孫玉輝，孫增偉，王金明，南文勝

(北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038)

1 工程概況

某地鐵區(qū)間風(fēng)井?dāng)嗝鏋榫匦螖嗝妫_挖尺寸寬 7 m×長14.6 m，開挖深度 28.25 m，采用倒掛井壁法分三部分施工(三部分凈尺寸分別為 6.3 m×4.85 m、6.3 m×3.6 m、6.3 m×4.85 m)，初支厚度 0.35 m，臨時(shí)中隔壁厚度 0.3 m；風(fēng)道斷面為雙層拱頂拱底直墻斷面，開挖尺寸寬 12.9 m×高 16.67 m，覆土厚度為 9.98 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分四層施工，初支厚度 0.35 m，臨時(shí)仰拱及臨時(shí)中隔壁厚度 0.3 m。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。風(fēng)道垂直下穿城市主干道、雨水、污水和燃?xì)夤芫€等一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖及風(fēng)井風(fēng)道結(jié)構(gòu)、環(huán)境相互關(guān)系圖

場地巖土主要為人工填土，新近沉積土，粉細(xì)砂、粉土及軟塑性粉質(zhì)黏土等。共存在三層水。

具體各風(fēng)險(xiǎn)源與地下結(jié)構(gòu)相對(duì)位置平面關(guān)系、水文地質(zhì)情況如圖1所示。

1.1 風(fēng)井及風(fēng)道的初期支護(hù)設(shè)計(jì)

風(fēng)井、風(fēng)道初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示。

豎井初期支護(hù)參數(shù) 表1

風(fēng)道初支支護(hù)參數(shù) 表2

1.2 施工方案設(shè)計(jì)

開挖區(qū)間風(fēng)井井口土體至鎖口圈梁底部，壓實(shí)鎖口圈底部土體，整體澆注井口鋼筋混凝土圈梁，并預(yù)埋好各種預(yù)埋件；然后向下開挖土方，逆作法施作初期支護(hù)：掛鋼筋網(wǎng)、架鋼格柵及工字鋼角撐、初噴混凝土，焊豎向連接筋，噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度；重復(fù)上述步驟向下開挖，開挖步長同格柵間距，直至井底并封底，待區(qū)間風(fēng)井封底后，由下往上分段分區(qū)施作區(qū)間風(fēng)井二襯結(jié)構(gòu)，分段長度不大于 5 m，待區(qū)間風(fēng)井二襯結(jié)構(gòu)施做完畢且混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，分層、分區(qū)破除區(qū)間風(fēng)井初支結(jié)構(gòu)側(cè)向井壁，并分層、分區(qū)開挖區(qū)間風(fēng)道土體。鑿除馬頭門范圍內(nèi)井壁混凝土?xí)r，應(yīng)同步架設(shè)區(qū)間風(fēng)道格柵鋼架并與井壁格柵焊接牢固，前三榀格柵聯(lián)排，待架設(shè)完畢后，打設(shè)超前小導(dǎo)管，開挖區(qū)間風(fēng)道土體，并及時(shí)施作初期支護(hù)。

區(qū)間風(fēng)道分四層三列共12部分開挖，各層導(dǎo)洞采用臺(tái)階法并留設(shè)核心土開挖，臺(tái)階長度 2 m～4 m，上下相鄰導(dǎo)洞錯(cuò)開間距不小于 5 m。風(fēng)道開挖步長為格柵間距。具體風(fēng)井、風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖2所示：

圖2 豎井、風(fēng)道、鎖口圈結(jié)構(gòu)圖

1.3 施工過程中地下水處理方案

采用深孔注漿止水方法對(duì)施工過程中遇到的水進(jìn)行處理。豎井開挖過程中：開挖土方遇到水時(shí)，對(duì)風(fēng)井四周 2 m范圍內(nèi)土體進(jìn)行深孔注漿，確保形成止水帷幕，保證無水施工；風(fēng)道開挖過程中同樣采用全斷面 2 m范圍內(nèi)深孔注漿進(jìn)行止水及土體加固。

1.4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源情況，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為施工影響范圍內(nèi)的周邊環(huán)境及結(jié)構(gòu)自身變形。具體為：地表及道路沉降、地下管線沉降、豎井鎖口圈梁沉降、橫通道洞內(nèi)收斂及拱頂沉降等。具體監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖如圖3所示。

圖3 豎井、風(fēng)道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

2 施工中遇到問題及原因分析

2.1 風(fēng)井

風(fēng)井在開挖至10 m時(shí)遇到第一層水，開挖至 13 m時(shí)水量較大，風(fēng)井側(cè)壁出現(xiàn)滲水流砂現(xiàn)象，開挖至 17 m時(shí)由于風(fēng)井鎖口圈及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量較大暫停開挖并臨時(shí)封底。期間采取打設(shè)降水井(3月18日開始打設(shè)降水井，在基坑周邊共打設(shè)8眼降水井，并于3月26日開始抽水，連續(xù)抽水3天)、風(fēng)井周邊地表深孔注漿(4月4日～4月11日期間風(fēng)井暫停開挖，連續(xù)進(jìn)行地表深孔注漿)等措施控制鎖口圈及周邊地表沉降。具體風(fēng)井自身結(jié)構(gòu)(鎖口圈)、周邊地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線如圖4所示，根據(jù)開挖進(jìn)度所行車的坑邊沉降槽如圖5所示：

圖4 沉降時(shí)程曲線圖

圖5 基坑周邊沉降槽

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖4、圖5)，可以發(fā)現(xiàn)：

(1)風(fēng)井周邊監(jiān)測(cè)點(diǎn)及鎖口圈結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)整體沉降量較大，周邊地表最大沉降量 -54.05 mm，鎖口圈最大沉降量 -66.35 mm。并且鎖口圈沉降量整體大于周邊地表沉降量。

(2)沉降量主要發(fā)生在風(fēng)井開挖 10 m～17 m期間，期間沉降量占總沉降量60%。

(3)風(fēng)井周邊沉降槽明顯，說明周邊地表沉降主要原因是風(fēng)井開挖施工造成的。

通過精細(xì)化的監(jiān)測(cè)，綜合各方面的因素，對(duì)造成以上變形異常的原因分析如下：

(1)工程地質(zhì)。風(fēng)井處人工填土厚度約 1.0 m左右，新近沉積土厚度約 8.5 m，新近沉積層土質(zhì)軟，結(jié)構(gòu)性、均勻性較差，工程性質(zhì)不穩(wěn)定，承載力較小，對(duì)施工擾動(dòng)敏感，易產(chǎn)生變形。

(2)風(fēng)井開挖使用的龍門吊安裝在鎖口圈結(jié)構(gòu)上。施作鎖口圈時(shí)只對(duì)鎖口圈底部土體進(jìn)行壓實(shí)處理，并未做任何加固或換填處理，鎖口圈結(jié)構(gòu)直接坐落在新近沉積土上。根據(jù)驗(yàn)算，新近沉積土的承載力遠(yuǎn)小于龍門吊自身重量及其運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的震動(dòng)荷載，導(dǎo)致鎖口圈結(jié)構(gòu)沉降較大。

(3)未做鎖腳錨桿。根據(jù)風(fēng)井初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)(如表1)，風(fēng)井初期支護(hù)并未設(shè)置鎖腳錨桿?，F(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)風(fēng)井初期支護(hù)噴射混凝土存在不密實(shí)現(xiàn)象，造成初期支護(hù)與巖土之間密貼不實(shí)，鎖口圈底部土體承載力不足造成初期支護(hù)與土之間的摩擦力不足。造成鎖口圈下沉過大并且整體大于周邊地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量。

(4)未進(jìn)行降水。風(fēng)井開挖至10 m～17 m期間遇到第一層滯水，設(shè)計(jì)采用的逐漸止水效果不好，現(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)豎井開挖過程中坑壁出現(xiàn)滲水流砂現(xiàn)象，造成豎井側(cè)壁巖土水土流失，造成豎井周邊地表沉降。

2.2 風(fēng)道

風(fēng)道施工按圖2所示順序進(jìn)行開挖。開挖對(duì)應(yīng)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線如圖6所示，對(duì)應(yīng)地表不同時(shí)期沉降槽如圖7所示，以隧道中心對(duì)應(yīng)地表點(diǎn)為例，各導(dǎo)洞開挖造成對(duì)應(yīng)地表沉降量及占總沉降量比例如表2所示。

圖6 風(fēng)道對(duì)應(yīng)地表沉降時(shí)程曲線圖

圖7 風(fēng)道對(duì)應(yīng)地表沉降槽

隧道中心線對(duì)應(yīng)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)各導(dǎo)洞通過時(shí)沉降量及比例統(tǒng)計(jì)表 表2

從圖6、圖7及表2中可以看出：

(1)隧道開挖造成其對(duì)應(yīng)地表沉降量整體過大，其中隧道中心線對(duì)應(yīng)地表沉降量最大，最大值為 -148.06 mm，遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定控制值及道路評(píng)估變形允許值。

(2)隧道開挖過程中2#、3#導(dǎo)洞通過時(shí)開挖造成沉降量比例較大(2#導(dǎo)洞沉降量占總沉降量的17.86%，3#導(dǎo)洞沉降量占總沉降量27.49%)，中間導(dǎo)洞開挖對(duì)地表沉降影響最小，只占總沉降量3.5%左右。隧道斷面尺寸、上層導(dǎo)洞擾動(dòng)土體及群洞效應(yīng)是響應(yīng)地表沉降量大小的關(guān)鍵因素。

(3)在隧道開挖過程中，9、10#導(dǎo)洞開挖相對(duì)7、8#導(dǎo)洞開挖造成沉降比例相對(duì)較大，9、10#導(dǎo)洞開挖過程中遇到⑥2粉土及層間水，開挖過程中側(cè)壁、拱角處滲水較大，造成水土流失及初期支護(hù)格柵拱腳脫空，受力不佳。由此可看出施工過程中滲水、水土流失是造成地表沉降的主要原因。

(4)地表沉降槽明顯，說明隧道開挖是造成周邊地表沉降最主要原因。

(5)9月～12月導(dǎo)洞暫停開挖，期間地表沉降量幾乎無變化。具體如圖5所示。

綜合各方因素，造成以上結(jié)果的原因分析如下：

(1)工程水文地質(zhì)條件。

①根據(jù)勘察及現(xiàn)場驗(yàn)證，風(fēng)道拱部 500 mm以上有粉細(xì)砂夾層，并伴有層間水存在，在導(dǎo)洞1、2、5#開挖過程中水量較大；風(fēng)道3、4、6#導(dǎo)洞開挖斷面存在粉細(xì)砂層，位于第二層潛水層，在導(dǎo)洞開挖過程中滲水量較大，造成部分水土流失，造成沉降量過大。

②根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)描述，風(fēng)道開挖斷面巖土為含水率飽和狀態(tài)軟塑性粉質(zhì)黏土，該地層暴露時(shí)間較長易造成水分散失。該地層為北京西北山前地區(qū)特殊地層。

(2)施工過程中拱頂土體擾動(dòng)、格柵兩側(cè)拱腳脫空，受力較差。

施工過程巡視發(fā)現(xiàn)拱頂工程地質(zhì)較差，土體松動(dòng)并伴有滲水、開挖過程中拱頂擾動(dòng)較大，偶爾發(fā)生土體塌落，架設(shè)格柵時(shí)格柵距離圍巖空隙較大。格柵拱腳處滲水、粉質(zhì)黏土地層經(jīng)水浸泡后變成軟塑狀態(tài)，承載力較差，另外施工鎖腳錨桿不及時(shí)，均造成格柵拱腳受力點(diǎn)較差或沒有支點(diǎn)，格柵處于懸空狀態(tài)，以至于格柵整體下沉，根據(jù)隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)最大拱頂沉降為 75.16 mm。如圖8所示：

圖8 風(fēng)道1#、2#導(dǎo)洞洞內(nèi)拱頂沉降

(3)隧道斷面較大，拱頂過于偏平及開挖過程中群洞效應(yīng)也是造成地表沉降過大的原因之一。另外設(shè)計(jì)深孔注漿止水長度不滿足該地層止水要求，無法達(dá)到止水效果。

3 變形控制對(duì)策及效果

3.1 風(fēng)井開挖

(1)打設(shè)降水井降水

豎井在開挖10 m～17 m期間，側(cè)壁滲水流砂嚴(yán)重，原設(shè)計(jì)深孔注漿止水效果不理想。建議采用降水井降水。3月18日開始在豎井周邊共打設(shè)8眼降水井(其中7眼 35 m，1眼 50 m)，并于3月26日開始連續(xù)抽水3天。根據(jù)變形監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在豎井暫停開挖只進(jìn)行降水的情況下，豎井周邊地表每天沉降速率仍很大(具體詳見圖2所示)。綜合判斷目前進(jìn)行降水已晚，已不足彌補(bǔ)深孔注漿效果不理想造成側(cè)壁滲水流砂嚴(yán)重問題，降水可能造成周邊地表進(jìn)一步下沉。3月29日停止全部降水井抽水，包括豎井南側(cè)距離坑邊 5 m的生活用水井的使用。

為驗(yàn)證降水井降水可能造成周邊地表進(jìn)一步下沉，在新生活用水井(井深 80 m，距離坑邊 100 m)周邊布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(X-01距離井 5 m，X-02距離井 15 m，X-03距離井 25 m，X-04距離井 45 m)。具體各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形時(shí)程曲線如圖9所示?？梢钥闯觯航邓斐傻某两禐榇蠓秶鷧^(qū)域沉降，沒有明顯的沉降槽。生活用水井自開始投入使用經(jīng)過4個(gè)月時(shí)間周邊地層才固結(jié)完成，其中前30天沉降速率較大，最終由于抽水地層固結(jié)造成周邊地表沉降量穩(wěn)定在 -25.00 mm左右?？梢妴渭円揽拷邓邓疅o法滿足要求。

圖9 新生活用水井周邊地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)程曲線

(2)地表深孔注漿

打設(shè)降水井控制地表進(jìn)一步沉降效果不佳的情況下，決定采用在豎井周邊進(jìn)行地表垂直深孔注漿，作為豎井內(nèi)深孔注漿止水方法的補(bǔ)充。4月4日～11日開始在豎井周邊進(jìn)行深孔注漿，注漿范圍為豎井周邊含水地層。從圖2中可看出：注漿造成坑邊C2測(cè)點(diǎn)連續(xù)幾天上升，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)明顯反應(yīng)，但從整體上來看自地表深孔注漿后沉降時(shí)程曲線變緩，沉降速率變小，施工過程中滲水流砂現(xiàn)象得到一定的緩解。這說明地表深孔注漿有效地補(bǔ)充了豎井開挖過程深孔注漿止水方法，有效地控制住了豎井周邊地表的快速沉降。

(3)完善設(shè)計(jì)、加強(qiáng)措施

在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增設(shè)倒掛井壁初支格柵的鎖腳錨桿，確保格柵背后噴混密實(shí)，進(jìn)行小壓力初支背后回填注漿。確保初支結(jié)構(gòu)和其背后巖土的密貼性，增大初支與巖土之間的豎向摩擦力。

3.2 風(fēng)道開挖

(1)加強(qiáng)深孔注漿，確保注漿形成止水帷幕及加固地層。

施工過程加強(qiáng)掌子面全斷面深孔注漿，以開挖掌子面斷面出現(xiàn)交叉、平行的漿脈為判斷效果標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)風(fēng)道3、4、6#導(dǎo)洞位于第二層水潛水層，開挖斷面中有粉細(xì)砂層，滲水量較大，采取從上層導(dǎo)洞向下深孔注漿、在洞內(nèi)針對(duì)粉細(xì)砂層水平深孔注漿止水及采用化學(xué)漿液注漿等多種措施；同理，從風(fēng)道第2層導(dǎo)洞向下對(duì)風(fēng)道第3、4層進(jìn)行注漿。及時(shí)多次進(jìn)行初支背后回填注漿。

(2)在拱腳處下墊實(shí)300×400×50 mm木板，并增設(shè)初支格柵鎖腳錨桿數(shù)量。確保格柵有受力點(diǎn)，不懸空，控制住格柵拱頂?shù)某两蛋l(fā)展。

(3)加強(qiáng)管理，確保交接班無縫銜接。

采取24小時(shí)三班倒不間斷作業(yè)，確保交接班無縫銜接，減少巖土體暴露及交接班時(shí)格柵封閉成環(huán)時(shí)間，嚴(yán)格按照淺埋暗挖“十六字方針”執(zhí)行。

3.3 效果分析

在針對(duì)性措施實(shí)施下、精細(xì)化監(jiān)測(cè)及安全巡視風(fēng)險(xiǎn)管控下，風(fēng)井及風(fēng)道順利施工完成，隧道結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形逐漸趨于穩(wěn)定，累計(jì)變形量均在有效安全范圍內(nèi)，未發(fā)生結(jié)構(gòu)自身及周邊環(huán)境安全事故。

4 結(jié) 論

(1)北京西北山前地區(qū)存在一層軟塑性粉質(zhì)黏土，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)描述及室內(nèi)試驗(yàn)，該地層土孔隙比、空隙率及飽和度均較大，局部處于完全飽和狀態(tài)，在無水情況下還具有一定的承載力，有水的情況承載力很差，且伴隨滲流水易發(fā)生水土流失現(xiàn)象。

(2)水土流失是致使豎井、隧道開挖對(duì)應(yīng)地表沉降的主要原因。北京西北山前地區(qū)軟塑粉質(zhì)黏土地層地下工程施工過程中易采用地面降水+深孔注漿綜合措施控制帶水作業(yè)。

(3)倒掛井壁工法開挖豎井，初支結(jié)構(gòu)與井壁之間的摩擦力不足、鎖口圈尺寸不足、鎖口圈下方土體承載力不足均是造成結(jié)構(gòu)自身沉降的因素。

(4)降水會(huì)造成大范圍地層的固結(jié)沉降，根據(jù)本文研究結(jié)果可知：北京西北山前地區(qū)施工降水造成的地層固結(jié)變形量約為 -25 mm。

(5)加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范施工是控制地表沉降過大的根本。

(6)“監(jiān)測(cè)是施工的眼睛”，合理正確的監(jiān)測(cè)能動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工，引導(dǎo)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化調(diào)整，做到信息化施工?？筛鶕?jù)現(xiàn)場巡視情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合判斷結(jié)構(gòu)自身及周邊環(huán)境等風(fēng)險(xiǎn)源是否處于可控狀態(tài)。最大限度地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，避免人員傷亡和環(huán)境損害，降低工程經(jīng)濟(jì)和工期損失，為工程建設(shè)提供安全保障服務(wù)。

(7)本文對(duì)北京西北山前地區(qū)軟塑粉質(zhì)黏土地層變形機(jī)理分析及施工所采用的對(duì)應(yīng)措施可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供實(shí)例參考。