城市地铁隧道区间浅埋暗挖施工地表沉降控制施工技术

吕知睿

（中交隧道工程局有限公司北京分公司， 北京 100102）

1 工程概况

嘉陵江路站～香江路站区间右线起止点里程为：YSK4+967.876～YSK6+179.000，全长 1211.124m，左线起止里程为：ZSK4+967.876～ZSK6+179.000，全长1228.227m，区间埋深10.56～21.86m。区间平面共四处平曲线，其中ZJD1 半径为400m、YJD1 半径为430m、ZJD2 半径为1200m、YJD2 半径为1200m，区间纵坡最大20.288‰。

2 浅埋隧道施工引起地表沉降原因

研究浅埋暗挖隧道开挖施工所出现的地表沉降问题时，通常情况下根据施工工序的特点在弹性变形、失水固结、固结蠕变等方面分析原因。隧道工程的开挖作业势必会造成地层的损失，因此需要围岩对地层损失进行最大限度的弥补，使地层保持稳定，同时围岩会形成向下变形的应力，长时间作用下则会发生地表沉降。

2.1 土层结构与力学性质原因

浅埋隧道施工作业时往往会对第四纪沉积表土层造成影响，而天然第四纪沉积表土层一般由矿物颗粒构成骨架体、孔隙水和气体填充骨架体而组成三相体系。土层受到外界荷载的压力作用，会形成孔隙水压力以及土体的有效应力。其中，孔隙水压力包括静水压力和超孔隙水压力两种[1]。在外部荷载的作用下空隙流体不断流动，气体体积逐渐减小导致颗粒重新排列，而颗粒间的距离也随之变化，进而骨架体液出现一定程度的错动，最终造成了第四纪表土层的变形。孔隙水压力具有变动性，此现象的出现与土质的渗透能力具有紧密关联。黏土的渗透性逐步下降时，固结所需时间随之延长。外力作用于土体后将导致土粒和孔隙内的流体发生变形，在此条件下组织浅埋暗挖隧道施工时将使压力传递至上部土层，于该处形成应力变形现象，最终引发地表沉降。

2.2 岩层性质与地质构造原因

岩层所发生的沉降与岩层的特点、地质构造等有着密切的关系，岩层在地质结构不断演变的过程中会出现褶皱、裂隙、断层等特点。其中，褶皱是岩石在受力后所产生的连续弯曲变形；断裂面在没有位移的情况下称为裂隙；断层是两盘岩石沿断裂面出现了较明显的位移，同时伴有几米到几十米不等的岩石破碎带。

为防止浅埋隧道施工时地面发生沉降，使用较多的施工技术有：环形开挖留核心土、超前小导管注浆支护、地表注浆加固地层、设置临时仰拱、水平旋喷超前支护、高压旋喷加固地层等，在实际施工时可以根据地质特点、施工成本控制等因素合理选择。

3 沉降分析

本工程中，YSK4+967.876～YSK6+179.000 段的地层断面具有地势高、覆土厚等特点，通过对多点进行监测后发现其沉降量在设计范围内。但是在ZSK4+967.876～ZSK6+179.000 断面，其沉降监测结果显示基本超出了设计允许沉降值（30mm），造成这种现象的主要原因是该段左右线的拱部土层相对较浅，且覆土厚度＜洞径，在开挖后土体的应力得到释放，在地表以及洞顶部位发生明显的沉降。此外，该段的地势较低，该项目在雨季施工时受到频繁降雨的影响，上部较松软的土层在雨水冲击下产生一定的裂隙，且雨水不断下渗，水体流失引起地表土层的进一步变形，并且形成掌子面坍塌、路面沉降等现象，还可能导致地下管线遭到破坏、地面建筑物发生倾斜等危险。

3.1 地表注浆仿真分析

在浅埋软弱地质的路段进行施工时，开挖作业会影地层的应力分布，为防止地层变形主要采取两种措施：一是提升围岩的自稳性，二是采取衬砌进行支护[2]。改良地层条件较差的地段时主要采取地表注浆的方式提升围岩自稳性，从而控制地层的变形程度。

为提高注浆加固方案的可行性，应在设计阶段做好注浆仿真分析工作，具体包含如下几点：（1）连续注浆仿真，施工顺序为沿着隧道轴线方向依次推进，以隧道边线为基准，实际注浆宽度应在两侧的基础上各增加2m，注浆厚度取4m。（2）分段注浆仿真，依然沿轴线方向展开，以5m 为间隔依次注浆，单次长度以15m 较合适，宽度和厚度控制标准同上。（3）加大注浆厚度仿真，绝大部分工艺与连续注浆具有一致性，但注浆厚度提升到6m，该值等同于隧道的覆土厚度。

根据仿真分析得知，采用大面积连续注浆和加大厚度注浆技术时地表所发生的沉降要明显小于分段注浆技术下的沉降量，尤其是加大厚度注浆技术能够使上部较为松软的土层有效固结，控制地表沉降的效果最为明显。在沉降槽宽度方面，除分段注浆技术外其余两种技术的沉降槽宽度都较小，且地表沉降所产生的影响也相对较小。仿真分析所得出的结论与实际施工时所测试的结果基本保持一致。

3.2 地表注浆试验

为了保障地表注浆的质量，施工前在左右线分别选取20m 长的路段进行地表注浆试验。试验时通常设置lm×lm 的孔距，且各孔之间呈梅花形布置，钻孔时应确保穿过杂填土层，将水灰比控制在0.5：1～1：1 的范围内，注浆压力控制为0.3 MPa。注浆作业落实到位后，在相邻两孔间取样检测，可见芯样内存在部分水泥结实体，再经过试验的方式检测芯样的抗压强度，实测值为1.10MPa，该值等于尚未注浆前的1.7 倍；并组织注水试验，渗透系数取9.3×10-5cm/s，与注浆前渗透能力相比明显降低。对试验段采取开挖作业时，确保洞壁、掌子面不出现涌水、涌泥、崩塌等现象，并且对该段的地表沉降情况进行监测时保证起沉降值在设计允许的30mm 范围内，表明注浆技术能够有效控制地表沉降[3]。

3.3 地表注浆加固方案

隧道开挖的扰动性强，易导致围岩失稳或严重抑制成拱效应。从围岩自稳时间的影响因素来看，与围岩强度和超前预加固方式具有显著关联[4-5]。对此，通常采取注浆预加固处理措施，最大限度减小掌子面上方围岩的变形量，从而达到控制地面沉降的效果，再通过环形开挖留核心土的方式有序组织开挖作业，经上述流程后可取得较好的地面沉降控制效果。而对于地质条件欠佳的施工情况或采取上述方法依然无法有效控制沉降时，则要对局部采取地表注浆加固处理措施。

以仿真计算和试验结果为立足点，编制切实可行的地表注浆方案，采取大面积连续注浆工艺，注浆范围为左线 YSK5+385～YSK5+523、右线YSK5+405～YSK5+510，具体注浆方案如下：

（1）地表注浆施工区域为超浅埋地段洞顶杂填土层，以隧道边线为基准，两侧分别加宽2m，以此作为注浆宽度控制标准。

（2）地表注浆孔眼间距均为1m×1m，孔深46m 且＞人工杂填土层厚度20cm。加强对注浆管打入深度的控制，该值不宜超过隧道拱顶覆土厚度，否则易由于拱顶土层受损而引发水体汇聚至隧道内的情况。

（3）钻进成孔，注浆孔孔径取110mm，在此基础上适当增加8mm，以作为套管管径控制标准。注浆管应触底，以花管注浆的方式为宜。

（4）浆液采用P0.42.5 水泥浆液，浆液浓度0.6：1，注浆压力0.15～0.2MPa。

（5）按先两边、后中间的流程有序完成注浆作业，向中间逐步推进的过程中可适当增加压力。

3.4 地表注浆前后沉降对比分析

监测数据表明：注浆前最大沉降量达65.57mm，注浆后最大沉降量为23.07mm，并且YSK5+400、YSK5+410、YSK5+450 的最大沉降量远小于YSK5+360断面（未注浆）的沉降，通过地表注浆的方式可实现对地表沉降的控制。

经地表注浆作业后，杂填土空隙得到有效的填充，土体综合性能得以改善，地表沉降较小，相较于未注浆地段而言，地表沉降减少量可达到50～80%。

4 结束语

在浅埋段进行隧道开挖作业时极易引发地表沉降，因此通过地表注浆技术加固浅埋层，能够充实杂填土的孔隙，提高土层的抗渗透性能，增加土体的固结性，从而提升围岩土体的成拱效果，避免沉降产生的同时确保城市地铁隧道施工的质量，维护地铁的施工安全。