浅埋暗挖隧道穿越填石区地表沉降控制

任正刚，蔡 军，沈宇鹏

(1.中交一公局集团有限公司 技术中心，北京 100024；2.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

在城市地铁建设过程中采用浅埋暗挖法穿越填石区等不良地质区段时经常会引起路面沉陷影响交通。为此，国内外专家学者展开了大量研究。文献[1]对在建长株潭城际铁路穿越金家大院隧道采用TOPSIS评价方法对各开挖方法进行综合评价，并对 CRD法施工过程中超前加固效果进行量化分析，在现场测量对模拟结果进行了验证。文献[2-3]就浅埋暗挖法隧道施工技术及地面沉降控制展开了探讨。文献[4]对浅埋暗挖法隧道施工各项技术措施、施工工艺及技术难点进行了分析,指出该技术在富水软弱地层中有着广阔的应用前景。文献[5]介绍了大连地铁 2 号线春光街站的工程情况和施工监测方案，并对其横通道地表沉降数据进行了分析。文献[6-10]对各地地铁浅埋暗挖法车站施工引起的地表沉降规律进行了研究。文献[11]通过大量现场监测数据，研究了北京地区黏土与砂土互层地质条件下地铁车站浅埋暗挖法施工引起地表沉降的一般规律。文献[12]预测了北京地铁7号线K9+191.000—K9+236.100区间隧道穿越既有地铁车站引起的地表沉降，并提出了采取深孔注浆、小导管注浆等加固措施控制地表沉降。以往研究成果主要集中在常规地区，对于存在大块径填石的特殊地质条件穿越区研究较少。

本文结合厦门城市轨道交通1号线城(市广场站)—塘(边站)浅埋暗挖区间隧道，研究洞内加强支护与洞外地表旋喷桩加固控制地表沉降的效果，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

厦门城市轨道交通1号线城塘区间隧道下穿厦门市主干道嘉禾路，长740 m，单洞单线五心圆马蹄形断面。隧道穿越地层主要为残积黏性土、全～微风化凝灰岩，局部穿越填石、淤泥地层，并且在DK9+409—DK9+414段下穿厦门城市广场地下通道，埋深7.2～10.9 m。

特殊性岩土主要为人工填土、填石、残积土和全风化花岗岩。人工填土厚度局部达到7 m，成份复杂，结构松散，富水性及渗透性变化大，容易发生坍塌。填石区主要由块石回填，块径5～10 cm，最大可达50 cm，间隙充填少量黏性土。填石区总体呈松散状，穿越填石区时隧道自稳能力差，易引起洞顶塌方与地表沉降。

2 存在的问题

2016年3月11日隧道5号工作面上台阶开挖至ZDK9+250.849时地表沉降出现异常。掌子面附近地表沉降最大速率达18.10 mm/d，拱顶沉降速率也达到3.5 mm/d，尽管停止掘进，采取了喷射混凝土封闭掌子面、注浆加固、加强超前支护等措施，3月11日至16日地表累计沉降仍将近70 mm。同时隧道6号工作面地表沉降也出现增大的趋势。

地表异常沉降的原因：隧道掘进已进入填石区，围岩难以自稳，隧道拱顶出现较多滑塌，主要是由于较大面积超挖；周围管线的渗漏导致掌子面渗水，加速了围岩恶化；地面车辆动荷载对隧道也有一定影响；由于施工工期紧，造成超前注浆加固的浆液还未达到设计强度就已经开挖；隧道采用台阶法开挖，由于工序的不连续导致了隧道掌子面未及时封闭和全风化花岗岩遇水软化；开挖后钢支撑承载力不足，拱顶出现较大下沉。

3 设计方案及技术难题

3.1 设计方案

为确保隧道安全通过厦门城市广场地下通道及填石区，针对不同区段提出相应的设计方案。

1)区间隧道下穿厦门城市广场地下通道

在拱顶50°范围内采用双排小导管超前注浆加固，而后采用φ89 mm长管棚支护，控制循环进尺不超过格栅钢架间距，区间隧道二次衬砌未封闭时地下通道禁止通行，地下通道下沉较大时在通道内向下跟踪注浆。

隧道下穿通道之前按照V级围岩支护参数进行长管棚支护和双层管小导管超前支护，并采用三台阶预留核心土法施工。

2)区间隧道穿越填石区

采用双排小导管在拱顶150°范围注浆加固，洞内上半断面注浆加固，地面设置降水井。根据监测结果实施地面降水，区间隧道二次衬砌未封闭时，对二次衬砌前后15 m和隧道结构外缘3 m范围道路实行交通限行，施作超前支护和二次衬砌。按照超前支护、降水、开挖的顺序循环施工。

3.2 技术难题

隧道采用双排小导管超前支护和长管棚初期支护穿越填石区，虽然理论上能保证隧道顺利施工，但在实际施工时仍会遇到以下技术难题：

1)地铁浅埋暗挖区间隧道断面小，宽度仅为6.1 m，洞内采用长管棚支护时施工困难，进度缓慢，外插角难以控制，加固效果难以满足设计要求。

2)采用小导管超前支护穿越填石区时，每循环周期约3～5 d，但达到设计强度还需要增加2 d左右。受施工工期限制，仅在洞内采用超前支护措施难以保证施工进度，需要采取洞内与洞外相结合的加固方式。

3)隧道地面有供水管线，由于局部渗漏使得隧道穿越填石区时，围岩强度进一步变差地表沉降增大，影响供水管线的安全，因此隧道开挖前需要对地表管线进行密封加固保护。

寿县是农业大县，是国家首批商品粮基地县。随着农业生产条件的改善和农民生活水平的提高，秸秆和畜禽粪便等原本是作为农民生产生活资料的农副产品却逐渐演变成了农业生产废弃物[1]，对农业生态环境的影响和污染日益加剧[2]。为了保护和改善农业生态环境，扬州市近年来十分注重农业废弃物资源化利用技术的推广应用，实现了农业废弃物综合利用工作的不断深化。

4)采用台阶法开挖时，如果仅加固上部围岩，拱脚钢支撑下部基岩将无法满足承载力要求，会造成拱顶下沉，从而诱发地表沉降，因此既要加固隧道拱顶处围岩，也要加固拱脚处围岩。

4 方案实施及验证

4.1 方案实施

隧道最终的优化方案为地表采用高压旋喷桩超前加固，洞内全断面帷幕注浆、小导管超前支护、长管棚初期支护、拱脚加固，从而控制地表沉降。

1)地表高压旋喷桩超前加固

隧道穿越填石区时，为了保证地表供水管线的安全和控制地表沉降，在洞内加固的同时，地表采取了双重管高压旋喷桩加固措施。加固段为左线ZK9+270—ZK9+508，右线YK9+270—YK9+454。

供水管线影响地段隧道轮廓线外1 m范围内采用旋喷桩加固，旋喷桩间距1 m×1 m，梅花形布置，加固长度7 m。

填石区地表旋喷桩加固范围为隧道轮廓线外3 m，隧道拱顶以上4 m到仰拱以下3 m，间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置，如图1所示。

图1 旋喷桩布置示意(单位：mm)

全断面注浆加固范围为隧道轮廓线外1.5 m，注浆孔扩散半径1 m。每一循环设置61个注浆孔，先注浆10 m，后开挖8 m。全断面帷幕注浆范围及孔位布置如图2所示。

图2 全断面帷幕注浆范围及孔位布置(单位：mm)

3)小导管超前支护及洞身加固

小导管采用φ42无缝钢管，长2.5 m，间距0.3 m(环向)×1.0 m(纵向)，双排布置。初期支护格栅钢架间距0.5 m，整环布置。锚杆挂网片喷射混凝土支护，喷射混凝土厚300 mm。锚杆为φ25中空锚杆，长3.5 m。钢筋网片间距150 mm×150 mm，双层布置。二次衬砌采用钢筋混凝土结构，衬砌厚300 mm。

4)长管棚支护和拱脚加固

采用φ89 mm长管棚进行初期支护。开挖上台阶时为避免拱脚处超挖，通常在机械开挖时预留30 cm 人工找平。为了增加拱脚处地基承载力，在钢支撑下部垫设钢板增大地基受力面积；加固拱脚处锁脚锚管，即在原设计锁脚锚管的基础上，拱脚两侧各增设2根(共4根)向下45°的锁脚锚杆，尾部与拱架焊牢。

4.2 效果验证

2016年2月7日到4月30日隧道5号工作面附近4个监测点地表累计沉降时程变化曲线见图3。4月1日到30日最大地表日沉降速率仅1.04 mm/d，30 d 地表累计沉降仅5 mm。地铁左线7月下旬顺利贯通，地表沉降控制达到了预期效果。

图3 地表累计沉降时程变化曲线

5 结论和建议

1)为了控制地表沉降，浅埋暗挖隧道在穿越填石区之前必须做好隧道围岩加固和降水工作。

2)对于浅埋暗挖隧道，必须做好各道施工工序的衔接，缩短每循环洞身开挖与支护时间；但需适当延长各循环的间隔时间，以保证隧道超前注浆与喷射混凝土的凝结强度。

3)采用台阶法开挖隧道时注意及时封闭掌子面，拱脚必须设置在基岩上，必要时在钢支撑下部设置钢板并垫实，增加锁脚锚杆防止拱部下沉。

4)由于地质条件复杂，隧道穿越填石区必须做好超前地质预报及监控量测工作，尽可能根据预报结果对围岩提前加固，通过监控量测指导施工。

通过设计优化，增加地表高压旋喷桩超前加固、全断面帷幕注浆等措施，厦门城市轨道交通1号线城塘区间浅埋暗挖隧道施工期间地表的不正常沉降得到有效控制，并且顺利贯通，为隧道穿越填石区提供了施工经验。