地铁暗挖隧道穿越富水、高填、不稳定地层施工技术

黄其坤

中铁隧道集团有限公司 重庆 401120

摘要：本文以重庆轨道交通五号线园博中心站～丹鹤站区间暗挖隧道穿越回填土段为例，详细介绍了隧道施工中采取的一系列符合实际有效的措施，克服了地面沉降、隧道不均匀变形、暴雨季节大量涌水等诸多问题，顺利攻克了暗挖隧道穿越富水、高填土段的施工难题，确保了隧道按期贯通。

关键词：地铁隧道；暗挖穿越；富水地层；高填方地层；不稳定地层

一、工程概况

重庆轨道交通五号线土建5101标工程，里程为DK7+800～DK11+010.446，线路全长3210.446m。工程包含2站3区间。其中园博中心站～丹鹤站区间（以下简称园～丹区间）从园博中心站大里程端起始，下穿重庆力帆停车场后向西南方向前行，依次下穿重庆力帆乘用车项目KD新厂房、储油库、重庆力帆污水处理站后，再继续向西南行进进入丹鹤站。园～丹区间为单洞单线隧道，右线隧道长1152.784m，左线隧道长1158.044m。隧道拱顶埋深15.3～22.8m，均采用暗挖法施工。区间右线YDK8+431.211～YDK8+760.000、左线ZDK8+430.991～888.000段隧道位于回填层；其中区间右线YDK8+464.5～714.956、左线ZDK8+468.5～706.737段隧道底部位于回填层。其余段隧道上部为回填层，下部为砂质泥岩。区间总平面布置见图1，穿越回填土段地质纵剖面见图2。

图1 园～丹区间总平面图

图2 区间穿越回填土段地质纵剖面图

二、施工风险分析

根据前期勘察回填土段，原为荒芜谷地，后来在快速的城市建设中被废弃的建筑渣土填满。填土层平均厚度40多米，最深处达到60多米，土质多由大块孤石、粘性土夹砂、泥岩块石以及混凝土、砖块等生活垃圾。當初该地方还未纳入规划范围，填土是以抛填的方式进行。大小石头、砖头、泥土、混凝土废渣和生活垃圾等交混在一起，地质疏松、不均匀，承重能力差。回填土空隙大，透水性强，水含量丰富。回填土层为最近3～10年形成的，不同渣质之间在不断的相互作用，虽然前期进行过碾压夯实，但并不能保证其稳定性。

同时回填段原为低洼谷地，巨大的V字形山谷形成天然的积水池，同时回填土空隙大，透水性强，水含量丰富。在其中进行隧道开挖就像是在“悬浮”土层中施工一样，上下左右都没有稳固的可附着力的地方，稍有不慎就会发生下沉或偏移。同时隧道底部是十几米厚的松软回填土层，隧道本身巨大的重量使隧道就像在水里漂浮一样，一旦通车，在列车的重力和震动冲击作用下，隧道很容易下沉，出现不均匀沉降，而出现隧道开裂的险情。

三、沉降诱因分析

在施工期间为保持人工填土段地表建筑的稳定性与道路的正常运行，对路面沉降提出要求严格。在施工准备阶段，对隧道施工期间可能引起地层沉降的原因进行了系统分析。

1、土体特性的影响

园～丹区间隧道拱顶埋深15.3～22.8m，上覆土体全部为人工填土，主要为砂岩和碎屑岩，分析认为隧道开挖扰动后，易引起开挖周边土体松弛变形，出现潜在的坍滑区。

2、道路通行车辆荷载的作用

隧道施工期间上部道路按原标准通行，车辆密集。由于隧道埋深浅，必须考虑车辆荷载作用，特别是重型车辆高速通过时引起的震动较大，施工时应充分考虑。

3、地下水作用

由于回填地层空隙率大，地层富水后在水作用下第地层形成挤密效应，加剧不同渣质之间相互作用，降低地层稳定性。同时在隧道开挖过程中，会形成水土流失，更加剧了地层沉降。

4、地层应力的释放

由地层的收敛约束特性可知，随地层位移的增大，上覆地层施加到隧道结构上的荷载将减小。最佳支护概念就是在允许地层产生稳定位移的条件下，使支护结构所受的力最小。浅埋暗挖隧道，为保证地表的变形得到控制，原则上不允许地表出现超越规定值的下沉而换取最佳支护条件。而且，本工程土体为人工填土，是具有潜在坍滑面的地层。随地表下沉、地层应力的释放，坍滑面会逐次产生，伴随着地表大范围下沉，沉降槽宽度及下沉量均较大。可见，采取有效的支护措施，控制地层应力释放度是解决下沉及范围的关键。

四、总体施工方案

控制开挖过程中产生沉降的关键是保持开挖工作面的稳定，选择合适的施工方法非常重要。园～丹区间回填段采用环形预留核心土法进行机械开挖，分步进行支护。其余断面均采用全断面法进行水压爆破施工。同时为了保证施工过程中及地铁开通运营后，区间结构稳定。项目借鉴在不稳定地层上搭高架桥的做法，为隧道打上桩基。通过桩基密集地立足下方稳定岩层，稳稳得托住隧道，减轻下方回填土层的承重，使隧道在松散的地基上站住了脚。同时桩基能够保证隧道建成后下方地下水的正常循环，从而消除了地下水积压导致隧道上浮的风险。

五、施工工艺方法

（一）技术参数

区间隧道采用曲墙+仰拱的五心圆马蹄形断面，隧道开挖尺寸为7m×6.87m，衬砌均为复合式衬砌。区间分A型、B型、C型、D型、E型五种断面衬砌形式。区间断面设计参数见表1。区间右线YDK8+431.211～760.000、左线ZDK8+430.991～888.000段隧道位于回填层；其中区间右线YDK8+464.5～714.956、左线ZDK8+468.5～706.737段隧道底部位于回填层。区间右线YDK8+431.211～760.000、左线ZDK8+430.991～888.000段隧道位于回填层；其中区间右线YDK8+464.5～714.956、左线ZDK8+468.5～706.737段隧道底部位于回填层，隧道底部设置?400钻孔灌注桩，桩底嵌岩深度1.5m，单轴抗压强度达10.6MPa；每断面横向设置4根桩，桩纵向间距1.2m。其余段隧道上部为回填层，下部为砂质泥岩。区间为单洞单线隧道，回填段采用环形预留核心土进行开挖，其余断面均采用全断面法进行开挖。

表1 园～丹区间断面支护参数表

支护

类型 开挖方式 支护 二次衬砌

超前支护 喷射混凝土及钢筋网 锚杆 钢拱架

A型衬砌断面 全断面、环形预留核心土（回填段） 拱部180°范围内两排φ42超前小导管，第一排L=4.5m@0.4m×2.4m（外插角10°），第一排L=3.5m@0.4m×2.4m（外插角60°） C25混凝土27cm厚Φ8-@200×200mm钢筋网，双层 φ22药卷锚杆L=3.5m环纵向间距1m×0.6m Ⅰ20b型钢拱架0.6m/榀 C40，P12钢筋混凝土，仰拱80cm，拱墙60cm

B型衬砌断面 全断面 拱部180°范围内两排φ42超前小导管，第一排L=4.5m@0.4m×2m（外插角10°），第一排L=3.5m@0.4m×2m（外插角60°） C25混凝土27cm厚Φ8-@200×200mm钢筋网，双层 φ22药卷锚杆L=3.5m环纵向间距1m×0.5m Ⅰ20b型钢拱架0.5m/榀 C40，P12钢筋混凝土，仰拱60cm，拱墙60cm

C型衬砌断面 全断面 拱部120°范围内φ42超前小导管，L=4.5m@0.4m×3.0m（外插角5°） C25混凝土25cm厚Φ8-@200×200mm钢筋网，双层 φ22药卷锚杆L=3m环纵向间距1m×0.5m Ⅰ18型钢拱架0.5m/榀 50cm厚C40，P12钢筋混凝土

D型衬砌断 全断面 ─ C25混凝土23cm厚Φ8-@200×200mm钢筋网，双层 φ22药卷锚杆L=2.5m环纵向间距1m×1m Ⅰ16型钢拱架1m/榀 35cm厚C40，P12钢筋混凝土

E型衬砌断 全断面 ─ C25混凝土26cm厚Φ8-@200×200mm钢筋网，双层 φ22药卷锚杆L=3m环纵向间距1m×0.75m Ⅰ18型钢拱架0.75m/榀 45cm厚C40，P12钢筋混凝土

（二）超前地质预报

在隧道开挖前应利用超前地质预报手段，探明开挖面前方围岩特性、软弱地层段、构造等情况等，根据得出的结果，信息反馈，为正确的选择施工方法、优化支护、采取特殊措施等提供依据，指导施工。

本工程综合利用工程地质法与超前水平勘探进行超前地质预报工作。采用洞内地质素描，每10米对左侧洞壁、右侧洞壁、洞顶及掌子面各拍摄一张数码相片。浅埋段采用多孔水平钻探、多孔CT（按6孔），钻孔长度30m；深埋段每50米单孔水平钻探一孔，单孔长度10米；孔内数码成像。

（二）洞身开挖

回填段采用环形预留核心土法进行机械开挖，其余断面均采用全断面法进行水压爆破施工。上台阶必须采用人工开挖，每循环开挖进尺不大于1榀钢架。边墙开挖进尺不大于2榀。仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆（管），每循环开挖进尺不大于3m。初期支护封闭成环位置距上台阶掌子面距离不大于35m。下台阶施工两侧应错开一循环。采用挖机扒碴排险，装载机装碴，自卸汽车运至指定弃碴点。环形预留核心土开挖见图3。

图3 环形预留核心土开挖示意图

（三）初期支护

为控制地层应力的释放，隧道施工特别重视支护工作，严格遵循“管超前、严注浆、强支护、块封闭、勤量测”的技术要求进行施工。隧道A、B、C型断面均设置超前小导管，超前小导管采用?42热轧无缝钢管加工制成，壁厚4mm；隧道采用工字钢钢架，工字钢型号有20b、18、16，拱架接头处设置锁脚锚杆；隧道锚杆型式为Φ22砂浆锚杆，采用YT-28型风钻钻孔，高压风枪清孔；大跨隧道初支鋪设双层钢筋网片，单洞单线隧道铺设单层钢筋网片，网片规格HRB300φ8@200×200mm；喷射混凝土强度等级为C25，初期喷射厚度23cm～35cm。各断面具体设计参数详见表1。

（四）垫层施工

在隧道底部设置垫层能够承受并传递上部荷载，保护地基土防止扰动，减少沉降。本区间隧道底部设施C25垫层混凝土，A型断面垫层厚度27cm，B、C型断面垫层厚度20cm，D、E型断面垫层厚度15cm。垫层紧随开挖进行，为减少其与出碴运输的干扰，采用横向通道左右线转换施工。测量放线，测量组根据设计现场标示出基底标高。人工进行捡底，清除软土、泥浆及浮碴；采用商品混凝土，泵送至浇注点，坍落度宜为12～14cm，。人工摊平，平板震捣器捣固，捣固密实后找平、收光。混凝土浇筑完成后12小时内进行洒水养护。

（五）钻孔灌注桩

由于在隧道有限空间内进行桩基施工，结合现场实际采用“分段钻孔，分段打桩”的方法。设备钻杆由5m统一截短至2m，将钻机底座截短以适应隧道最边部50cm高的空间。工序上前方开挖后方钻孔紧密结合，打孔严格过程控制，防止分段衔接过程中的塌空，为确保桩基质量。

隧道底设置?400钻孔灌注桩，桩底嵌岩深度1.5m，同时此昵称的天然湿度单轴抗压强度达10.6MPa。每断面横向设置4根桩，桩纵向间距1.2m。桩基待垫层施工强度达到70%后紧随进行施工，每循环施工两排共8根桩。定位放样，路面垫层；埋设护筒，护筒直径较桩径大10cm，壁厚6mm，长1.5～3m，护筒顶高出垫层不少于0.3m，护筒中心与桩中心偏差不得大于20mm。钻孔灌注桩设计见图4。

图4 钻孔灌注桩设计图

桩基采用小型旋挖钻机LQ-11进行钻孔，机械尺寸为5.65m×2.42m*3.3m，满足现场施工要求。根据配备的导向装置检查控制钻孔的垂直度，以确保钻孔垂直度保持在允许范围内。成孔一次完成，中间不能间断施工，成孔完毕至灌注混凝土的间隔时间不能大于24h。钻进过程中若发生斜孔、弯孔、缩径、塌孔或沿护筒周围冒浆以及地面沉陷等情况，立即停止钻进，采取措施处理。当钻孔倾斜时，可往复扫孔修正，如纠正无效，在孔内回填粘土或风化岩块至偏孔处上部0.5m，再重新钻进；钻进中如遇塌孔，立即停钻，回填粘土，待孔壁稳定后再钻。钻孔完成后分节吊装钢筋笼，及时进行水下桩基混凝土灌注。

（六）衬砌及回填注浆

为了有效控制区间隧道沉降，在初期支护及下部端承桩基完成后及时施作仰拱及拱墙衬砌，将隧道各受理体系连成整体。隧道衬砌采用9m液压全断面台车施工。在衬砌前在拱顶设置φ42mm钢管，对二衬背后进行回填注浆。衬砌背后根据地质雷达检测情况和出水情况，选择合理的注浆参数和注浆材料，对衬砌背后进行回填及压浆堵水。回填注浆应在衬砌混凝土强度达到设计强度的70%后进行，达到设计标准。以达到消除拱墙衬砌背后空洞，将隧道衬砌体系与周边围岩紧密联系，达到共同作用的目的，有效控制地层沉降。

六、结论

项目通过精心策划、精细化管理。过程中采用了孤石爆破、机械开挖、分段钻桩、分段打桩等符合实际的工法，克服了地面沉降、隧道不均匀变形、暴雨季节大量涌水等诸多问题，顺利攻克了隧道穿越富水、高填土段的施工难题，确保了隧道按期贯通。工程安全、质量、进度可控，创造了可观的经济效益和社会效益。为以后城市地铁隧道相似工程地质条件下施工，提供了成熟的经验。

参考文献：

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