復合地層盾構隧道地表沉降與支護施工技術研究

摘要：受盾構隧道施工區域具體地質構成的影響，需要采取針對性支護技術對地表沉降進行控制。以某穿越復合地層的高速公路盾構隧道工程為例，在分析復合地層的構成以及具體屬性參數信息基礎上，針對不同施工段的具體情況，采用針對性的支護體施工技術，并通過在施工盾構隧道淺埋段地表布置傳感裝置的方式，對具體的沉降數據進行監測。測試結果顯示：60d內地表沉降情況始終穩定在55.00mm以內，單日沉降值穩定在5.0mm以內，能夠達到測試工程的設計要求。

關鍵詞：復合地層；盾構隧道；地表沉降；支護施工技術；淺埋段

0 引言

在復合地層環境下，高速公路盾構隧道施工可能誘發地表沉降的原因是較為復雜的[1]。一方面，由于復合地層中軟土和硬巖構成比不斷變化，當盾構機施加在掌子面上支護力中心和前方土體阻力中心不在同一水平線上時，盾構機將產生“抬頭”或者“磕頭”現象，進而引發地表沉降[2]。另一方面，在盾構機掘進階段，若隧道前方開挖面巖土層存在強度不均勻情況，也會導致盾構刀盤從軟土區域移動到硬巖地層時產生強烈振動，導致異常超挖，引發盾構機出現“抬頭”或“磕頭”現象，甚至引起地表沉降、地面塌陷等問題[3]。

除此之外，若在盾構施工時，盾尾脫環失去盾殼支持，則會使襯砌管片和周圍土體之間間隙。此時如果注漿不及時或者注漿效果不佳，則造成較大的地層擾動和地表沉降[4]。而具體的注漿壓力控制和注漿質量也是影響該沉降期的主要因素。

綜合上述分析可以看出，施工破壞原始地層中水土平衡狀態，對隧道圍巖和周圍的地層產生擾動，導致土體剪切破壞，引發地表沉降變形的主要原因[5]。針對此，本文結合復合地層環境下盾構隧道施工的特點，開展支護施工是極為必要的[6]。本文以某實際的復合地層高速公路盾構隧道工程案例為基礎，開展地表沉降與支護施工技術研究，并分析了具體的施工效果。

1 工程概況

某穿越復合地層的高速公路盾構隧道工程，隧道全長約為3.50km，設計時速為100/h。對隧道穿越的地層構成情況進行勘察可知，其土層主要包括黏土層、砂土層、粉質黏土層、礫石層以及少量巖石層。在具體的隧道施工階段，采用盾構法施工。采用直徑為12m盾構機實時掘進，同時需要配合同步注漿和二次注漿工藝，對盾構地層進行加固處理。對復合地層構成的具體屬性參數信息進行統計，如表1所示。

以上述實際工程為基礎，在具體施工過程中，需根據具體地質條件和設計要求（總沉降值小于55.0mm，且日沉降值小于7.0mm），在遵循相關工程規范和標準的前提下，開展相應支護施工，以確保施工安全和質量。

2 施工關鍵技術

2.1 淺埋土層段隧道超前支護施工

在淺埋土層段，測試高速公路盾構隧道的洞身主要穿行于黏土、砂土以及粉質黏土地層結構。其中，黏土、砂土以及粉質黏土均容易受施工擾動[7]，產生結構應力的變化。

針對此，本文以阻止圍巖失穩塌落作為開展支護施工的核心目標，在隧道開挖施工前，對施工段進行了超前支護處理[8]。施工材料主要為管棚和小導管，對應的加固對象主要為盾構隧道頂部的圍巖結構。

2.1.1 管棚施工

先在隧道開挖斷面外輪廓以一定間隔與隧道平行鉆孔，然后插入鋼管[9]。其中，鋼管的直徑為12.0cm，長度為3.5m。之后，從插入的鋼管內壓注充填水泥漿，以增加鋼管外圍巖的抗剪切強度，使鋼管與測試高速公路盾構隧道頂部圍巖形成一體，構成棚架體系。具體管棚施工如圖1所示。

2.1.2 小導管注漿施工

在掌子面附近的圍巖中，以低角度打設的方式，沿隧道外輪廓平行打入小導管。小導管的直徑為10.0cm，長度為3.0m。之后，向小導管內壓注水泥、砂漿等壓注材料，以此改善圍巖狀況，使掌子面達到穩定狀態。在注漿過程中，控制注漿壓力在2.0Pa-2.5Pa區間范圍內，液體的注漿量不低于1.2m3，確保注漿效果。

2.1.3 施工注意事項

在上述施工過程中，為確保施工質量和安全，需注意以下3點：一是在安裝鋼管和小導管前，要徹底清理工作面，并測放出鉆設位置。二是在注漿過程中，要確保注漿口密封良好，防止漿液外泄。三是在施工過程中，要進行精準監測，及時發現和處理異常情況。

2.2 盾構隧道組合支護施工

在高速公路盾構隧道開挖后，本文采用噴射混凝土+錨桿+鋼拱架+鋼筋網的組合支護方式對整體結構的 穩定性進行加固。

2.2.1 噴射混凝土施工

噴射混凝土前，先對開挖后的隧道表面進行清潔和整理，確保表面無雜物、無積水，以便混凝土能夠緊密附著。之后，使用噴射機將預先制備好的混凝土均勻噴射到隧道表面。具體混凝土厚度為3.0mm，誤差需控制在1.0mm，并對空洞進行檢查和修補。

噴射完成后，進行為期14d的養護，同時保持隧道內環境濕潤，其中前3d每天進行2次養護，之后按照每天一次的頻率養護5d，最后按照3d一次的頻率進行。通過這樣的方式，防止混凝土出現開裂和脫落問題。

2.2.2 錨桿施工

在進行錨桿施工階段，在隧道頂部和側壁分別按照2.5m×2.5m以及2.0m×2.0m的標準打設錨桿孔，其中，具體的孔徑均為30.0cm，孔深均為1.2m。之后將錨桿插入孔內，并使用專用注漿設備將注漿材料注入孔內，確保錨桿與圍巖緊密結合。在錨桿安裝完成后，檢查其牢固度和穩定性，對存在松動的錨桿進行復工處理。

2.2.3 鋼拱架施工

在進行鋼拱架施工階段，主要根據隧道斷面形狀和尺寸，選擇鋼拱架型號為I16型鋼，使其與隧道表面貼合緊密，保持無空隙狀態，并使用連接件將鋼拱架固定在一起，由此形成穩定的支護結構。

2.2.4 鋼筋網施工

將φ8鋼筋網片緊密貼合在隧道表面，使用焊接方式將鋼筋網片固定，以防止其脫落或移位。具體鋼筋網施工效果如圖2所示。

3 施工效果與分析

3.1 地表沉降數據采集

為了驗證本文設計的支護施工技術的實際應用效果，以高速公路盾構隧道工程的圖紙設計要求為基礎，分別在隧道錨洞口的淺埋段地表布置傳感裝置，對地表下沉情況進行監控測量。具體的布設位置分別為散索鞍基礎的前后斷面以及錨塞體前端地面。地表下沉情況監控布局方式如圖3所示。

本文共在隧道地表設置了覆蓋3個斷面的監測組。其中，斷面1由10個測點組成，測點間距為4.0m。斷面2由12個測點組成，測點間距為5.0m。斷面3由16個測點組成，測點間距為6.0m。

本文結合高速公路盾構隧道施工的不同工段，設置差異化的監測頻率，地表下沉情況監測周期設置如表2所示。按照表2所示的方式，對施工高速公路盾構隧道地表的沉降情況進行監測統計。

3.2 監測數據分析

本文對60d內3個監測斷面的沉降數據進行統計，得到的數據信息如表3所示。結合表3所示的測試結果可以看出，在本文設計的高速公路盾構隧道支護技術下，對應的地表沉降情況始終穩定在55.00mm以內，單日沉降值穩定在5.0mm以內，能夠達到測試工程的設計要求。

4 結束語

由于復合地層具有復雜的地質條件，盾構隧道施工誘發地表沉降的原因和控制點可能因具體情況而異。因此在實際工程中，應根據地質勘察結果和工程特點，制定具體的施工方案和支護措施，以確保施工安全和地表穩定性。

本文以某穿越復合地層的高速公路盾構隧道工程為例，在分析復合地層的構成以及具體屬性參數信息基礎上，針對不同施工段的具體情況，采用針對性的支護體施工技術，并通過在施工盾構隧道淺埋段地表布置傳感裝置的方式，對具體的沉降數據進行監測。監測結果證實，本文采用的技術切實實現了對盾構隧道地表沉降情況的有效控制，能夠起到良好的支護作用。

參考文獻

[1] 張躍明，鐘久強，余金，等.滲流條件下富水砂層盾構隧道開挖面臨界支護壓力計算分析[J].城市軌道交通研究， 2024，27（2）：100-106.

[2] 程凱書，劉海潮，李帥京，等.淺埋大直徑盾構隧道襯砌的抗震計算方法適用性研究[J].交通科技，2023，（1）： 75-79.

[3] 姜承軍，張道兵，朱歡，等.基于擬靜力法下復合地層盾構隧道掌子面穩定性分析[J].邵陽學院學報（自然科學版），2023，20（6）：51-59.

[4] 張成平，尚祎凡，李巍，等.考慮流-固耦合效應的異形盾構開挖面穩定性極限分析[J].中國公路學報，2023， 36（11）：345-357.

[5] 孔德森，滕森，趙明凱，等.盾構隧道開挖面改進三維模型和臨界支護壓力研究[J].隧道建設（中英文），2023， 43（9）：1463-1472.

[6] 姚琦鈺，張潤來，宮全美，等.砂卵石層盾構開挖面失穩分析及雙參數掘進控制[J].同濟大學學報（自然科學版）， 2023，51（9）：1407-1415.

[7] 伍凱，畢延哲，楊鑫，等.超淺覆土小凈距上跨運營線路盾構掘進超前管幕支護模擬分析[J].路基工程，2023，（4）：130-136.

[8] 劉慶，崔秀麗，秦鵬飛.淺埋大直徑盾構隧道開挖面局部破壞的被動穩定性研究[J].鐵道標準設計，2023， 67（11）：142-151+206.

[9] 胡雷，竇發騫，朱永振，等.管片接頭剛度對盾構隧道襯砌結構應力與變形的影響研究[J].市政技術，2023，41（3）： 81-86.