北京特殊地质隧道施工变形机理与对策分析

孙玉辉，孙增伟，王金明，南文胜

(北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038)

1 工程概况

某地铁区间风井断面为矩形断面，开挖尺寸宽 7 m×长14.6 m，开挖深度 28.25 m，采用倒挂井壁法分三部分施工(三部分净尺寸分别为 6.3 m×4.85 m、6.3 m×3.6 m、6.3 m×4.85 m)，初支厚度 0.35 m，临时中隔壁厚度 0.3 m；风道断面为双层拱顶拱底直墙断面，开挖尺寸宽 12.9 m×高 16.67 m，覆土厚度为 9.98 m，采用双侧壁导坑法分四层施工，初支厚度 0.35 m，临时仰拱及临时中隔壁厚度 0.3 m。具体结构尺寸如图1所示。风道垂直下穿城市主干道、雨水、污水和燃气管线等一级风险源。

图1 工程地质剖面图及风井风道结构、环境相互关系图

场地岩土主要为人工填土，新近沉积土，粉细砂、粉土及软塑性粉质黏土等。共存在三层水。

具体各风险源与地下结构相对位置平面关系、水文地质情况如图1所示。

1.1 风井及风道的初期支护设计

风井、风道初期支护设计参数如表1、表2所示。

竖井初期支护参数 表1

风道初支支护参数 表2

1.2 施工方案设计

开挖区间风井井口土体至锁口圈梁底部，压实锁口圈底部土体，整体浇注井口钢筋混凝土圈梁，并预埋好各种预埋件；然后向下开挖土方，逆作法施作初期支护：挂钢筋网、架钢格栅及工字钢角撑、初喷混凝土，焊竖向连接筋，喷混凝土至设计厚度；重复上述步骤向下开挖，开挖步长同格栅间距，直至井底并封底，待区间风井封底后，由下往上分段分区施作区间风井二衬结构，分段长度不大于 5 m，待区间风井二衬结构施做完毕且混凝土达到强度后，分层、分区破除区间风井初支结构侧向井壁，并分层、分区开挖区间风道土体。凿除马头门范围内井壁混凝土时，应同步架设区间风道格栅钢架并与井壁格栅焊接牢固，前三榀格栅联排，待架设完毕后，打设超前小导管，开挖区间风道土体，并及时施作初期支护。

区间风道分四层三列共12部分开挖，各层导洞采用台阶法并留设核心土开挖，台阶长度 2 m～4 m，上下相邻导洞错开间距不小于 5 m。风道开挖步长为格栅间距。具体风井、风道结构形式及尺寸如图2所示：

图2 竖井、风道、锁口圈结构图

1.3 施工过程中地下水处理方案

采用深孔注浆止水方法对施工过程中遇到的水进行处理。竖井开挖过程中：开挖土方遇到水时，对风井四周 2 m范围内土体进行深孔注浆，确保形成止水帷幕，保证无水施工；风道开挖过程中同样采用全断面 2 m范围内深孔注浆进行止水及土体加固。

1.4 监测方案设计

根据风险源情况，监测项目为施工影响范围内的周边环境及结构自身变形。具体为：地表及道路沉降、地下管线沉降、竖井锁口圈梁沉降、横通道洞内收敛及拱顶沉降等。具体监测布点图如图3所示。

图3 竖井、风道监测点布设图

2 施工中遇到问题及原因分析

2.1 风井

风井在开挖至10 m时遇到第一层水，开挖至 13 m时水量较大，风井侧壁出现渗水流砂现象，开挖至 17 m时由于风井锁口圈及周边环境监测点沉降量较大暂停开挖并临时封底。期间采取打设降水井(3月18日开始打设降水井，在基坑周边共打设8眼降水井，并于3月26日开始抽水，连续抽水3天)、风井周边地表深孔注浆(4月4日～4月11日期间风井暂停开挖，连续进行地表深孔注浆)等措施控制锁口圈及周边地表沉降。具体风井自身结构(锁口圈)、周边地表监测点沉降时程曲线如图4所示，根据开挖进度所行车的坑边沉降槽如图5所示：

图4 沉降时程曲线图

图5 基坑周边沉降槽

根据监测结果(图4、图5)，可以发现：

(1)风井周边监测点及锁口圈结构监测点整体沉降量较大，周边地表最大沉降量 -54.05 mm，锁口圈最大沉降量 -66.35 mm。并且锁口圈沉降量整体大于周边地表沉降量。

(2)沉降量主要发生在风井开挖 10 m～17 m期间，期间沉降量占总沉降量60%。

(3)风井周边沉降槽明显，说明周边地表沉降主要原因是风井开挖施工造成的。

通过精细化的监测，综合各方面的因素，对造成以上变形异常的原因分析如下：

(1)工程地质。风井处人工填土厚度约 1.0 m左右，新近沉积土厚度约 8.5 m，新近沉积层土质软，结构性、均匀性较差，工程性质不稳定，承载力较小，对施工扰动敏感，易产生变形。

(2)风井开挖使用的龙门吊安装在锁口圈结构上。施作锁口圈时只对锁口圈底部土体进行压实处理，并未做任何加固或换填处理，锁口圈结构直接坐落在新近沉积土上。根据验算，新近沉积土的承载力远小于龙门吊自身重量及其运行过程中所产生的震动荷载，导致锁口圈结构沉降较大。

(3)未做锁脚锚杆。根据风井初期支护设计参数(如表1)，风井初期支护并未设置锁脚锚杆。现场巡视发现风井初期支护喷射混凝土存在不密实现象，造成初期支护与岩土之间密贴不实，锁口圈底部土体承载力不足造成初期支护与土之间的摩擦力不足。造成锁口圈下沉过大并且整体大于周边地表监测点沉降量。

(4)未进行降水。风井开挖至10 m～17 m期间遇到第一层滞水，设计采用的逐渐止水效果不好，现场巡视发现竖井开挖过程中坑壁出现渗水流砂现象，造成竖井侧壁岩土水土流失，造成竖井周边地表沉降。

2.2 风道

风道施工按图2所示顺序进行开挖。开挖对应地表沉降监测点沉降时程曲线如图6所示，对应地表不同时期沉降槽如图7所示，以隧道中心对应地表点为例，各导洞开挖造成对应地表沉降量及占总沉降量比例如表2所示。

图6 风道对应地表沉降时程曲线图

图7 风道对应地表沉降槽

隧道中心线对应地表监测点各导洞通过时沉降量及比例统计表 表2

从图6、图7及表2中可以看出：

(1)隧道开挖造成其对应地表沉降量整体过大，其中隧道中心线对应地表沉降量最大，最大值为 -148.06 mm，远超过规范规定控制值及道路评估变形允许值。

(2)隧道开挖过程中2#、3#导洞通过时开挖造成沉降量比例较大(2#导洞沉降量占总沉降量的17.86%，3#导洞沉降量占总沉降量27.49%)，中间导洞开挖对地表沉降影响最小，只占总沉降量3.5%左右。隧道断面尺寸、上层导洞扰动土体及群洞效应是响应地表沉降量大小的关键因素。

(3)在隧道开挖过程中，9、10#导洞开挖相对7、8#导洞开挖造成沉降比例相对较大，9、10#导洞开挖过程中遇到⑥2粉土及层间水，开挖过程中侧壁、拱角处渗水较大，造成水土流失及初期支护格栅拱脚脱空，受力不佳。由此可看出施工过程中渗水、水土流失是造成地表沉降的主要原因。

(4)地表沉降槽明显，说明隧道开挖是造成周边地表沉降最主要原因。

(5)9月～12月导洞暂停开挖，期间地表沉降量几乎无变化。具体如图5所示。

综合各方因素，造成以上结果的原因分析如下：

(1)工程水文地质条件。

①根据勘察及现场验证，风道拱部 500 mm以上有粉细砂夹层，并伴有层间水存在，在导洞1、2、5#开挖过程中水量较大；风道3、4、6#导洞开挖断面存在粉细砂层，位于第二层潜水层，在导洞开挖过程中渗水量较大，造成部分水土流失，造成沉降量过大。

②根据现场地质描述，风道开挖断面岩土为含水率饱和状态软塑性粉质黏土，该地层暴露时间较长易造成水分散失。该地层为北京西北山前地区特殊地层。

(2)施工过程中拱顶土体扰动、格栅两侧拱脚脱空，受力较差。

施工过程巡视发现拱顶工程地质较差，土体松动并伴有渗水、开挖过程中拱顶扰动较大，偶尔发生土体塌落，架设格栅时格栅距离围岩空隙较大。格栅拱脚处渗水、粉质黏土地层经水浸泡后变成软塑状态，承载力较差，另外施工锁脚锚杆不及时，均造成格栅拱脚受力点较差或没有支点，格栅处于悬空状态，以至于格栅整体下沉，根据隧道洞内监测最大拱顶沉降为 75.16 mm。如图8所示：

图8 风道1#、2#导洞洞内拱顶沉降

(3)隧道断面较大，拱顶过于偏平及开挖过程中群洞效应也是造成地表沉降过大的原因之一。另外设计深孔注浆止水长度不满足该地层止水要求，无法达到止水效果。

3 变形控制对策及效果

3.1 风井开挖

(1)打设降水井降水

竖井在开挖10 m～17 m期间，侧壁渗水流砂严重，原设计深孔注浆止水效果不理想。建议采用降水井降水。3月18日开始在竖井周边共打设8眼降水井(其中7眼 35 m，1眼 50 m)，并于3月26日开始连续抽水3天。根据变形监测发现在竖井暂停开挖只进行降水的情况下，竖井周边地表每天沉降速率仍很大(具体详见图2所示)。综合判断目前进行降水已晚，已不足弥补深孔注浆效果不理想造成侧壁渗水流砂严重问题，降水可能造成周边地表进一步下沉。3月29日停止全部降水井抽水，包括竖井南侧距离坑边 5 m的生活用水井的使用。

为验证降水井降水可能造成周边地表进一步下沉，在新生活用水井(井深 80 m，距离坑边 100 m)周边布设地表沉降监测点(X-01距离井 5 m，X-02距离井 15 m，X-03距离井 25 m，X-04距离井 45 m)。具体各监测点变形时程曲线如图9所示。可以看出：降水造成的沉降为大范围区域沉降，没有明显的沉降槽。生活用水井自开始投入使用经过4个月时间周边地层才固结完成，其中前30天沉降速率较大，最终由于抽水地层固结造成周边地表沉降量稳定在 -25.00 mm左右。可见单纯依靠降水井降水无法满足要求。

图9 新生活用水井周边地表监测点沉降时程曲线

(2)地表深孔注浆

打设降水井控制地表进一步沉降效果不佳的情况下，决定采用在竖井周边进行地表垂直深孔注浆，作为竖井内深孔注浆止水方法的补充。4月4日～11日开始在竖井周边进行深孔注浆，注浆范围为竖井周边含水地层。从图2中可看出：注浆造成坑边C2测点连续几天上升，其余监测点均未出现明显反应，但从整体上来看自地表深孔注浆后沉降时程曲线变缓，沉降速率变小，施工过程中渗水流砂现象得到一定的缓解。这说明地表深孔注浆有效地补充了竖井开挖过程深孔注浆止水方法，有效地控制住了竖井周边地表的快速沉降。

(3)完善设计、加强措施

在原有设计的基础上，增设倒挂井壁初支格栅的锁脚锚杆，确保格栅背后喷混密实，进行小压力初支背后回填注浆。确保初支结构和其背后岩土的密贴性，增大初支与岩土之间的竖向摩擦力。

3.2 风道开挖

(1)加强深孔注浆，确保注浆形成止水帷幕及加固地层。

施工过程加强掌子面全断面深孔注浆，以开挖掌子面断面出现交叉、平行的浆脉为判断效果标准。针对风道3、4、6#导洞位于第二层水潜水层，开挖断面中有粉细砂层，渗水量较大，采取从上层导洞向下深孔注浆、在洞内针对粉细砂层水平深孔注浆止水及采用化学浆液注浆等多种措施；同理，从风道第2层导洞向下对风道第3、4层进行注浆。及时多次进行初支背后回填注浆。

(2)在拱脚处下垫实300×400×50 mm木板，并增设初支格栅锁脚锚杆数量。确保格栅有受力点，不悬空，控制住格栅拱顶的沉降发展。

(3)加强管理，确保交接班无缝衔接。

采取24小时三班倒不间断作业，确保交接班无缝衔接，减少岩土体暴露及交接班时格栅封闭成环时间，严格按照浅埋暗挖“十六字方针”执行。

3.3 效果分析

在针对性措施实施下、精细化监测及安全巡视风险管控下，风井及风道顺利施工完成，隧道结构及周边环境变形逐渐趋于稳定，累计变形量均在有效安全范围内，未发生结构自身及周边环境安全事故。

4 结 论

(1)北京西北山前地区存在一层软塑性粉质黏土，根据现场地质描述及室内试验，该地层土孔隙比、空隙率及饱和度均较大，局部处于完全饱和状态，在无水情况下还具有一定的承载力，有水的情况承载力很差，且伴随渗流水易发生水土流失现象。

(2)水土流失是致使竖井、隧道开挖对应地表沉降的主要原因。北京西北山前地区软塑粉质黏土地层地下工程施工过程中易采用地面降水+深孔注浆综合措施控制带水作业。

(3)倒挂井壁工法开挖竖井，初支结构与井壁之间的摩擦力不足、锁口圈尺寸不足、锁口圈下方土体承载力不足均是造成结构自身沉降的因素。

(4)降水会造成大范围地层的固结沉降，根据本文研究结果可知：北京西北山前地区施工降水造成的地层固结变形量约为 -25 mm。

(5)加强施工管理，严格按照设计规范施工是控制地表沉降过大的根本。

(6)“监测是施工的眼睛”，合理正确的监测能动态指导施工，引导设计方案优化调整，做到信息化施工。可根据现场巡视情况和监测数据综合判断结构自身及周边环境等风险源是否处于可控状态。最大限度地规避风险，避免人员伤亡和环境损害，降低工程经济和工期损失，为工程建设提供安全保障服务。

(7)本文对北京西北山前地区软塑粉质黏土地层变形机理分析及施工所采用的对应措施可为类似工程设计和施工提供实例参考。