夏曾銀，趙 勝

(中鐵隧道集團京隧建公司，北京 100022)

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，地鐵線路穿越城市密集區(qū)的概率和范圍越來越大，且沿線一般存在大量地下城市生命線工程和地上敏感建(構(gòu))筑物，隧道工程不可避免地需要從其下部和旁側(cè)近距離穿越。目前，暗挖隧道下穿淺基建筑物施工已經(jīng)積累了一定的經(jīng)驗;但是，由于土體特征具有明顯的地域性，施工工況具有較強的針對性，對于大跨下穿淺基建筑暗挖隧道出現(xiàn)初期支護變形過大、開裂險情的處置方案不盡相同，缺乏完整、系統(tǒng)的文獻支持。本文以深圳地鐵某大跨暗挖隧道下穿淺基建筑為例，分析初期支護開裂的原因，并對后續(xù)施工處理方案進行介紹，以期為今后類似隧道的設(shè)計、施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

深圳地鐵某并線段區(qū)間為單洞雙線暗挖隧道，全長48.25 m，設(shè)有喇叭口 D，E2種斷面(見圖1)，拱頂埋深約15～17 m。隧道頂部覆土主要為素填土層、坡積黏土、殘積礫(砂)質(zhì)黏土;除進洞口段13 m范圍風(fēng)洞身下部為全風(fēng)化粗?；◢弾r外，其余洞身地層為礫(砂)質(zhì)黏土;地下水位埋深1.1～6.0 m，隧道圍巖級別為Ⅵ級。該隧道下穿的某景區(qū)辦公樓(5層混凝土整體框架結(jié)構(gòu))及景點教堂(3層混凝土整體框架結(jié)構(gòu))均為柱下獨立擴大基礎(chǔ)，其中辦公樓受相鄰地鐵車站深基坑施工影響，東側(cè)墻面已出現(xiàn)裂紋。房屋與隧道平面位置關(guān)系見圖2。

隧道采用淺埋暗挖法(雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法)施工，復(fù)合式襯砌。拱部采用φ133大管棚+φ42注漿小導(dǎo)管聯(lián)合超前支護;洞內(nèi)全斷面深孔壓注MC超細水泥－水玻璃雙液漿預(yù)加固;有條件段對開挖輪廓線外3 m范圍以內(nèi)地層采用φ600@450 mm密排旋噴樁進行地表加固;房屋基礎(chǔ)下設(shè)φ60袖閥管跟蹤注漿。初期支護采用35 cm厚C25網(wǎng)噴混凝土+間距0.5 m格柵鋼架 +邊墻 φ32，長 3.5 m，間距 0.5 m ×0.75 m 注漿系統(tǒng)錨管聯(lián)合支護。

2 初期支護開裂及應(yīng)急搶險過程

2.1 初期支護開裂過程描述

該隧道設(shè)計分9部開挖，實際按6部進行。2008年11月11日前，隧道各步序正常開挖，初期支護各分塊及時封閉，初期支護表面無異常情況，地表辦公樓原有裂縫無明顯變化。11月11日—18日隧道左側(cè)(以面向工作面為基準，下同)上導(dǎo)坑中隔墻局部節(jié)點板處出現(xiàn)細小裂縫;11月18日下午發(fā)現(xiàn)左側(cè)上導(dǎo)坑YDK14+800～+775段邊墻格柵節(jié)點板附近出現(xiàn)縱向裂縫，寬度3～5 mm，同時發(fā)現(xiàn)地表辦公樓東側(cè)墻裂縫有增大趨勢，多位于填充墻及窗臺(見圖3);11月18日晚，各工作面停止施工，進行加固處理。各步序進展情況見圖4。

2.2 應(yīng)急搶險措施

險情發(fā)生后，遵循“抑制既有險情擴大、預(yù)防次生災(zāi)害發(fā)生”原則進行搶險。

1)隧道各工作面采用工鋼+網(wǎng)噴混凝土臨時封堵。

2)立即在左右側(cè)上導(dǎo)坑上部加設(shè)方木剪刀撐，中部(節(jié)點板上20 cm)加設(shè)Ⅰ18型鋼橫撐;下導(dǎo)坑節(jié)點板處加設(shè)方木橫撐(隔一撐一，直接撐格柵鋼架)，同時下導(dǎo)坑仰拱節(jié)點板上30 cm以下范圍內(nèi)澆筑C15混凝土鎖腳，并每隔5 m設(shè)2 m寬沙袋墻對中隔墻進行反壓。

3)加大頻率，每天24 h進行連續(xù)監(jiān)視監(jiān)測，及時反饋，并根據(jù)結(jié)果隨時繼續(xù)加強隧道加固。

圖4 各步序工作面進展Fig.4 Construction procedure

2.3 施工監(jiān)測情況

1)拱頂沉降。2008年11月14日—22日左右上導(dǎo)坑拱頂沉降均較大，左導(dǎo)坑最大沉降－29.23 mm(YDK14+793)、右導(dǎo)坑最大沉降 －29.79 mm(ZDK14+788);22日加固后，沉降量明顯減小并趨于穩(wěn)定;至12月1日，左導(dǎo)坑最大沉降－1.65 mm、右導(dǎo)坑最大沉降－1.09 mm。

2)水平收斂。2008年11月14日—22日水平收斂較大，左導(dǎo)坑最大收斂－33.06 mm(YDK14+793)、右導(dǎo)坑最大收斂－15.91 mm(ZDK14+798)，左側(cè)明顯大于右側(cè);22日加固后，收斂變化明顯減緩并趨于穩(wěn)定;至12月1日，左導(dǎo)坑最大收斂－1.33 mm、右導(dǎo)坑最大收斂－1.5 mm。

3)地表建筑物沉降。2008年11月14日—22日地表建筑物沉降變化較大，辦公樓最大沉降－16.38 mm、教堂最大沉降－10.44 mm;22日加固后，沉降明顯減緩;至11月29日，沉降基本趨于穩(wěn)定，辦公樓最大沉降－5.24 mm、教堂最大沉降 －3.18 mm。

現(xiàn)場加固后，根據(jù)變位時態(tài)曲線圖，各點變化都趨于平緩，現(xiàn)場監(jiān)視隧道內(nèi)及地表建筑物沒有新增及擴大裂縫、滲水加大及支撐變形情況發(fā)生，且未發(fā)現(xiàn)建筑物梁、柱裂縫。根據(jù)以上初步判定:加固后隧道及地表建筑物處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 原因分析

3.1 數(shù)值模擬

采用ABACUS軟件建模(網(wǎng)格劃分見圖5)，按照實際施工步序，模擬加固前各導(dǎo)坑開挖過程中的地層塑性區(qū)分布和發(fā)展?fàn)顩r。

圖5 網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Grids

1)左上導(dǎo)坑開挖。首先導(dǎo)坑內(nèi)側(cè)壁中部地層產(chǎn)生塑性區(qū)(見圖6)，隨著開挖進行，逐漸向深處發(fā)展，且外側(cè)壁中部地層也產(chǎn)生塑性區(qū)(見圖7)。左上導(dǎo)坑支護完畢后，外側(cè)地層塑性區(qū)深度達2.1 m，內(nèi)側(cè)達2.3 m。結(jié)果揭示:地層塑性區(qū)發(fā)展和分布與現(xiàn)場導(dǎo)坑兩側(cè)裂縫出現(xiàn)順序和位置是相吻合的。

2)左下、右上導(dǎo)坑開挖。隨著施工進行和地層應(yīng)力重新分布，塑性區(qū)不斷發(fā)展。其中，內(nèi)側(cè)地層塑性區(qū)繼續(xù)向深度發(fā)展并在左下、右上導(dǎo)坑開挖后貫通(見圖8);支護完畢后，左上、下導(dǎo)坑外側(cè)地層塑性區(qū)連結(jié)成片，最深為2.6 m，右上導(dǎo)坑外側(cè)地層塑性區(qū)深度達到2.4 m(見圖9)，產(chǎn)生和左上導(dǎo)坑同樣塑性區(qū)，且上、下導(dǎo)坑分界處塑性區(qū)不斷加大。

3)左右導(dǎo)坑開挖完成后。到右下導(dǎo)坑開挖結(jié)束并施作支護后，左右導(dǎo)坑塑性區(qū)分布基本對稱，導(dǎo)坑中部地層塑性區(qū)完全貫通并分布于整個開挖面，外側(cè)塑性區(qū)深度最大為3.4 m(見圖10)。

圖10 左右導(dǎo)坑開挖完成并支護后塑性區(qū)分布Fig.10 Distribution of plastic zone after left and right guide tunnel excavation and support

3.2 主要原因

根據(jù)數(shù)值模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場具體險情，初期支護開裂主要原因有:

1)隧道開挖9部變6部，違反設(shè)計要求?？紤]到喇叭口D斷面隧道上方地表荷載(5層辦公樓)較E斷面(3層教堂)大，而要求喇叭口D斷面分9部、E斷面分6部開挖。在隧道施工時，只注重施工方便及進度指標(biāo)，而未深刻理解設(shè)計理念。

2)由于兩側(cè)導(dǎo)坑為兩頭尖中間凸?fàn)钬Q向布置，6部開挖格柵被過度分割，側(cè)導(dǎo)坑1部、3部上下臺階節(jié)點板處 (即裂縫處)為受力最不利位置，卻未設(shè)橫撐。喇叭口D斷面原設(shè)計分9部，通過設(shè)置橫撐改善了側(cè)壁節(jié)點板處的受力狀況;E斷面設(shè)計雖分6部，但卻加大了側(cè)導(dǎo)坑跨度，亦改善了側(cè)壁節(jié)點板處的受力狀況。

3)從施工組織來看，亦存在不合理之處。整體施工步序沒有突出各部(步)，特別是形狀優(yōu)美的整個隧道斷面快速閉合的成環(huán)思路，各部之間不合理的間距使隧道支護的時空效應(yīng)投入到“風(fēng)險”的懷抱。比如2部、3部之間縱向未錯開一定距離，而采取平行開挖加速了中洞土體塑性區(qū)的發(fā)展，中導(dǎo)坑5部未及時開挖，不能及時將側(cè)導(dǎo)坑初期支護部分的彎矩轉(zhuǎn)化為軸力。

4)工藝質(zhì)量缺陷較多。包括節(jié)點板連接不好、房屋基礎(chǔ)跟蹤注漿深度大、壓力高及邊墻系統(tǒng)錨桿未完全施作和初期支護背后回填注漿不及時。節(jié)點板連接不好是初期支護開裂的重要原因，部分節(jié)點板張口較大，大幅度削弱了初期支護的結(jié)構(gòu)強度;施工圖中未量化跟蹤注漿深度及壓力，因淺孔注漿易冒漿，而采取了深孔注漿(深至拱頂上方3 m)，壓力達1.8 MPa，對未整體形成扁平狀的初期支護壓力很大;邊墻系統(tǒng)錨桿采用長3.5m，φ32注漿錨管，由于忽視了注漿錨管改善地層作用，施工中沒有保證足夠的密度和范圍，使松弛區(qū)擴大引起初期支護所承受荷載加大;遲到或尚未及進行的初期支護背后回填注漿，使支護與地層間連續(xù)抗力－荷載喪失存在的意義，從而加大了松弛區(qū)的不利作用。

4 施工對策

通過原因分析，參照監(jiān)測資料及專家意見，遵循“以人為本，確保隧道穩(wěn)定、房屋安全優(yōu)先，措施寧強勿弱，應(yīng)急準備到位”原則，制訂已挖洞室加固處理、剩余隧道均衡開挖、隧道二次襯砌緊跟開挖及地表房屋基礎(chǔ)下跟蹤注漿的綜合處治方案。

4.1 已挖洞室加固

已挖洞室加固采取“強錨固+強內(nèi)襯”方案，即在已有隧道初期支護內(nèi)側(cè)再增設(shè)一層支護體，支護體沿原設(shè)計隧道初期支護內(nèi)側(cè)及中壁土柱全環(huán)設(shè)置，與原初期支護體系共同受力，并在兩側(cè)導(dǎo)坑邊墻范圍對應(yīng)格柵設(shè)置自進式中空錨桿，施加預(yù)應(yīng)力，實現(xiàn)強錨固，確保隧道及地面建筑物安全，并結(jié)合對開挖輪廓線外3.5 m范圍內(nèi)地層和中間核心土體補注漿加固一并實施(見圖11)。其施工程序為:強錨固—節(jié)點板接頭加強—強內(nèi)襯—周邊及中間土體加固—下步開挖。

圖11 已挖洞室加固處理Fig.11 Reinforcement of excavated tunnel

1)徑向強錨固。采用φ25自進式中空注漿錨桿，長6.0 m，間距0.5 m ×0.8 m(縱 × 環(huán))錨桿與鋼架對應(yīng)設(shè)置，并先低壓后高壓壓注濃水泥單液漿錨固，形成圍巖－支護體系。變形較大地段按8根設(shè)置于邊墻，其余地段按2根設(shè)置于邊墻鋼架上、下接頭處。當(dāng)漿體達到85%強度后，采用扭力扳手進行張拉，張拉力不小于7 t。

2)節(jié)點板接頭加強。錨桿施工完畢后，以2榀格柵為1個單元。將水平裂縫上下各10～15 cm分段鑿開檢查連接情況。若發(fā)現(xiàn)節(jié)點板不密貼，則以形狀、尺寸合適的鋼筋填塞開口處并與其焊接牢固，同時以雙面焊對格柵4根主筋節(jié)點連接處各幫焊一根φ28鋼筋，上下搭接3～5 d;若臨土側(cè)2根主筋難以實施，可采取單面幫焊2根φ28鋼筋方式代替，最后將鑿開處補噴密實或灌注微膨脹細石混凝土。

3)強內(nèi)襯。設(shè)計通過調(diào)整線路中線、減小襯砌內(nèi)凈空和減小襯砌厚度加強配筋等措施爭取強內(nèi)襯所需空間。強內(nèi)襯新增設(shè)支護體采用網(wǎng)噴混凝土+錨筋+型鋼鋼架聯(lián)合支護，沿隧道全長設(shè)置220 mm厚C25早強混凝土全環(huán)及臨時中壁柱支護。φ8，@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)格全環(huán)單層設(shè)置，鋼筋網(wǎng)置于鋼架腹腔與其連接牢固;φ22，長 0.3 m，間距 0.5 m ×0.75 m 錨筋菱形布置，縱向?qū)?yīng)鋼架與原初期支護連接。型鋼鋼架全環(huán)及中壁柱設(shè)置間距0.5 m，與原初期支護格柵鋼架錯開布置，全環(huán)分8個單元，單元劃分錯開原支護節(jié)點板位置并設(shè)在受力較小部位。強內(nèi)襯由洞口向洞內(nèi)逐次推進，遇初期支護侵入凈空地段，應(yīng)暫時跳過最后施作，以確保安全。

4)土體改良。由于兩側(cè)導(dǎo)洞開挖，使中洞大部土體和邊墻周邊土體處于塑性區(qū)范圍，需對其改良加固。已挖洞室分段完成上述加固后，先對中洞土體分淺、深孔注漿改良，再對邊墻周邊土體進行深孔改良加固。

①中洞補充注漿加固。為了填充臨時支撐背后孔隙和改善其受力狀態(tài)，先淺層注漿，接著深層注漿加固，以期改善中間剩余土體的穩(wěn)定性和強度。淺層表注漿孔按0.5 m×1 m(縱×環(huán))梅花形交錯垂直施工面布孔，深為1 m，在下斷面拱腳位置按30°，45°傾角布置2根φ32，長1.5 m斜插鋼管注漿，水泥－水玻璃雙液漿壓注，水玻璃濃度30 Be'，W∶C=(1.0 ～1.2)∶1，C∶S=1∶1，初壓宜為 0.1 ～0.15 MPa，終壓不大于 0.3 MPa，主要以壓力控制;深層注漿孔與淺孔一樣，深3 m，在下斷面拱腳位置按30°傾角布置1根φ32，長3.5 m斜插鋼管注漿，水泥單液漿壓注，W∶C=(0.6 ～0.8)∶1，外摻0.5%減水劑，初壓宜為0.1 ～0.3 MPa，終壓不大于0.5 MPa，主要以壓力控制。

②邊墻周邊土體注漿加固。在兩側(cè)邊墻布設(shè)φ32，長3.5 m，間距0.5 m ×0.75 m(縱 × 環(huán))徑向注漿錨管，采用W/C=0.5～0.55濃水泥漿，當(dāng)漿液可注性不足時，可摻加減水劑，摻量以1%為基準，通過試驗確定，壓力控制在0.5 MPa以下。

4.2 剩余隧道開挖

要求均衡開挖，每步間保持適當(dāng)步距，縱向錯開4～6 m。主要措施有:

1)橫撐一體化。中洞開挖前對現(xiàn)有兩側(cè)導(dǎo)洞所架設(shè)橫撐采用φ22，@500mm鋼筋焊接。

2)拱腳加固。為防止格柵下沉，在拱腳設(shè)縱向型鋼或支墊木板，同時在拱腳處及其向上1 m分別設(shè)一道鎖腳錨桿，每道2根，長度3.5 m。

3)格柵分節(jié)。兩側(cè)4個導(dǎo)坑均一次開挖，預(yù)留核心土，每個導(dǎo)坑由原來2節(jié)格柵合并為1節(jié)。

4)中洞開挖。分3臺階，按側(cè)導(dǎo)坑位置設(shè)2道橫撐，上、中臺階步距為2 m，中、下臺階為4～5 m。上臺階開挖前施作φ42超前小導(dǎo)管，并壓注水泥漿，W/C=0.8～1，壓力控制在1.0 MPa以下。由于兩側(cè)導(dǎo)坑因測量誤差和施工誤差存在鋼架不同步問題，導(dǎo)致中洞拱部格柵無法采用螺栓連接，要求將拱部格柵節(jié)點分在總長1/3處，左右錯置，承插幫焊方式連接(格柵加工時預(yù)先加長，安裝時互相承插，交叉部位2根主筋雙面幫焊1根φ28螺紋鋼，搭接長度5 d，最后現(xiàn)場安裝承插段箍筋、U型筋及“之”字筋)。

5)初期支護背后回填注漿。拱、墻、底部依次分別按照2 m×2 m，4 m×4 m，1 m×1 m梅花形布置回填注漿管，管長60 cm，以不大于0.2 MPa的無收縮漿液低壓回填注漿。

圖12 建筑物跟蹤注漿示意圖Fig.12 Following grouting of the building

4.3 二次襯砌

二次襯砌縱向分段，每段6 m，緊跟開挖，二次襯砌與仰拱作業(yè)面保持2 m步距，二次襯砌采取主動換撐+拱墻整體澆筑方案。首先澆筑中洞部分仰拱及填充混凝土，然后在其頂面安裝φ273@2 m鋼管中立柱，柱頂設(shè)弧形法蘭，背后預(yù)鋪防水板。對中立柱施加預(yù)頂力，再拆除臨時中隔壁及臨時橫撐，澆筑側(cè)洞仰拱及填充混凝土，最后施作拱墻二次襯砌。待拱部混凝土達到90%強度后拆除鋼管中立柱，用微膨脹防水混凝土填充孔洞。

4.4 地表建筑物保護

1)地下水位觀測。為及時掌握地下水變化情況，根據(jù)現(xiàn)場，在辦公樓南北側(cè)及教堂南側(cè)各設(shè)1個水位觀測井(兼回灌孔)。設(shè)置于隧道開挖輪廓線外3 m以內(nèi)，深28 m。施工過程中加強地下水位觀測，根據(jù)觀測結(jié)果，必要時進行回灌。

2)地表動態(tài)跟蹤注漿。通過多臺注漿設(shè)備、多注點動態(tài)注漿結(jié)合全過程監(jiān)控量測來控制建筑物基礎(chǔ)沉降量。采用可多次重復(fù)注漿的袖閥管分段注漿。首先，對已挖洞室上方建筑物地基進行注漿加固，以防止建筑物繼續(xù)沉降;其次，后續(xù)施工全過程監(jiān)控沉降并實施淺層注漿控制及調(diào)整沉降。

①注漿孔位布置。根據(jù)現(xiàn)場，在每座建筑物柱下獨立擴大基礎(chǔ)布設(shè)2～3個注漿孔，孔底及孔口間距均不得小于1.8 m，以防串漿。從建筑物四周地表斜向下鉆孔至基礎(chǔ)下，注漿孔孔底垂直深度根據(jù)建筑物高度不同分2種，辦公樓下為5 m，教堂下為6.5 m。布孔橫斷面見圖12。

②注漿材料。采用水泥－水玻璃雙液漿，水玻璃濃度 30 Be'，W∶C=(0.8 ～1)∶1，C∶S=1∶1。

③注漿參數(shù)。注漿壓力 P地基加固=0.3 ～0.6 MPa，P動態(tài)注漿=0.8 ～1.2 MPa;擴散半徑 R=0.8 m;注漿分段長度0.5 m;注漿結(jié)束以壓力控制標(biāo)注。

④鉆孔機具。采用MGY—60B型錨桿鉆機，此鉆機利用高壓風(fēng)吹土出孔，可以避免在鉆進過程中需要泥漿護壁而引起建筑物基礎(chǔ)下的水土流失。

⑤注漿過程控制標(biāo)準。對布置于辦公樓及教堂上的監(jiān)控量測點進行觀測，當(dāng)某點量測結(jié)果超過警戒值時，對基礎(chǔ)實施動態(tài)注漿，直到沉降值恢復(fù)到警戒值以內(nèi)。根據(jù)建筑物的形式和重要程度設(shè)立警戒值:監(jiān)控量測點沉降值為0.8 mm/d，每10 m不均勻沉降為12 mm，抬升速率不大于1.5 mm/d。施工過程中，需每隔8 h對每個監(jiān)控量測點觀測1次，并即時反饋量測信息，采取調(diào)控注漿。沉降觀測點采用精密水準儀觀測，應(yīng)由專人負責(zé)。

5 結(jié)論與討論

通過采取上述施工方法及輔助措施，暗挖隧道安全地通過了辦公樓及教堂，控制了其沉降在允許范圍內(nèi)，保證其正常使用。通過本文分析研究，得出以下結(jié)論:

1)動態(tài)設(shè)計與施工是地下工程，尤其是暗挖工程的生命。首先需深刻剖析施工環(huán)境，把握設(shè)計意圖，提前對工況模擬、結(jié)構(gòu)驗算、細節(jié)完善等全面細致考慮且確保流程規(guī)范。地下工程建設(shè)領(lǐng)域推行設(shè)計施工總承包模式，可實現(xiàn)安全與效益、質(zhì)量與投資的和諧統(tǒng)一，但對承建商的門檻，行業(yè)主管部門要嚴格把關(guān)。

2)監(jiān)測是地下工程的眼睛。通過動態(tài)監(jiān)測，提前分析預(yù)測，準確全面把握地下工程支護可能或即將出現(xiàn)的異常因素，是超前、正確應(yīng)對險情的重要前提之一。

3)地下工程暗挖工法發(fā)展到今天，其工藝、措施日臻完善。暗挖斷面越來越大是發(fā)展方向之一，化大為小、分部施工、環(huán)環(huán)封閉是關(guān)鍵，同時要求保持步距錯進，切忌平行施工，通過各分部的輔助措施，改善周邊地層，減少塑性區(qū)疊加，控制沉降速率，減少總沉降量。工藝質(zhì)量是否達標(biāo)是施工安全控制的關(guān)鍵點，切忌規(guī)避由于工藝落實不到位影響工法生命，尤其是超前支護、預(yù)注漿、回填注漿、系統(tǒng)錨桿等非主體結(jié)構(gòu)的隱蔽工程。

4)通過地表跟蹤注漿方式對淺基礎(chǔ)加固和房屋抬升是行之有效的方法。跟蹤注漿深度宜以淺層為主，遵循“多次、多點、少量、間隔”原則，嚴格控制抬升量，抬升速率宜控制在1.5 mm/d。若采用深層注漿，易對隧道結(jié)構(gòu)造成傷害。

5)由于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法可能會因測量誤差和施工誤差引起鋼架連接困難，尤其是中洞拱部，難以達到嚴格意義上的格柵等強度成環(huán)。因此，大跨淺埋暗挖隧道下穿淺基建筑時不宜采取該工法。

6)軟弱圍巖中大斷面隧道施工為圖施工方便而過度分割初期支護鋼架，會使其剛度大幅度衰減，留下安全隱患。

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