淺埋暗挖法隧道施工技術及其地面沉降控制分析

賈興明， 厲 斌， 唐曉林

(1.杭州蕭山城市建設投資集團有限公司，浙江 杭州 311200； 2.浙江明燧科技有限公司，浙江 杭州市 310000； 3.華東交通大學，江西 南昌 330073)

0 引 言

隨著我國經濟的高速發展，隧道建設在各地大規模進行。隧道建設中常用的施工方法為淺埋暗挖法。利用該方法進行施工時，受到地質條件和施工工藝等因素的影響，會導致地面出現沉降，影響施工安全和進度。當地面的沉降超過一定程度，會導致隧道以上的既有建筑物結構安全性不足，甚至出現失穩現象。針對該情況應對地面沉降進行有效控制，保證施工的安全和施工。

1 施工原理、原則

1.1 原理

利用淺埋暗挖法對隧道進行施工時，襯砌形式主要為復合襯砌。淺埋暗挖法的優點：初期支護時，能夠承擔所有荷載。二襯施工時可保證結構的安全和穩定。

在隧道施工前，應進行施工準備工作，保證該方法有秩序的進行，同時還應保證施工進度。施工準備主要有：通過輔助技術，對圍巖進行加固，提供自身的承載能力。通過對實際工程的查詢了解到：在隧道施工時，應用淺埋暗挖法的地層較為柔軟。該方法能夠降低圍巖自身的承載能力，降低地表沉降的發生概率。在施工準備階段應做好支護工作，保證工程質量。

淺埋暗挖法與新奧法的施工原理一致。襯砌形式為復合襯砌，初期支護承擔荷載，二次襯砌作為安全儲備。施工時采用超前支護等方式來對圍巖進行加固，采用信息化施工。

淺埋暗挖法主要應用于地層較軟、圍巖承載能力較差的地下工程。為保證地表沉降的程度，初期支護應采用剛度較大的結構，且支護要及時。特征曲線如圖1所示。圖中C點應盡量向A點靠近，增大支護的承載能力，降低圍巖自身的承載力。施工時應遵守管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測的原則[1]。

圖1 特征曲線圖

1.2 原則

淺埋暗挖施工時，應遵循以下原則：

(1) 選擇機械設備以及開挖方式時，應結合工程實際情況、施工要求、水文氣候、地質條件等。當開挖斷面較大或地層土質較差時，施工前應做好準備工作，通過施工輔助進行開挖。

(2) 施工時，應對輔助方法進行合理選擇，利用輔助施工才可以進行大斷面開挖。

(3) 當地層和斷面情況不同時，應選擇不同的機械設備進行作業，且設備的費用不能大于總造價的10%。

(4) 在進行隧道開挖時，應對圍巖等進行控制和測量，同時進行數據記錄。

(5) 施工工藝應嚴格依據規定進行，合理排除地下水、加強初期支護[2]。

(6) 通過有效路徑來加快施工速度，提高施工質量。

(7) 施工過程中應對隧道內的通風情況進行觀測，保證施工質量及人員安全，同時處理好與環境的關系。

(8) 通過互聯網及大數據等技術，對施工工序進行調整，對施工質量、施工安全、施工進度進行合理把控。

2 施工技術

利用淺埋暗挖法對隧道進行作業前，應對工程實際情況進行調查，合理選擇開挖方式，提高施工效率，使施工工藝與實際情況相吻合。隧道開挖方式見表1。隧道施工時，以人工開挖為主，當存在適用條件時，可配合弱爆破、短進尺方式施工，避免對圍巖結構造成較大擾動。在開挖過程中，還應對圍巖進行監測，爆破時的進尺應控制在1.0 m范圍內。

表1 開挖方式表

在進行淺埋暗挖施工時，為降低對圍巖的擾動及地表沉降，應提高支護的剛度，選擇合理的支護形式。淺埋暗挖施工采用的支護形式應結合現場的地質條件、輔助工法等進行確定。并通過試驗對開挖方法進行改進。支護設計方式及作用見表2。

表2 支護方式及作用表

2.1 土體加固施工技術

淺埋暗挖隧道施工時發生的沉降發生時間集中于初期支護之前。因此應在施工前完成土體預加固和支護。目前較為常見的土體加固技術如下所示。

(1) 超前錨桿支護：該支護形式通過工法和結構形式進行劃分，主要分為懸吊式支撐、格柵拱支撐等。施工工藝及作用原理為：在開挖作業前，將錨桿打入穩定巖層內，末端通過懸吊錨桿來提供支撐，對圍巖變形進行約束。該方法可有效發揮土體的加固作用，為斷面開挖和噴錨提供了便利條件[3]。

(2) 超前小導管注漿支護：該支護方法與鋼格柵共同形成支護體系，使注漿管和超前管棚共同發揮加固作用。注漿原料可采用水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力為1.0 MPa。

(3) 超前管棚支護：對隧道的外輪廓進行開挖時，應按照一定間距進行鉆孔，且安裝鋼管，然后對其內部進行注漿，形成強度較高的支護體系。該方法施工時，應對鉆孔的精度、鋼管的導向等進行嚴格控制，保證隧道結構的穩定性。

2.2 隧道開挖的施工技術

淺埋暗挖隧道在施工過程中，主要采用的開挖方式有全斷面法、臺階法、中隔墻法等。施工流程如圖2所示。

圖2 施工流程圖

每種施工方法的主要內容如下所示：

(1) 全斷面法：該方法主要適用Ⅰ、Ⅱ級圍巖，通過鉆孔臺車進行鉆孔作業，全斷面一次成型。然后進行初期支護及二次襯砌施工。該方法的優點為：施工速度快，施工工序較少。缺點為：爆破會對圍巖本身及周邊建筑物產生振動。施工時應加強安全管理。

(2) 臺階法：對實際場地進行分析，合理劃分工作面，適應地層變化。該方法主要應用于軟弱圍巖結構中。施工中的開挖方法以正臺階法為主。

(3) 中隔墻法：該方法是在臺階法的基礎上進行的，開挖后應進行及時支護。該方法主要應用于較差地層結構中。當施工要求無法得到滿足時，可試做臨時性仰拱進行支撐。

3 地表沉降機制

3.1 地層損失沉降

由于出行需要，一般情況下城市地鐵的埋置深度較淺，因此在對地鐵進行施工時，常出現超挖和欠挖的情況，導致支護結構與巖土結合不緊密，混凝土強度不夠等情況的出現。最終導致土體發生彈塑性變形，使地表出現沉降現象。當地下水較多時，隨著開挖深度增加，可能會出現涌水現象，導致巖層結構發生變化，發生沉降。因此，軟弱圍巖施工時地層損失有以下幾點：

(1) 當土體受到擠壓時，導致部分土進入到圍巖縫隙內。隧道進行施工時，常出現超挖和欠挖的情況，此時的輪廓線較為粗糙，混凝土強度較低，導致周圍土體向內移動，最終地層損失[4]。

(2) 掌子面的土體向隧道洞內移動。開挖過程中開挖面土體應力消散，臨空面的土體向隧道洞內遷移，最終圍巖出現變形。

(3) 在上覆土層長期作用下，隧道支護結構會出現位移或變形的現象。

(4) 施工時地表出現涌水、塌方現象，最終導致土層損失。

3.2 固結沉降

天然土體是由粒徑不同的礦物質組成，骨料間的空隙被水和空氣充滿。當隧道施工時，在外力作用下，土體發生擾動，使里面的水和空氣滲透出來，土體發生擾動后，骨料進行重新分布排列，使孔隙率降低，最終引起地表沉降。由于土體發生固結時的特征不同，因此可將固結分為兩種：主固結沉降和次固結沉降。主固結沉降指隧道施工時，由于空隙水壓力發生消散使土體發生沉降的現象[5]。次固結沉降是指土體的骨架發生變化而導致結構出現沉降。次固結沉降的特點是沉降持續的時間較長。

有研究表明，白芍中的芍藥苷對模型大鼠腦缺血后的血腦屏障具有保護作用[2]，對腫瘤細胞的生長有一定抑制作用[3]，對肝臟具有保護作用[4]；牡丹皮中的丹皮酚具有抗腫瘤[5]、抗神經系統氧化應激損傷[6]、抗動脈粥樣硬化[7]和改善血液循環[8]等作用；梔子中的梔子苷具有保肝利膽[9]、改善腦缺血[10]、調節血糖[11]和鎮痛抗炎[12]等作用。由此可見，梔子苷、芍藥苷和丹皮酚這3個成分與丹梔逍遙散養血健脾、疏肝清熱的攻效相呼應，均為該方重要的活性成分。此外有研究表明，該方中梔子苷、芍藥苷和丹皮酚含量均較高[13]。因此，本試驗選擇梔子苷、芍藥苷和丹皮酚為指標成分。

3.3 應力狀態改變

在目前研究階段，支護內力和變形采用的分析方法是：地層結構法和荷載結構法。地層結構法：假定地層與結構共同受力，計算時認為結構與圍巖是連續介質，二者協同變形，共同受力。利用該方法進行計算時，本構關系選擇時應依據材料自身特性，計算時常使用的是數值解。荷載結構法：該方法是將支護結構與圍巖分別考慮，圍巖對結構的作用轉變為等效荷載，將圍巖和支護結構分開考慮，對結構的變形計算時，把圍巖對結構產生的作用轉化為等效。該方法確定的地表變形由經驗公式進行分析。

4 地表沉降規律

4.1 橫向沉降規律

通過對隧道的相關分析可知：間距與埋深的比值不小于3時，隧道施工時的順序對地表沉降影響較小，隧道間的相互影響較小。該情況下對地表進行沉降預測可通過疊加法進行，橫向沉降曲線如圖3所示。

圖3 地表沉降槽曲線

單條隧道橫向發生的地表沉降可通過Peck公式進行表達，最終將兩條隧道的沉降值進行疊加，疊加后的地表沉降值可通過下式表達[6]：

式中：Sp為某一點到隧道中線之間由于施工引起的地表沉降，mm；iA、iB為隧道沉降槽寬度系數；L為隧道間距，m；SmaxA、SmaxB分別為A、B隧道地表的最大沉降值，mm。

4.2 豎向沉降規律

隧道開挖過程，在進行地下作業時地質條件和地形情況相對復雜，掌子面的時空效應在開挖過程中會由于地表沉降而發生顯著變化，主要階段劃分如下：

(2) 沉降劇增階段：隨著施工過程的推進，到達監測點指定位置時，地表沉降為1～3倍洞徑，占總體沉降的50%～60%。此時造成沉降的主要原因是上層土體發生應力重分布。

(3) 沉降緩慢階段：施工進度繼續推進，當超過監測點3～5倍洞徑時，沉降量較小，沉降速率較慢，沉降值占總體沉降的15%～20%。

(4) 沉降穩定階段：當開挖面超過5倍洞徑時，沉降曲線變得平緩，沉降值開始降低，約為總體沉降的5%～10%。

5 案例分析

5.1 工程概況

本文依托工程為某雙線橢圓形地鐵隧道的開挖工程。隧道全長為1.2 km，樁號范圍為K24+900～K26+100。隧道采用淺埋暗挖法施工。圍巖最大覆土厚度為11.5 m。隧道斷面根據前期施工方案與設計圖紙規劃，隧道寬度為6.7 m，高度為7.0 m。支護結構為復合襯砌結構。隧道位于城市道路下方，道路兩側的既有建筑物有住宅區和學校。該地區地勢較為平坦，但環境較復雜，建筑物與隧道間距較小，地下管線較多，給施工帶來一定程度困難。隧道主體采用PBA法施工，區間隧道采用臺階法施工。

5.2 沉降變化

5.2.1 橫向沉降變化

(1) 臺階法沉降變化。臺階法施工時，產生的橫向沉降范圍為40 m。兩隧道的沉降變化相互影響。左線隧道施工時，拱頂土層的沉降量為13.78 mm，掌子面封閉成環后的沉降量為22.03 mm。左線施工時，右線產生的最大沉降量為6.24 mm。右線隧道施工時，拱頂土層的沉降量為19.29 mm，掌子面封閉成環后的沉降量為24.16 mm。此時隧道左線產生最大沉降為2 mm。充分證明左右線隧道的沉降量是相互影響的。針對臺階法施工時導致的沉降可采用超前小導管預注漿對圍巖進行支護，保證結構的穩定性。施工完成后，地表沉降呈現出“雙峰”形，最大沉降發生于右線拱頂位置，沉降量為24.16 mm。上臺階開挖導致地表發生的沉降占總體沉降的70%，沉降變化如圖4所示。

圖4 沉降變化圖

(2) PBA法沉降變化。1號和3號臨時小導坑間距為15 m，施工時引發的地表沉降呈“雙峰”形變化。1號導坑的最大沉降量為7.02 mm，產生沉降的主要原因是3號導坑施工對土體產生了較大影響，導致土體結構松弛，產生較大沉降。

下部導洞施工時，最大沉降發生于車站主體的地表位置。上部小導坑對沉降槽產生較大影響，下層導坑的沉降主要受上部小導坑的影響。

本項目施工時，車站部位有8個臨時小導洞，產生的地表沉降槽為U形。最大沉降發生于主體結構中線位置，沉降量為64.42 mm。出現最大沉降的主要原因為導坑開挖引起的群洞效應。

5.2.2 縱向沉降變化

通過對現場得沉降進行觀測，得到縱向沉降變化為：車站主體上部導洞施工時，監測點的沉降速率為3.03 mm/d；車站主體結構施工時，自身沉降速率隨時間變化出現先增長后下降的發展趨勢，沉降速率由2.41 mm/d增加到3.25 mm/d，然后又降為1.45 mm/d。

5.3 地面沉降控制

5.3.1 開挖沉降控制

隧道開挖過程中，應做好支護與加固工作，減少地面發生沉降的現象。根據施工現場情況和地層情況選擇合理的處治技術，改變地層的受力狀態。可通過超前小導管等方法將高壓 漿液注入，來提高圍巖結構的穩定性，從而降低地表沉降。

5.3.2 改良土體

隧道施工時，為降低地表的沉降量，可對土體進行改良，使土體保持穩定狀態。對隧道局部位置的土體進行加固，在地層中形成仰拱，保證結構的穩定狀態。主要施工方法有：超前注漿、深層注漿等。漿液主要為化學漿、水泥漿。通過注漿的方式可對土體結構進行加固，防止出現大幅度的運動。

5.3.3 排放地下水

地層結構中存在大量地下水，且軟弱土層的含水量較大。隧道施工觸碰到地下水時，地層會出現缺陷，發生大面積的沉降和坍塌。因此，在合理條件及合理時間，應對地下水進行排放。實際工程中，排除地下水常用的方法有：水帷幕法、旋噴樁法。作用原理是對地下水進行封堵，防止進入圍巖結構造成地面沉降及坍塌。

5.3.4 提高施工效率

隧道施工時，施工效率對地面沉降的影響程度較大。當施工效率較低時，嚴重影響圍巖支護工作，導致隧道結構強度降低，沉降時間較長。因此隧道施工時，提高施工效率，能夠減少地面沉降，保證施工質量和施工安全。縮短施工時間可以將地層壓力控制在合理范圍內，保證圍巖穩定性。

5.3.5 臨時支撐施工

淺埋暗挖隧道在施工過程中，為提高圍巖結構的穩定性可進行臨時支撐。隧道開挖時，對于隧道輪廓的開挖應自上而下進行。初期支護、中隔壁、臨時仰拱的施工應按照一定會順序進行。隧道開挖時，上下層的工作面應保持一定的時間間隔，二者間應保持3～5 m的間距。若斷面一次成型時，應待噴射混凝土的強度達到設計強度的70%后方可進行下段開挖。

6 結 論

本文通過對路線方案安全評價分析，得出以下結論：

(1) 淺埋暗挖施工時采用地襯砌形式為復合襯砌，初期支護承擔荷載，二次襯砌作為安全儲備。施工時采用超前支護等方式來對圍巖進行加固，采用信息化施工。施工時的超前支護主要采用錨桿、超前小導管注漿、超前管棚等支護方式。

(2) 淺埋暗挖隧道斷面開挖時的方法有全斷面法、臺階法、中隔墻法。

(3) 地表發生沉降主要原因為地層損失沉降、固結沉降、應力狀態改變。當腹跨比大于3時，地表發生橫向沉降較大。豎向沉降變化可分為微小沉降、沉降劇增、沉降緩慢、沉降穩定四個階段。

(4) 通過實際工程表明，對地表沉降控制措施主要有地面沉降控制、改良土體、排放地下水、提高施工效率、增加臨時支撐。