某城市交通隧道地表塌陷原因分析及处理技术

李 辉，刘洪震，姜永涛

(1.中铁隧道集团技术中心，河南洛阳 471009;2.中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

我国砂卵石分布面积广、厚度大、成因复杂。在富水砂卵石地层中修建隧道工程，极易发生涌砂，引起隧道和地表坍塌。目前在关于砂卵石地层隧道坍塌的原因分析和处理技术方面的研究中:文献［1-2］阐述了在近距离下穿污水管线施工时为保护管线和施工安全采用的地面处理、施工沉降控制、超前地层加固等施工技术;文献［3-6］分析了部分隧道地表坍塌的原因，提出了地表加固和洞内预支护的综合处置方案;文献［7-8］总结分析了旋喷桩止水帷幕的施工工艺及应用技术;文献［9］介绍了旋喷桩技术加固砂层的施工工艺及方法;文献［10］总结了降水在砂土地层隧道中的应用技术;文献［11］详细介绍了隧道穿越富水砂层的施工技术。本文以某城市交通隧道工程建设为例，分析砂卵石地层隧道发生地表塌陷的原因，阐述管线对地表注浆加固的影响，并对下一阶段处理技术做优化研究，重点提出以“水的处理”为主的原则。

1 工程概况

某城市交通隧道工程包括南北2条主隧道、匝道及连结通道。其中东岸隧道位于交通繁忙的主干道下，隧道埋深约20 m。东岸1#竖井往陆域方向隧道中下部处于强风化板岩及强风化砾岩中，拱部主要位于⑦号圆砾层中，最大厚度6.5 m，个别地段位于⑥号粉细砂、⑤粉土层或③号淤泥层中，圆砾层向上依次为粉质黏土层、杂填土层。本地段地下水主要有孔隙水和基岩裂隙水，孔隙潜水主要赋存于表层人工填土层中，受大气降水和周边生产生活用水补给，含水层透水性差，水量小。孔隙承压水主要赋存于粉细砂、圆砾层中，水量较丰富，并具有承压性，基岩裂隙水赋存于基岩各风化带中，随着深度增加，水量逐渐增强。

该段隧道上方及附近地下管线较多，主要有污水管、煤气管、电信管、下水管、给水管等，隧道周边无高层建筑，隧道北侧有2栋2层楼房和2栋3层楼房，南侧有2栋2层楼房和1栋8层楼房，最近水平距离为24.11m。

施工前期，为加固地层和隧道开挖时阻止地下水流入隧道，在2条隧道周边地表进行了旋喷止水帷幕，并对隧道顶部地层进行袖阀管注浆加固。注浆加固平面图如图1所示。地表加固平面范围为隧道外轮廓6 m，加固深度到隧道底以下不小于4 m，但由于该工程工程地质、水文地质条件复杂多变，众多原因造成施工措施不到位，故在隧道开挖至SK2+301时，工作面涌水涌砂，造成地面坍塌。经奋力抢险，并采取了有效措施后，工程顺利通过了富水砂卵石段。

图1 注浆加固平面图Fig.1 Plan of grouting

2 塌陷情况及处理过程

2.1 塌陷情况

2010年11月29日11:40，隧道南主线SK2+301工作面施作超前支护时，从拱顶右侧出现少量涌水涌砂，现场立即采用沙袋、方木、袋装水泥等应急物资进行封堵并采用喷射混凝土进行掌子面封闭。当右侧掌子面封闭一半时，发生突泥涌砂约400m3。13:10，开始利用装载机、挖掘机、自卸汽车堆土进行反压，至14:00时掌子面再次突水突泥，冲垮反压土堆，直至18:30共计涌出泥砂约2 670 m3。掌子面正上方地面出现塌陷，塌陷坑直径约15 m，深8 m(见图2)，并导致路中间1根直径1.5 m的排污管断裂。

2.2 处理过程

险情发生后，本着“防止险情扩大、预防次生灾害的发生”的原则进行抢险工作。

1)对坍塌路段实行临时交通管制，禁止车辆和行人过往。

图2 地表塌陷实况Fig.2 Picture of ground surface collapse

2)立即用沙袋、方木、袋装水泥等应急物资进行封堵，利用装载机、挖掘机、自卸汽车堆土进行反压，并采用喷射混凝土对掌子面进行封闭。

3)地面塌陷坑采取回填混凝土方式处理，至11月30日16:00，共回填C15混凝土1 300 m3，回填高度至路面下1.5 m，路面下1.5 m采用弃渣回填。弃渣回填结束后，洞内涌水由突水初期的500 m3/h减小至100 m3/h，水变清，未再出现流砂流泥现象。

4)在回填混凝土达到一定强度后，对基坑边采取了挂网喷混凝土(厚10 cm)防护，防止基坑两侧的土体垮塌;并在陷坑周边修筑30 cm高的挡墙，防止雨水回灌入塌坑内。

5)采用地质雷达对塌陷区域周边进行了2次探测，第1次沿坍陷坑周边布设4条侧线，第2次在塌坑周边50 m范围布设24条侧线。探测成果为:坍陷坑周边地下未发现隐伏空洞存在，距塌坑中心15 m以内地下3 m以下，距塌坑中心15 m以外地下6 m以下，地层含水量丰富(特别是塌坑南侧及东侧)。

6)加强地表监测。加密塌陷周边建筑物和地表监测密度和频率。

3 塌陷原因分析

3.1 工程地质与水文地质复杂多变

该地段工程地质及水文地质情况异常复杂，洞身处于强风化板岩及强风化砾岩之中，紧贴洞顶为圆砾层及砂砾层，砂砾层以上为不规则分布的粉细砂层及淤泥层。顶层为杂填土层及路面层。地层含水量丰富，特别是塌坑南侧及东侧，动水头压力较高，砂卵石为强透水层，掌子面容易形成涌水涌泥地质灾害，是造成洞内突水突泥继而引发地面塌陷地质灾害事件的主要原因。

3.2 周边环境复杂，对地表处置影响很大

隧道与地下管线关系如图3所示。旋喷止水帷幕不易施作，有的部位根本没有条件施作，造成局部止水帷幕效果不佳;同时，地下陈旧排水管网错综复杂，不明地下水来源较多，而且与周边地下水连通性较强;隧道处于交通主干道路下，车流量较大，动荷载对隧道施工有较大影响。

图3 隧道与地下管线剖面关系图Fig.3 Relationship between tunnel and utility pipelines

3.3 施工中措施未完全到位

3.3.1 注浆盲区的存在

由于该地段地下管线较多，地表注浆加固时，需要对各种管线进行保护，故管线附近注浆压力不能过大，管线附近地层未得到很好的加固;管线距离隧道拱顶较远，无法通过隧道内注浆，尤其是管线下方土体，存在注浆盲区。所以，管线下方土体容易被水冲走，管底垫层也会随土层流失下沉而产生不均匀沉降，造成与污水管相连的承插口逐步脱离，污水不断渗入隧道上方土体中，形成水囊。隧道开挖时，岩壁厚度减弱，地层中的水通过薄弱缝隙渗入隧道，地层的逐渐损失导致缝隙扩大，从而产生了涌水涌泥险情。

3.3.2 袖阀管注浆加固未达到预期效果

由于隧道上方道路交通繁忙，隧道顶部地表袖阀管注浆不能长时间占道施工，故地表注浆未全部完成，这是造成地表加固未能达到预期效果的主要原因;同时，由于该段地下水丰富、来源复杂造成袖阀管注浆局部效果可能较差，这是造成地表加固未能达到预期效果的次要原因。

3.4 开挖过程中未重视水的处理

由于地表袖阀管注浆加固和旋喷止水帷幕未能达到预期效果，隧道开挖时未及时对地下水进行封堵和引排，隧道渗漏水比较严重，隧道开挖是带水施工的;地下水渗漏过程中带走地层中的细砂，造成局部空洞，在隧道上方车辆动荷载的作用下，容易造成地表坍塌。

4 处理技术

处理技术按照以“水的处理”为主的原则，地表采取双排直径850间距600 mm三管旋喷桩止水帷幕、帷幕内三管旋喷和洞内水平旋喷的加固堵水方案以及地表和洞内联合降水方案。隧道采用4部CRD的开挖方法。

4.1 旋喷桩止水帷幕

为了阻止地下水进入隧道，在北主线NK2+370～+554与南主线SK2+269～+443段，长174 m段，宽32.4～31.8 m范围内，周边采用双排直径850间距600 mm三管旋喷桩止水帷幕，共计1 278根，深为地面下3 m至隧道底板下4 m。旋喷桩施工参数见表1。

表1 旋喷桩施工参数表Table 1 Parameters of jet grouting columns

在施作旋喷桩止水帷幕过程中，控制好各层压力。上层地表附近地下管线较多，且上层地下水很少，压力可以小些;下层基本都是砂卵石地层，地下水丰富，且没有地下管线，压力可以大些，以提高止水帷幕咬合薄弱部位的止水作用。总的原则是既要喷好，又要防止地表压力过大造成沉隆，破坏管线。旋喷桩止水帷幕施作完成后，在旋喷桩中间取芯1个，通过芯样观察，加固效果良好，所有芯样基本呈柱状(见图4)。在旋喷咬合薄弱部位取芯2个，通过芯样观察，杂填土及粉质黏土加固效果很好，芯样完整，圆砾层呈胶化状，芯样呈块状(见图5)。2010年12月31日对检查孔进行注水试验，根据公式计算得出渗透系数为0.42×10-7m/s，止水效果较好。

图4 旋喷桩中间部位取芯图Fig.4 Picture of cores taken in the middle of the jet grouting columns

图5 旋喷桩咬合部位取芯图Fig.5 Picture of cores taken at the interlocking positions of the jet grouting columns

4.2 地表旋喷桩加固

由于原施工地表袖阀管注浆加固效果不佳，采用封锁交通对地层进行旋喷桩加固，间距1 m×1 m，加固范围为圆砾层，进入板岩1 m，并保证加固后拱顶不少于3 m的加固区。地表旋喷桩加固如图6所示。

图6 旋喷桩加固平面图Fig.6 Plan of consolidation by jet grouting columns

4.3 地表降水

为了使隧道开挖处于无水状态，在旋喷桩止水帷幕内施作降水井进行降水，地下水位降到隧道底板以下再开挖。降水井沿路纵向、在分离隧道之间布设，其间距为10～15 m，深度到隧道开挖底以下2 m。降水井布置如图7所示。

4.4 洞内水平旋喷加固

由于隧道上台阶拱脚板全部处于⑦号圆砾层中，开挖时工作面极易引起坍塌，对此段进行洞内水平旋喷注浆以稳定工作面，旋喷桩直径600间距1 300 mm，单根长度为15 m。水平旋喷桩加固横断面图见图8。

图7 降水井布置图(单位:m)Fig.7 Layout of dewatering wells(m)

图8 水平旋喷桩加固横断面图(单位:mm)Fig.8 Layout of horizontal jet grouting columns(mm)

4.5 水平降水孔

有些地段，单靠地表降水井无法把地下水降到隧道底板以下，在隧道拱顶下2 m范围存在砂层段隧道内打设30 m长泄水管，用直径108 mm钻杆，配直径120 mm左右导向钻头预先钻孔，打入直径89×4 mm钢管顶入孔中，直至设计深度。

4.6 开挖方法

地下水降到隧道底板以下后，采用CRD工法开挖，使隧道始终处于无水的开挖状态。同一层左右两侧开挖工作面相距不大于15 m，同侧上下层开挖工作面相距3～5 m。后行洞最前方工作面距先行洞全环封闭处不小于15 m。

CRD工法步序如图9所示。1)上层①③部施工方法。开挖前施作超前注浆小导管，超前小导管长3.5 m，环间距30 cm，纵间距1.5 m。①③部高3.5 m，采用人工风镐开挖，每循环进尺50 cm，预留核心土，开挖时步步成环，及时施作临时仰拱。2)下层②④部施工方法。②④部高6.45 m，每部分2台阶施工，台阶长2.0 m，由于下层基本位于风化板岩层内，开挖采用弱爆破或风镐，每循环进尺50 cm，PC60挖掘机扒碴装碴，自卸汽车运输，初期支护钢材利用自卸汽车运至掌子面，喷浆与上层同步，自卸汽车运料。

4.7 监控量测

4.7.1 监测项目及测点布置

监测项目为地表管线隆沉、拱顶下沉及边墙收敛等。地表、管线每5 m布置一个测点，隧道内拱顶下沉、边墙收敛每5 m布置一组测点，周围建筑物视具体情况布设。

4.7.2 监测频率

监控量测贯穿于隧道加固处理全过程，地面旋喷加固过程中4次/d，隧道开挖过程中3次/d;地面建(构)筑物监测2次/d，发现异常情况时增加至4次/d，并由技术人员经常进行洞内及地表外观巡视且做好巡视记录。

图9 4部CRD工法工序横断面图(单位:mm)Fig.9 4-step CRD excavation method(mm)

5 处理效果

经过各项处理技术和地表与洞内联合降水后，隧道内干燥无水(见图10)。在后续施工过程中，地表沉降最大值为10.5mm、拱顶下沉最大值为6.8mm、水平收敛位移为7.7 mm。各项量测数据显示:施工对周围环境影响较小，隧道变形较小，结构比较稳定，施工对沿线附近的建筑物、地下管线无影响。表明采取的处理措施比较合理，保证了施工的安全。

6 结论与讨论

1)对隧道进行地表加固时，为保护管线，管线附近注浆压力不能过大，可能会出现加固盲区，应采取合适的措施，避免加固盲区出现。

2)隧道开挖前应对加固地层进行钻探取样，检查加固效果是否满足开挖要求，若加固效果不佳，不能开挖，以防工程事故发生。

3)在富水砂卵石地层中施工，受地下水影响较大，地下水的存在容易引起涌砂涌泥，首要前提是对水的处理，应使隧道开挖处于无水条件，决不带水施工。本文提出的三管旋喷桩止水帷幕、帷幕内三管旋喷和洞内水平旋喷的加固堵水方案以及地表和洞内联合降水方案，对类似地层工程有一定的指导和借鉴意义。

4)在塌方处理时，对塌方体的保护及采取恰当的开挖工法，是保证塌方处理成功的关键环节。本工程采用了4部CRD开挖工法，严格控制开挖步序和掌子面之间的距离，安全顺利地通过了坍塌地段。

5)富水砂卵石层隧道无胶结性，自稳定能力差，遇水易坍塌。在地下水渗流作用下富水砂卵石层隧道开挖扰动区形成机制，渐进性破坏演化机制及其渗透性变化规律应进一步深入开展科学技术研究，为富水砂卵石层隧道动态设计、施工提供有力依据。

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