孫慶旭

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 浙江杭州 310000)

泥巖地層下的淺埋隧道沉降控制措施

孫慶旭

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 浙江杭州 310000)

泥巖地層下的淺埋隧道拱頂沉降控制難度很大，經(jīng)常超出規(guī)定允許的控制值，影響施工進(jìn)度。文章通過對成都地鐵18號線試車線隧道的工程案例分析，通過對支護(hù)措施和沉降監(jiān)測控制預(yù)警值的優(yōu)化調(diào)整，使沉降得到了有效控制，保證了施工的順利進(jìn)行。

淺埋隧道； 沉降控制； 監(jiān)測預(yù)警值； 泥巖地層； 鐵路隧道

由于泥巖強(qiáng)度比較低，具有膨脹性，遇水又極易軟化，所以在泥巖地層地質(zhì)條件下進(jìn)行地下隧道工程施工，隧道會很容易發(fā)生變形，既耽誤施工工期，又增加施工成本。特別是在淺埋隧道富水地段，開挖后的地層應(yīng)力都作用于拱架之上，由于地層遇水軟化，導(dǎo)致鋼架拱腳的支撐作用急劇降低，造成拱頂沉降超出預(yù)警值。根據(jù)現(xiàn)行的監(jiān)控管理制度，沉降一旦超過預(yù)警值，必須加固加強(qiáng)初期支護(hù)和穩(wěn)固支護(hù)結(jié)構(gòu)，減緩沉降速率，必要時甚至停工整改。一般情況下沉降剛超出預(yù)警值時還是安全可控的，但必須采取有效措施加強(qiáng)施工過程管控，加強(qiáng)安全化管理，通過對沉降控制監(jiān)測預(yù)警值和支護(hù)措施的優(yōu)化調(diào)整來控制沉降。

1 工程項(xiàng)目背景

成都地鐵18號線試車線隧道位于合江車輛段，長度2 060 m，采用2 ‰的單面上坡，設(shè)計(jì)時速為140 km/h。為保障工期，兼顧運(yùn)營通風(fēng)及防災(zāi)救援，盡頭設(shè)置一長度為83 m的斜井，斜井坡度12.64 %。隧道洞身采用單車道馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，隧道斷面內(nèi)輪廓面積49.06 m2。隧道最大埋深為260 m，穿越地層主要為泥巖及砂巖，全隧分布有淺層天然氣地層，設(shè)計(jì)全隧為高瓦斯隧道。實(shí)測隧道進(jìn)口巖層層理產(chǎn)狀為N30°E/12°NW，節(jié)理產(chǎn)狀為N52°E/85°SE、N83°W/90°，視傾角10°。隧道進(jìn)口存在仰坡順層，對隧道開挖影響較大。

試車線隧道從開工以來，一直發(fā)生沉降，根據(jù)《鐵路隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》要求，地表沉降及拱頂沉降的累計(jì)變化預(yù)警值和控制值及變化速率的預(yù)警值的設(shè)置如表1所示。

表1 隧道地表沉降與拱頂沉降監(jiān)控量測數(shù)值

經(jīng)過長時間的監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，隧道進(jìn)口地表沉降最大值已達(dá)到103.9 mm，超過累計(jì)變化預(yù)警值100 mm的報警條件，已進(jìn)行黃色預(yù)警。其他各測點(diǎn)的地表沉降變化曲線見圖1。

圖1 試車線隧道進(jìn)口地表沉降變化曲線

從圖1中可以看出，進(jìn)口地表沉降在支護(hù)措施施加之后依舊沒有停止的趨勢，隨著開挖的不斷進(jìn)行，地表沉降一直在發(fā)展，并超過設(shè)定的預(yù)警值。根據(jù)監(jiān)控量測技術(shù)管理規(guī)程，超限后需停工整改，加強(qiáng)現(xiàn)場管控。

2 沉降控制的基本原理

2.1 淺埋暗挖法隧道支護(hù)的基本原理

淺埋暗挖法又稱礦山法，是在借鑒新奧法的某些理論基礎(chǔ)上，針對中國的具體工程條件開發(fā)出來的一整套完善的淺埋隧道修建理論和操作方法。與新奧法的不同之處，它是適合于城市地區(qū)松散土介質(zhì)圍巖條件下，隧道埋深小于或等于隧道直徑，以很小的地表沉降修筑隧道的技術(shù)方法。新奧法是新奧地利隧道施工方法的簡稱，以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段，并通過對圍巖和支護(hù)的監(jiān)控量測，通過調(diào)整支護(hù)措施來指導(dǎo)隧道施工的一種施工方法。

淺埋暗挖法是一項(xiàng)邊開挖邊澆注的施工技術(shù)。其原理是利用土層在開挖過程中短時間的自穩(wěn)能力，采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，使圍巖或土層表面形成密貼型薄壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的不開槽施工方法，主要適用于黏性土層、砂層、砂卵層等地質(zhì)。采用淺埋暗挖法進(jìn)行隧道施工，通過施作支護(hù)措施以穩(wěn)固圍巖，運(yùn)用爆破技術(shù)或機(jī)械挖掘等方式進(jìn)行斷面開挖施工，形成復(fù)合式內(nèi)外兩層襯砌來修建隧道的洞身，即以噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐等為外層支護(hù)形式，稱為初次柔性支護(hù)，并在初支結(jié)束后施作二次襯砌形成復(fù)合式襯砌隧道支護(hù)體系。由于埋深較淺，尤其在遇到軟弱圍巖時，圍巖的自承作用無法發(fā)揮，導(dǎo)致沉降不能得到有效控制，有時多個監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)值都超過100 mm。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在泥巖地層中，淺埋暗挖法隧道利用“新奧法”調(diào)動地層的自身承載的作用不能得到有效的發(fā)揮。

2.2 沉降機(jī)理

隧道沉降主要包括拱頂沉降和地表沉降兩部分，其主要成因從兩個因素去分析，地質(zhì)和水文地質(zhì)變化做為沉降的客觀條件，人為的施工活動是沉降的主觀條件。地面沉降是在不良地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下，采用不適當(dāng)方法進(jìn)行施工活動的結(jié)果，其中客觀條件占主導(dǎo)地位。在比較好的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下，即使施工方法不妥，還不至于釀成大禍。反之在不良地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下，施工方法稍有疏忽，就可能造成災(zāi)難性事件。

2.3 沉降控制機(jī)理

通過注漿堵塞泥水進(jìn)入隧道的通路，同時錨固掌子面，增強(qiáng)掌子面前方土體抗剪能力。施工時應(yīng)盡快封閉掌子面，形成臨時的、完整的支護(hù)體系，縮短掌子面開挖的自由面暴露時間，減小圍巖的變形時間，增強(qiáng)鋼拱架的剛度。鋼拱架安裝時應(yīng)緊貼圍巖面，使其能盡快發(fā)揮支撐作用，有效的減小圍巖變形量。

3 沉降控制措施

3.1 超前注漿

隧道進(jìn)口主要通過泥巖，并含有一定的砂巖，涌水較多。通過該地段時，在拱頂150°范圍內(nèi)施作4.5 m小導(dǎo)管，超前支護(hù)兼顧超前探水探土，若遇成股水流，則立即采用小導(dǎo)管注漿加固圍巖，堵塞流水通道，防止地層水土流失和沉降加劇。

3.2 初支背后注漿及二襯背后回填注漿

在拱頂沿縱向每隔2 m布置回填注漿孔，初期支護(hù)完成3 d后立即回填注漿，防止空頂造成地面塌陷。在完成二次襯砌30 d后及時回填注漿，填充二次襯砌與初期支護(hù)之間的空隙，加強(qiáng)復(fù)合式襯砌的整體性，防止地面塌陷。

3.3 嚴(yán)控洞內(nèi)用水

泥巖遇水易軟化，喪失自承能力，造成施工危險系數(shù)增高。泥巖地層下的隧道施工應(yīng)嚴(yán)控洞內(nèi)施工用水，及時梳排掌子面流水，必要情況下用水泵抽吸掌子面附近積水，防止水軟化圍巖，加重地表沉降。

3.4 采用三臺階工法及時封閉成環(huán)

考慮到淺埋隧道施工為了降低對土體擾動，采用三臺階施工工法，將開挖斷面分成上中下三個更小的斷面，及時施作鋼拱架。在沉降較大地段，采用擴(kuò)大拱腳法，在上臺階，架設(shè)斜支撐，擴(kuò)大拱腳與地層的接觸面積，增大拱腳的支撐應(yīng)力。在拱腳處，設(shè)置鎖腳注漿錨管，并將鋼架與鎖腳錨管連接牢固，控制鋼架沉降。必要情況下，增設(shè)臨時仰拱，及時將上臺階封閉成環(huán)，控制沉降非常有效。

3.5 合理調(diào)整沉降的監(jiān)測控制值

隧道穿越泥巖地層時，由于泥巖地層為全風(fēng)化泥巖，泥巖較破碎，隧址區(qū)又緊靠龍泉驛斷層，屬于擠壓破碎巖，在該地層下的礦山法淺埋隧道，沉降控制難度較大。為節(jié)約施工成本，加快施工進(jìn)度，控制施工工期，合理調(diào)整地表沉降和拱頂沉降的預(yù)警控制值是非常有必要的。調(diào)整地表沉降報警控制值的前提：

(1)地表無建筑物，地表的沉降對周邊構(gòu)筑物無影響。

(2)隧道初期支護(hù)和二次襯砌表面形態(tài)完整，表面無裂縫等影響安全的情況。

(3)沉降預(yù)警控制值的調(diào)整是在采用上述沉降控制措施之后沉降繼續(xù)發(fā)生才可以進(jìn)行調(diào)整的。調(diào)整不可一次到位，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況逐次逐級調(diào)整。

(4)沉降預(yù)警控制值的調(diào)整應(yīng)伴隨著隧道預(yù)留變形量的調(diào)整而進(jìn)行。

(5)沉降控制值的調(diào)整應(yīng)依據(jù)相應(yīng)類似工點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比選后調(diào)整。

4 措施采用后沉降效果分析

地表沉降控制措施是否有效應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，地表沉降值的調(diào)整也應(yīng)以現(xiàn)場的施工安全為前提。調(diào)整后的隧道進(jìn)口拱頂沉降變化曲線如圖2所示。

圖2 調(diào)整后的試車線隧道進(jìn)口拱頂沉降變化曲線

從圖2可知，采用臨時仰拱后，地表沉降得到了有效控制，臨時封閉成環(huán)可以有效的控制拱頂沉降。在上下臺階轉(zhuǎn)換時，即拆除上臺階臨時仰拱施作下臺階時，沉降會急劇擴(kuò)大，日速率甚至?xí)^10 mm/d，但下臺階仰拱封閉之后的速率會立即得到控制。沉降控制的措施有效，且沉靜控制預(yù)警值的調(diào)整也是適合的。

5 結(jié)束語

淺埋暗挖法隧道在施工過程中，為控制地表和拱頂沉降，確保工程施工安全，降低工程成本，應(yīng)綜合采用多種措施。如小進(jìn)尺、小斷面開挖，超前注漿、控制爆破、及時封閉成環(huán)、擴(kuò)大拱腳、二次襯砌的提前施作等，目的均是為了加強(qiáng)拱腳的支撐力，控制鋼架自重引起的沉降。鎖腳錨桿的采用也是加強(qiáng)圍巖的支撐力，進(jìn)而控制鋼架沉降，繼而控制拱頂沉降和地表沉降。泥巖地層條件較差，遇水極易軟化，如地下水較多時應(yīng)加強(qiáng)水的抽排力度，避免軟化拱腳圍巖，降低圍巖的支撐力。只有多種措施的綜合采用，才可以有效的控制泥巖地層下的隧道沉降。結(jié)合類似工程的案例，對沉降控制預(yù)警值的調(diào)整也非常有必要，可以使得工程管控更加合理，進(jìn)度更有保障。

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[定稿日期]2017-11-29

孫慶旭(1985～)，男，碩士研究生，工程師,從事BIM技術(shù)工作及隧道相關(guān)技術(shù)工作。

U456.3

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