°～15°打設，并將錨桿尾部焊接在已架好的格柵鋼架上，錨桿外露5cm 以利于安設注漿管路。用速凝水泥漿封孔，在水泥漿硬化后進行水泥砂漿壓注。為保證注漿效果，自進式錨桿單孔長度不小于1.8m，設置間隔250mm 的6 梅花形布置的注漿孔，尾部0.4m 范圍內不打設注漿孔，管壁加厚，端頭安裝特制鉆頭。注漿采用水泥、改性水玻璃雙液漿液，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa。

此方案基本無坍塌，開挖輪廓控制好，拱頂穩定。由于漿液采用水泥、改性水玻璃雙液漿，在隧道開挖過程中，其開挖難度比純水泥漿減小很多。

通過對3 個方案圍巖加固方案進行比較與分析，自進式錨桿超前注漿施工方法簡單，加固時間較短，注漿效果良好，對砂卵石地層的加固效果很好。因此，綜合考慮，確定電力隧道圍巖加固采用單自進式錨桿注漿加固。為進一步加強對地面建筑物的保護，本區段格柵榀距由0.5m 改為0.4m，并在拱腳打設長1.5m 的自進式鎖腳錨桿，壓注水泥、改性水玻璃雙液漿液，防止上部拱架因地層壓力過高而不穩，并在其拱腳設鋼墊板，以控制格柵下沉。

結語：

1.砂卵石地層淺埋暗挖電力隧道施工時，為保證地面建筑物的安全，應采用現場試驗等手段獲取控制標準，在試驗基礎上提出沉降控制標準、采取有效的隧道圍巖加固方案、隧道土方開挖方法和施工過程，嚴格控制隧道超挖和欠挖，采取信息化、數字化施工手段，全過程質量控制和風險管控，及時調整施工工藝參數，使風險控制到最低。

2.淺埋暗挖隧道施工應加強新工藝新技術方面的研發和應用，加強信息化管理和動態過程控制，過程檢測、實現數字化分析與施工，根據試驗參數調整施工工藝，最終實現生產安全和社會安全。

3.淺埋暗挖隧道穿越砂卵石地層時，只要采取合理的注漿加固措施，利用信息化施工，做好監控和監測，及時調整施工參數，遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的方針，便可保證施工安全和地表路面的安全性及出行的舒適性。

4.進行隧道背后回填注漿，防止由于隧道和地層間的空隙造成地面沉降，及時采取雷達探測，發現隧道與地層間存在空隙時，及時進行注漿補救，最大限度地保證地面建（構）筑物及地下管線的安全。