大跨度地下工程浅埋暗挖法施工技术与安全风险控制*

罗立娜

广州铁路职业技术学院，广东 广州 510430

随着地下工程施工技术水平的日益提高，地下空间开发利用向大跨度、多功能、深地下和立体式方向发展。自20世纪80年代浅埋暗挖法施工技术首次在军都山铁路隧道[1]获得试验成功以来，我国工程技术人员经过几十年的工程实践，不断创造和发展了一系列适用于大跨度地下空间的浅埋暗挖法施工技术，如中洞法、侧洞法，洞桩法、拱盖法等，然而由于大跨度地下工程跨度大、埋深浅、断面形式多样，浅埋暗挖施工受技术复杂、作业循环多、支撑体系转化多、建设工期长、缺少科学管理、监控量测自动化程度低等不利因素影响，存在着诸多风险因素，如缺少科学管理，极易引发渗漏、塌方、地表沉陷等事故。

1 浅埋暗挖法关键施工技术

1.1 施工工法

大跨度地下工程采用浅埋暗挖法施工时，常用的施工工法有中洞法、侧洞法、洞桩法（PBA法）和拱盖法[2-3]，其施工工序和特点如表1所示。

表1 大跨度地下工程浅埋暗挖施工工法和特点

以上施工工法主要是通过增加开挖分块，将变大跨为小跨，并利用地层特点尽早建立内支撑体系，达到缓解地表沉陷的目的。施工时，需综合考虑地质情况、断面大小、施工安全、工期、造价等因素，选用合适的施工工法，做到安全、经济、快速施工。

1.2 辅助施工措施

在大跨度地下工程浅埋暗挖法施工过程中，常因地应力释放和重分布引起地层变形，造成洞内塌方、地表沉降，甚至地面塌陷等事故，因此开挖前必须根据地质条件、周边环境等采用相应的辅助施工措施，如降低地下水位、超前锚杆、超前钢插管、地层注浆、地层冻结等，以加固地层，确保安全稳定开挖[4]。

（1）降低地下水位。当在富水且渗透性好的地层中进行浅埋暗挖法施工时，可通过降低地下水位提高喷锚支护安全，稳定围岩。城市地下工程应确保降水引起的沉降不会对周边构筑物的结构安全造成危害。降低地下水位通常采用地面降水法或洞室内辅助降水法，不宜采用集中宣泄排水法。

（2）超前锚杆、超前钢插管。通过在开挖面前方超前打入锚杆或钢插管，将围岩若干层组合成厚层，将节理发育的岩体串联在一起阻止岩块沿裂隙面滑移，从而在洞室周边形成一定厚度的承载环，充分发挥围岩自承能力，提升掌子面的稳定性，阻止围岩因过大变形而坍塌。

（3）地层注浆。地层注浆加固的机理主要有以下两种。一是利用压力将浆液注入地层，使浆液渗透、扩散到地层的裂隙或孔隙中，以阻断地下水通道，改善围岩物理力学性能，在拟建地下工程周围形成一个既能止水又有一定强度的硬壳固结体，具体做法有管幕法、超前大管棚、超前深孔注浆、超前小导管注浆、初支背后回填注浆等。二是利用高压设备喷射出来的浆液冲击破坏土体，将浆液与土颗粒强制搅拌混合，在开挖轮廓外围形成一圈胶结体，从而提高围岩的强度和抗渗性，如水平旋喷法等。

（4）地层冻结。首先在开挖面周围地层中钻孔敷管，利用人工制冷技术将土体中的水冻结为冰并与土体胶结在一起，在结构轮廓外围形成一个临时加固体，然后在冻结体的保护下开挖施工，待衬砌支护完成后，冻结地层逐步解冻，恢复到原始状态。冻结法加固围岩的强度高，整体固结性和止水性好，对环境影响小，适用于淤泥、松软泥岩、松散冲积层、裂隙发育的含水岩层，以及饱和含水和水头特别高的地层。

2 浅埋暗挖法施工风险管理

2.1 智慧施工管理平台

大跨度地下工程浅埋暗挖法施工工序多、技术复杂、敏感度高，传统监测技术很难满足频率、精度的要求。随着网络信息技术和数据处理技术的飞速发展，利用光纤光栅自动化监测、光电式双向位移计自动化监测、分布式光纤自动化监测、3D数字摄影测量、三维激光扫描仪等智能化监测技术[5]，可对地下水位、周边收敛、拱顶沉降、钢拱架应力和掌子面变形等项目进行实时监测。

与此同时，智慧施工管理平台利用BIM技术，以具体工程为依托，建立三维数字模型，可对监测点及监测数据实行可视化管理。平台通过现场数据采集、无线传感网络传输和数值模型展示，让项目管理人员及时掌握地表沉降、围岩和支护体系的工作状态及施工对周围建筑物的影响；通过有限元反分析计算方法，修正地层参数，预测开挖面前方一定范围内的未来动态，评估施工风险，调整设计参数和施工工序。在风险评估的基础上，平台自动识别主要风险源，启动分级预警机制，再由项目部执行相应等级的风险管控措施。

2.2 施工安全风险监控内容

根据大跨度地下工程浅埋暗挖法施工特点和关键技术，有针对性地对施工过程各个方面进行风险识别和评估，明确施工安全风险监控内容[6]，具体如表2所示。

表2 浅埋暗挖施工安全风险监控内容

2.3 施工风险管理流程

基于施工安全风险监控内容，通过智慧施工管理平台建立施工安全风险管理分析框架，按照“分区、分级、分阶段”的综合风险分级管控程序，使技术人员能够根据大跨度地下工程状态采取精准的风险控制措施，实现对大跨度地下工程建设安全风险的日常管理与应急管理。施工风险管理流程如图1所示。

图1 施工风险管理流程

2.4 施工措施

为有效控制施工风险，大跨度地下工程浅埋暗挖法施工严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的原则，并根据以往工程实践经验，针对特殊地层、施工工艺、关键部位和周边环境等采取相应的施工措施。

（1）特殊地层处理。粉细砂地层自稳性差，施工时不能带水作业，必须采取注浆加固处理后，方能开挖，否则会出现流砂或大面积坍塌；砂、卵石地层在临空的情况下易失稳，在该地层中开挖应先封闭掌子面，再打管注浆；软～流塑状地层土颗粒小，浆液难渗透，一般采用低压劈裂注浆法，小间距布孔，间歇性注浆。

（2）爆破施工。由于覆土薄，围岩自稳能力差，浅埋暗挖法爆破施工风险大，施工过程中，需合理布置掏槽孔和周边孔，采用减振开挖方案，控制最大装药量，同时避免因振波叠加而加大爆破振动。施工期间，每次放炮必须进行爆破振速量测，以便及时调整钻爆参数，减轻振动，减少对围岩的扰动。

（3）开挖支护。浅埋暗挖法开挖支护是施工中的重大风险源，开挖时应首先做好超前地质预报工作，及时了解围岩地质水文情况，若地层自稳能力差，则应采用超前支护加固，开挖后尽快进行初期支护，尽早封闭成环，减少围岩暴露时间。同时，根据围岩变化和监控量测数据及时调整工法，制订加固方案。

（4）受力复杂部位施工。对出入口、陡坡段、变断面、马头面、明暗法结合处、施工工序转换等受力复杂部位进行识别，变断面处由于受力转换比较复杂，施工中易引起坍塌，是大跨度地下工程浅埋暗挖法施工的一大难点。施工中需按不同的断面转换类型考虑应力集中及洞室之间力学效应，遵循浅埋暗挖法基本原则，根据断面间相互关系和施工工法，采用超前支护加固围岩，利用格栅挂网喷射混凝土实现断面过渡，并及时模筑混凝土衬砌。

（5）下穿建筑物、管线施工。大跨度地下工程施工影响范围大，应对周边建筑物进行加固处理，并采取相应的保护措施，合理选择隧道开挖支护方法和辅助施工措施，加强靠近建筑物基础一侧的初期支护背后回填注浆。通过监控量测，准确掌握建筑物的变形发展趋势和变化规律，及时采取有效措施，确保建筑物安全。地下工程穿越管线施工时，施工前要改移距结构较近的雨、污水管，施工中要密切监测燃气、自来水管的动态沉降，若管线渗漏严重，则应在施工过程中进行定位注浆，并对周边地段进行检查和实时量测。

2.5 施工管理措施

加强施工现场安全管理是大跨度地下工程浅埋暗挖法施工安全的关键。在施工准备阶段，通过开展深入的施工调查，在综合分析地质情况、断面类型、周边环境等影响因素的基础上，明确地下工程施工风险，以便工程技术人员采取具有针对性的管理措施。项目部成立安全生产领导小组，实行各级各部门安全岗位责任制，建立健全安全保证体系和安全检查制度，并针对大跨度地下工程特点，制定岗位作业标准、安全防护规则、安全操作规程及应急预案。在施工阶段，组织有关人员宣传、贯彻执行各种安全生产法律、法规及制度，定期召开安全例会，加强安全生产教育，提高全员安全意识；落实技术措施，组织各种形式的检查活动，认真排查不安全因素和隐患，从源头上控制危险源，形成“检查—整改—验收”的闭环管理。此外，积极推广新技术、新工艺、新设备，解决施工生产中的安全问题。

3 结束语

大跨度地下工程是一项复杂的高风险系统工程。浅埋暗挖施工时，依据工程地质水文情况、周边环境、工程规模、覆土埋深及工期等因素，选用合适的施工工法和辅助措施。为了让技术人员及时准确地掌握施工状态，文章提出将现代监测技术与网络信息技术、数据处理技术相结合，通过建立智慧施工管理平台，对浅埋暗挖施工风险监控内容进行全方位的跟踪、监测、评估、预警，并针对性地采取一系列施工风险控制措施。