淺埋暗挖隧道施工技術及其地面沉降控制分析

摘要 淺埋暗挖法是新時期修筑各類隧道的主要工藝，但在具體應用中會出現隧道洞內不穩定、地面沉降等問題。為保障隧道建設質量，提升隧道結構安全性，還應明確淺埋暗挖隧道的施工要點，加強地面沉降控制。文章結合某隧道工程項目，對淺埋暗挖隧道施工技術、隧道地面沉降控制方法展開研究，以減少隧道結構病害，確保隧道穩定性。

關鍵詞 淺埋暗挖；隧道施工；地面沉降；沉降控制

中圖分類號 U455.4 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0141-03

0 引言

隨著社會經濟發展，隧道工程建設數量日益增加。但受地質條件、施工環境、施工工藝的影響，淺埋暗挖隧道建設中的沉降風險較大。隧道地面沉降量較大時，隧道結構安全性受到影響，可能造成失穩、坍塌等風險，甚至影響地面既有建筑物的穩定性，引起不可預估的損失。因此，隧道施工還應結合淺埋暗挖施工工藝，加強地面沉降控制，確保施工質量和安全。

1 項目概況

某標段隧道，呈左右分離設置，含長隧道2座、特長隧道1座，采用淺埋暗挖工藝，具體情況如表1所示。隧道為直線線形，平曲線設計中超高值小于4%，內縱坡大于3%，縱坡形式為單向坡。

2 隧道淺埋暗挖施工方案設計

淺埋暗挖法由新奧法發展而來。為預防地面沉降，需做好隧道支護設計。項目采用淺埋暗挖法，輔助工藝有超前小導管注漿、洞口段進洞長管棚等，人工、機械配合開挖，開挖斷面預留核心土，設臨時仰拱臺階。隧道淺埋開挖施工具體施工流程，如圖1所示。

主洞洞口為淺埋地形，為保障洞口邊坡、仰坡穩定性，減小洞口邊坡暴露面積。可在洞口先開挖一個洞，另一洞口的土體不開挖。先行洞口段襯砌、回填作業結束后，開挖后行洞。掌子面間距應大于30 m，同時采用大管棚超前支護、超前小導管加固等工藝。超前支護、二次襯砌洞口淺埋段，二次襯砌時，距掌子面距離應小于50 m。洞身采用臺階法開挖，上臺階掌子面穩定性較差時，應預留核心土，環形開挖。開挖作業應自上而下，襯砌施工則自下而上，仰拱處一次澆筑。

3 淺埋暗挖隧道地面沉降的原因

（1）環境因素。具體指隧道淺埋開挖區域的水文地質、工程地質條件。1）地層富水性、地下水位都會影響隧道施工，導致地表沉降。比如隧道所處區域地層孔隙水多，或位于地下水位下，土體固結沉降后會造成地表沉降。2）隧道區域地層物理力學性質差，無支護條件下穩定性弱時，在支護初期，隧道襯砌結構達到設計強度前地面會出現沉降變化。

（2）施工因素。淺埋暗挖隧道期間，應加強開挖時的支護，預防圍巖變形。隧道開挖時，支護工藝應用不合理、支護效果不佳時，出現圍巖變形、地表沉降的風險較大[1]。

（3）外部因素。隧道上方動、靜荷載均會引起地表沉降，可根據隧道上部地表穩定比，計算淺埋暗挖隧道施工造成的變形程度，計算公式如下：

式（1）中，σ——隧道豎向壓力，σ1——隧道支護壓力，σu——隧道土體不排水抗剪強度。

4 淺埋暗挖隧道施工技術要點

4.1 超前支護技術

結合隧道斷面工藝，制定超前支護方案。應用“雙側壁導坑法”時，通過小導管注漿工藝加固地層，支護隧道開挖斷面。采用“三聯拱法”時，需采用“鋼制大管棚+注漿小導管”工藝聯合支護。項目采用“三聯拱法”，支護形式為“超前大管棚+注漿小導管”。

4.1.1 超前小導管施工

在隧道拱部鉆進成孔，設超前導管，導管外插角應小于15°。安裝后，檢查導軌長度、橫縱向間距，無誤后搭設超前支護大管棚。注意控制管棚、超前小導管的環向間距值。可沿開挖輪廓線、支護加固輪廓線，打設小導管，將注漿材料經小導管注入底層，小導管仰角應控制在15°以內[2]。

4.1.2 支護鋼管棚施工

施工流程：設置洞口導向墻—管棚鉆孔—安裝鋼管—安裝管棚鋼筋籠—安裝注漿管—注漿。

（1）頂進鋼管棚，加固開挖面。應用管鉆機鉆孔，大管棚全斷面環向設置，每循環長度20 m，則搭接2 m。鋼管規格為ф106 mm×5 mm，長3.5 m，支護外插角為洞內3°、洞外1°。注漿材料為42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比1∶1，注漿壓力1 MPa。鋼筋籠則為ф22 mm小型鋼筋籠，管棚管節長度分別為3 m、5 m，需錯開連接。

（2）鋼管、鋼筋籠、注漿管安裝就位后注漿，重點控制注漿壓力、注入量，終壓注漿壓力應控制在2 MPa以內，以預防拱頂下沉、開挖面失穩等風險。

（3）管棚頂入時，應控制頂入長度，長度小于鋼管長度的90%。需及時吹出管內砂石，噴射混凝土封堵孔口、周邊裂隙。注漿后，開挖隧道，開挖長度應小于注漿長度，預留止漿墻。

4.2 初期支護技術

4.2.1 混凝土濕噴

采用濕噴工藝，隧道洞外拌和站集中拌料。該項目地質條件較差，初噴3～5 cm厚的混凝土，進行錨桿施工、掛鋼筋網。（1）分層噴射混凝土，第二層混凝土應在首層混凝土終凝后進行。（2）混凝土隨拌隨噴。（3）回彈物不得重新利用。基本流程：應用粗骨料、水泥、細骨料、水、外加劑制備混凝土材料，運輸至作業平臺，噴頭處需涂抹速凝劑，高壓濕噴，噴濕受噴面[3]。

4.2.2 安裝鋼筋網

該項目所用鋼筋網為雙層鋼筋網，尺寸為20 cm×20 cm。洞外預加工，鋪設于隧道開挖面，錨桿固定，設混凝土保護層，厚度為2 cm。

（1）初噴混凝土，隨隧道開挖區域鋪設鋼筋網。

（2）第一層鋼筋網鋪設后，噴射混凝土，覆蓋后鋪裝第二層鋼筋網。鋼筋網搭接長度為30×d，d為鋼筋直徑。

（3）鋪設鋼筋網時，應結合受噴巖面地形變化，控制其間隙，最大間隙小于30 mm。鋼筋網鋪設施工質量標準，如表2所示。

4.2.3 安裝支護錨桿

（1）采用4.5 m長的中空注漿錨桿，錨桿布置為梅花形。環向間距控制在100 cm左右，縱向間距為50cm。

（2）高壓縫清孔后，應用臺車、風搶鉆孔，鉆孔直徑大于錨桿直徑15 mm，鉆孔深度小于錨桿長度，超長值小于100 mm。

（3）安裝錨桿，錨桿與隧道圍巖壁面、所處巖層結構面垂直。淺埋暗挖隧道初期支護錨桿施工質量標準，如表3所示。

4.2.4 安裝支護鋼架

隧道暗挖區域采用工字鋼、格柵鋼架支護。鋼架分節制作，根據隧道斷面尺寸預加工。（1）平整地面拼裝鋼架，允許偏差±30 mm，平面翹曲小于20 mm。（2）清理隧道底部雜物、虛渣，超挖區域噴射混凝土；分節安裝鋼架，鋼架軸線與鋼板平面垂直，螺栓、焊接法拼接鋼板。（3）鋼架落腳后安裝ф40×3.5 mm鋼管，長4.2 m。（4）錨桿安裝區域，焊接錨桿、鋼筋，縱向區域連接鋼筋，鋼筋間距為1 m[4]。（5）安裝就位后，自拱腳對稱噴射混凝土，填充圍巖、鋼架間隙。隧道暗挖區域鋼架支護施工質量標準，如表4所示。

5 淺埋暗挖隧道地面沉降控制要點

5.1 優化洞身襯砌方案

淺埋暗挖隧道應采用“仰拱、填充先行”工藝，預先設置仰拱，減少隧道上部荷載對隧道結構的影響，預防地面沉降。（1）設置仰拱后，應用鋼膜液壓襯砌臺車，泵送商品混凝土，泵送入模后進行插入式振搗。（2）洞身混凝土采用分層、對稱澆筑，各層厚度為1 m；對稱澆筑時，兩側高度差應小于50 cm；澆筑作業應連續澆筑，預防冷縫，間隔時間小于1 h。（3）分區、定點振搗，振搗速度、次數應符合規范要求，以混凝土面無氣泡、不下沉為準，表面泛漿后封頂[5]。

5.2 重視隧道防排水

（1）防水。初期支護、二次襯砌期間鋪裝防水層。防水層采用高密度聚乙烯自黏膠膜防水卷材、無紡布。防水卷材厚度為1.5 mm，無紡布規格為350 g/m2。應用防水層，提升隧道抗滲系數，減少因隧道洞內滲漏造成的沉降問題。鋪設防水層后，在二次襯砌沉降縫、施工縫處設止水帶、止水條，止水條帶注漿管。

（2）排水。隧洞內設2%的橫坡，排放隧道面積水。二次襯砌、防水層間隙設盲溝，盲溝環向設置，位于隧道兩側墻底。溝內設波紋管，貫通隧道，作為橫縱向排水管。洞口排水時可設集水坑排水、匯水，抽水機功率大于排水量的20%。隧道掘進后，洞口掌子面設集水坑，安裝排水管、潛水泵，沿開挖路線排水。洞口設置污水處理池，處理施工廢水，達標后排放。

5.3 靈活轉換隧道斷面

左右線隧道中心線間距較小時，隧道兩側開挖會擾動軟弱圍巖，增加地面沉降風險。施工過程中應注意控制雙線開挖距離，保持30 m距離。可縮短開挖進尺長度，軟弱地層每循環進尺應為斷面開挖寬度的0.1倍[6]。因此，施工期間可靈活轉換大斷面、小斷面，調整隧道開挖時的斷面面積。通過錯臺方式，將大斷面部分區域開挖到設計為止。封堵與小斷面的間隔區域，進行小斷面開挖，減少掌子面封端拆除作業。小斷面轉換為大斷面時，應調整開挖坡度，超前支護圍巖結構。設混凝土保護層、格柵加寬、加高圍巖結構，以安全過渡小斷面、大斷面間隔區。

5.4 加強隧道暗段沉降控制

暗挖段施工前，應在隧道上方既有線路設置3個沉降觀測點，觀察暗挖期間地表沉降的速度變化，總結規律，分析急劇沉降速率的變化規律。經監測，該項目暗挖施工時的沉降速率較大，但沉降值變化數量不大，且持續時間少。開挖面、地面監測點間距增加后，沉降監測數據明顯減小，且呈穩定趨勢，表示沉降處于收斂狀態。

造成沉降變化的原因較多。（1）隧道暗挖區域地下土石結構在周邊車輛、隧道重復開挖振動影響下，變形積累，沉降值增加。（2）隧道多臺階、分段開挖時，需多次振動隧道開挖面，繼而導致地表沉降。因此，應合理控制臺階開挖長度，減少地表沉降積累；開挖隧道時，應注意控制施工受力機制的變化次數，避免地層擾動；超前小導管注漿、支護注漿時，應注意控制注漿壓力，預防因注漿壓力過大造成的地表隆起現象，注漿壓力過小則會影響地層支護、加固、止水效果，需合理把控水泥、混凝土漿液的注入壓力，保障注漿質量。

5.5 做好地表下沉監測工作

淺埋暗挖隧道洞口處包含軟弱圍巖，自穩時間短。為加強沉降控制，預防隧道冒頂塌方、差異沉降，應加強地表的下沉監測，沉降數值波動大、持續增長時，應排查沉降原因，及時處理。（1）設高程控制網，布設6個以上測點為基準點；基準點不應處于隧道開挖施工范圍內；隧道超前支護、二次支護、開挖過程中，記錄監測點高程變化，觀測沉降值。（2）覆蓋層厚度小于40 m時，應設測點監測地表的沉降量。淺埋暗挖隧道監測點沉降值如表5所示。

6 結語

綜上所述，隧道周圍地質、地形條件復雜，淺埋暗挖過程中的地面沉降、地表既有建筑物失穩風險大。為保障施工安全，應結合淺埋暗挖工藝特點，應用鋼管棚、超前小導管、二次襯砌等工藝，加固處理開挖區域，預防地面沉降控制。同時，應規范隧道淺埋暗挖工藝流程，明確施工要點，結合地面沉降原因，加強地面沉降監測，并根據監測數據指導施工，使隧道開挖過程中的地面沉降值符合要求，確保淺埋暗挖隧道工程的施工安全、建設質量。另外，淺埋暗挖法施工量測體系相對完善，為預防地面沉降，可通過監測地表、地下沉降數據指導施工。支護結構宜采用復合型支護機制，隧道開挖后，施工方可加強沉降監測，根據沉降監測數據，進行初次支護、洞身襯砌等工作，確保圍巖結構穩定，減少沉降風險。

參考文獻

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