城市地铁隧道区间浅埋暗挖施工地表沉降控制施工技术

◎李广洲

随着城市建设及轨道交通的发展，地铁隧道采用浅埋暗挖法施工的工程越来越多，并且展现出明显的优越性，目前已经成为城市地铁施工采用的主要方法之一。浅埋暗挖法主要通过采取超前加固、优化开挖顺序、改变开挖台阶长度等手段来提高地铁隧道的开挖质量和整体施工安全指标。通过采用浅埋暗挖法，地铁隧道的多种技术难题得到了很好的解决，因此，浅埋暗挖法对于地铁隧道施工具有重要的作用。

一、浅埋暗挖法隧道施工技术

（一）试验段施工

在浅埋暗挖法施工中，由于隧道周围地层的复杂性、不稳定性特点，需要在隧道施工中进行试验段施工。首先，在进行隧道结构设计、施工方案、试验段等计划后，需制定隧道开挖试验段，主要探测施工中围岩的变形规律、地面沉降、隧道支护等问题。其次，从隧道试验段施工中获取的施工参数，可准确地分析出隧道围岩的地质类型、岩石性能，从而制定出合理有效的开挖方案、支护方式、地层加固等形式。

（二）隧道开挖

在隧道工程采用浅埋暗挖工艺进行施工时，应结合工况特点、隧道围岩结构特征、周围建筑物下环境要求，以及施工承包单位等基础条件，确认具体的掘进开挖方法，如果施工组织要求较高，应考虑在试验段予以实践施工，从而论证作业成效。一般情况下，山岭隧道多采取正台阶法进行施工，城市隧道则多采取短台阶法或上台阶分部开挖法进行施工。施工中所有工序在进行作业时，应尽量不对围岩结构造成扰动影响，如果是应用爆发开挖，应坚持“弱爆破”与“短进尺”施工控制原则，且爆发尺寸一般控制在1 米范围之内。

（三）隧道支护

第一，利用初期支护来承担所有的荷载，而二期支护则是作为安全的储备工作；第二，将隧道工程初期支护作为临时支护，同时，将二次支护作为隧道工程支护主要结构；第三，初期和二期支护共同作为支护的承载结构，但支护方式的选取应根据工程的实际情况来进行判断，并在施工中根据数据和信息不断进行调整和完善。通常情况下，隧道工程开挖施工是在浅层地表进行的，因此对于地质结构稳定性的要求比较高，一般情况下，隧道工程在浅埋暗挖地段施工中，双层超前小导管。在实际施工过程中，通过应用小导管进行水泥注浆，从而对隧道工程内部土体起到挤压和渗透的作用，当泥浆固结后，即可对土体进行约束，促使围岩结构性能稳定，提高其抗渗能力。另外待初期支护验收合格后，应对结构进行堵漏防水作业，且在无水条件下施作聚乙烯丙纶防水卷材，最后对已做的防水层进行检验，合格后可进行下道工序的作业。

（四）混凝土喷射

在进行混凝土的喷射作业时，需保证喷射的连续进行，如果机器运转正常，就需确保料斗内有充足的存料。在混凝土喷射施工前，首先，需要对隧道工程内部进行通风和送水，然后开机，给料，再停水，然后对输料管和喷射机进行清理。其次，在开始喷射之前，应对喷射机的喷头状况进行检查，确保喷头能够良好地运行，同时还需使用人工或高压风对受喷面积进行清理。

（五）回填注浆

混凝土喷射完成后，当其凝固强度达到工程设计强度的70%以上后，即可进行回填注浆施工，有效控制地面沉降问题。在回填施工中，回填材料为水泥砂浆将初期支护与围岩进行紧密贴合，同时将回填注浆压力控制在0.4MPa 以内，需要注意的是，在回填施工中，出浆口与隧道开挖的方向是相反的。

二、地层沉降的原因

地铁施工引起的地表沉降在空间上具有三维性，一般地铁隧道的施工埋深较浅，相对来说发生底层沉降的几率更大，会受地层地质，开挖方式与支护等等很多方面的影响。

1.自然因素。

（1）地下水因素。

目前地铁施工一般在地下水线之下，在隧道开挖排水之后，因压力差不同，会造成地下水不断渗出，造成土层孔隙坍塌收缩，引起地表大范围沉降。因此，在隧道施工的过程中，防水排水的工作是不可避免的。

（2）地层应力。

由于土地的高压缩性，在隧道开挖的过程中，会造成隧道周围的应力集中，土体的弹塑性变形，造成多孔介质土的局部下沉，隧道上层土的压缩，地层应力得到了释放，坍塌面就会逐渐产生，从而使地表大面积沉降。

（3）地质原因。

经调查与研究，在隧道开挖后，土体能否形成自然拱载对隧道的支护结构以及地表的沉降影响很大。由于暗挖后隧道上层土体已经失去承载能力，所以荷载将完全由隧道承担。能形成自然拱的地质相对来说对地表沉降影响较小，反之则影响较大。

2.人为原因。

（1）施工方法。

在各种施工方法中，台阶法因为简单，造价低的原因被广泛运用。但也是对地表沉降影响最大的方法，地表沉降量能为CRD 方法的两倍。而且因为断层和地层形势不同，台阶法也有很多种。若采用台阶法方式不当，很有可能会造成地表沉降。

（2）施工速度。

开挖面的暴露时间也和沉降有一定的关系，施工速度如果过慢，就会使暴露时间变得漫长，从而沉降时间变得很长，开挖面将变得不稳定，地表沉降量也就相应的会增加很多。

（3）支护衬砌结构。

由于施工材料不足，施工技术参差不齐，以及施工中的偷工减料或者施工人员的原因不能按设计施工，会导致衬砌厚度不足，支护力度不够等等后果，在前期施工中，隧道周围岩石土体的荷载全由支护承担，支护的刚度极其重要，如若支护衬砌结构出现了问题，将有极大的几率引起地表沉降。

三、对于地表沉降提出的对策

地表沉降虽然是众多原因综合造成的，但是只要做好预防，还是能在很大程度上减少地表沉降发生的几率的。

1.严格遵守“十八字”原则。

“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”这十八字原则是我国人民的智慧结晶，经过多次实践得来的浅埋暗挖法的真理，充分的体现了浅埋暗挖法的精髓。简单来说管超前就是采用超前管棚或超前导管注浆加固地层；严注浆就是对超前导管，拱脚及墙部及初期支护在规定时机注浆；短进尺就是在开挖时，开挖长度视地形而定，不良地段开挖进尺不超过0。8m 甚至更短；强支护就是喷射混凝土—开挖—架立钢架—挂钢筋网—喷混凝土的次序进行初期支护施工；早封闭就是初期支护从上至下及早形成环形结构，便于封闭，减少基地扰动；勤量测就是经常测量施工资料以便进行指导。

2.对于自然因素。

（1）为保证施工的进行，尽量保证洞内无水的状态。因此对地下水的防护十分重要。对于地下水，不应一味的把其抽排到其他地方，造成地表沉降，应以防水为主。地下结构的防水设计应遵循“以防为主、刚柔结合、多道防线、因地制宜、综合治理”的原则对工程进行全方位的防水措施。底层注浆既可以做到阻水，同时又起到了加固的作用，是防水的不二选择。根据地层结构，及时调整注浆的参数，确保注浆效果。

（2）若施工地段地质较差，土体较为松垮，不易形成自然拱，应对周边土体进行适当加固，改善土质，同时也促进了自然拱的形成。深层注浆和超层注浆是两种常用的方式，根据土质可选取不同的浆液。但是在黏土地中，注浆的效果就不是太理想了，这时可以沿着开挖轮廓线利用锚杆对土体进行加固。

3.对于人为因素。

（1）支护对于施工的重要性是绝对的。在初期支护制作后，随着时间的推移，支护效果会有所降低，在这种情况下，应采用增大小导管直径，减少布置距离，与适当缩小格栅距离等方法对初期支护进行加护，保证支护效果。并且初期支护的刚度会和地层刚度相互作用，作用效果会越来越强。因此还要尽快进行二次衬砌，确保地表正常恢复。

（2）施工时间越长，开挖面暴露的时间就越长，地层应力作用的时间也就越长，施工的地层就越不稳定。因此，若想减少地层沉降的危害，应提高施工效率，在最短的时间内最高效的完成隧道的建设。

（3）若在施工过程中采取台阶法，应预留成型的核心土，台阶的长度应根据当地的地层条件确定。按照一般来说，地层越软，则台阶的长度就应该越长，在特殊地段处上台阶拱脚处应架设钢支撑喷混凝土作为托梁。

四、地铁浅埋暗挖法施工引起的地表沉降与控制措施

（一）做好地铁工程建设周围环境的调查

地铁隧道施工与周围环境互有影响，应在施工前详细调查周围的施工环境。主要的调查项目有地下管线受施工影响的分布情况、周围接近的建筑物及临近施工现场的地表水源概况。调查的重点内容包括施工地铁线路与管线的相对位置关系、管线用途、基础类型及埋深、建筑物的建成年限等。对于施工隧道上方为供水、雨水及污水管线的，尚应重点排查有无存在渗漏问题。上桥车站位于凤中路正下方，所以对车站施工变形控制要求较高。沿线存在多栋砖砌体建筑物，除因施工围挡要求需要拆迁的以外，仍有多栋需要在车站施工过程中对变形进行严格控制。本车站周边建（构）筑物有车站左侧凤中路垃圾中转站砖房及新桥街道办事处砖房，车站右侧上桥二村民房，小里程端科能技校、民房两栋及加油站，大里程端沙区救助站及加油站。根据目前的管线资料，主体结构暗挖施工过程中，施工影响范围内共32 根管线，无需对管线进行迁移，但应监测其变形，当变形量达到预警值（0.8 倍变形指标）时，应采用注浆地层。车站上方凤中路下方存在两根燃气管道DN219 和DN300，其中DN219 局部位于车站正上方，为车站施工过程中的主要风险源之一。管线变形指标：（1）上水、热力等有压管道：允许变形控制值为10mm，管线倾斜率为0.002。（2）电信、电力等管道：允许变形控制值为20mm，管线倾斜率为0.003。

（二）施工前的工程地质勘察

隧道地质勘察在设计及施工前都非常重要。浅埋暗挖法施工时，勘察的重点项目包括：表层填土的分布、性质组成及厚度；围岩土的自稳性、性状及密实度；是否在隧道结构范围内存在松散围岩、破碎带、废弃地下工程等，并分析其对施工的影响；有无古河道或引起开挖面突发性涌水的富水型地质。上桥车站位于川东南弧形构造带，因而向斜、背斜两翼宽缓，受应力作用相对微弱，场地内未发现断层通过，岩体结构面主要受构造裂隙控制。勘察区出露的地层为一套强氧化环境下的河湖相碎屑岩沉积建造。多由砂岩～砂质泥岩不等厚的正向沉积韵律层组成。以紫红色、暗紫红色泥岩、粉砂质钙质泥岩为主，夹黄灰色、灰色薄至厚层状细粒长砂岩。车站隧道水文地质条件简单，地下水主要以基岩裂隙水的形式存在，无统一地下水位，主要补给来源为大气降水，受季节变化的影响较大。隧道施工时预计涌水量6.20L/（min＊10m）。场地内岩土层序正常，未发现断层、滑坡、软弱夹层等不良地质现象，工程地质条件较好。

（三）开挖过程中的防沉降措施

在隧道开挖过程中需要注重开挖的控制，具体表现在选用地层处理技术，就是根据隧道施工的地层情况提高或者降低地层的相应，从而改变了地层运动的有关方式。还有就是隧道自身施工时，要使用降低地层沉降的操作手段，才能保证在开挖过程中不会造成地层沉降的问题。

在浅埋软弱地质条件下进行地铁隧道施工，开挖扰动使原始地层应力重分布，控制地层变形主要把握2 个主要方面：加强围岩的自稳能力和及时施作衬砌支护。其中，对不良地层的改良措施是加强围岩自稳能力的重要措施，在很大程度上决定了地层变形的大小。

对浅埋隧道施工地面沉降采用的施工技术措施一般有：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方法，应根据工程具体情况、实施效果和成本等情况合理选用。浅埋暗挖地铁隧道施工，由于隧道开挖后围岩土体自稳性及成拱效应较差，而围岩自稳时间与围岩本身强度和施工前期的超前预加固措施有关，一般先采用超前小导管对掌子面前方围岩进行注浆预加固，减少开挖后掌子面上方围岩过大变形而引起的地面沉降，再在隧道开挖过程中采用环形开挖留核心土法，对控制地面沉降有不错的效果。对于地质条件特别差，采取超前小导管注浆和环形开挖留核心土法仍无法控制地面沉降的地段，一般考虑对局部地段采用地表注浆加固。

实践表明，在软弱地质浅埋段采用超前小导管注浆，配合环形开挖留核心土法，洞外对地质条件特别差或埋深特别浅的地段进行连续注浆，使隧道上部软弱杂填土层都被注浆处理后，对于控制地表沉降具有较好的效果。特别是对于软弱地层拱顶杂填土较厚的浅埋隧道，由于埋深浅，地表注浆易于施工，使杂填土的空隙得到充实，提高了土体的抗渗性及黏结性，加强了围岩土体成拱效应，对控制沉降效果最为明显。

（四）改变土质的结构

随着隧道施工的继续，为了进一步防止地层的沉降问题，会采用改变土质结构的施工措施，可以在隧道局部区域进行土质的加固处理，这种措施的优势在于隧道施工完成后地层能够形成自然供形，改变原始地层中易沉降的地层结构，使土质向着正方向发展，在具体的操作中表现为超前注浆、深层注浆等方式，注入的浆还分为双液浆、化学浆、水泥浆，可以有效的改变土质结构，防止地面沉降问题。

（五）适度排放地下水

自然地层的构造中一些地区的地下水含量丰富，尤其是砂层等含水量大的地层，一旦大量排空地下水就会造成地层大幅度沉降，因此减少地下水排量，实施水幔幕或者旋喷桩等方式堵塞地下水渗入，将地下水就在地层中也会降低地层沉降的现象。

（六）严格控制施工过程，保证施工质量

严格控制一次爆破的装药量，尽量避免扰动软弱破碎围岩；严格遵守开挖工序要求，控制每次开挖进尺；钢架制作、支护施工必须满足设计和验标要求，确保施工质量；施工期间应在洞口备有方木、钢架等塌方抢险材料，以备急用。对松散、无胶结、低强度岩层及开挖后有可能发生流砂、突水、突泥的岩层，根据不同情况采用超前大管棚、超前小导管注浆、水平旋喷桩、地表注浆、水平冻结等方法预加固地层和改良地层，提高围岩自稳能力。对应力和应变超限的初期支护和其他坍塌预兆应及时采取措施，根据不同情况，采用嵌钢架、加网喷、加锚、壁后注浆、提前模筑混凝土等方法加固，必要时先进行临时支撑、顶柱、扇形支撑、方木垛支撑，然后再采取加固措施。

（七）采取严格的管理措施

1.严格控制施工进尺，上、下台阶步距控制在1 倍洞径内，尽早使初衬封闭成环，减少掌子面暴露时间，并及时进行初衬背后注浆。

2.双洞隧道，左、右线掌子面应错开2 倍洞径以上，减少2条隧道施工的互相干扰和同时发生坍塌的风险。

3.施工中加强监测，在超浅埋地段掌子面前后1～2 倍洞径范围适当加密测点并增加监测频率，做到信息化施工。

4.在距离隧道开挖掌子面前方2～3 倍的洞径范围，避免前方地面上各种集中荷载垂直作用在隧道掌子面及拱顶。

四、结语

虽然现代科学技术已经十分先进，但是在修建地铁时地表沉降目前仍然是一个难题，不同的地方地质千差万别。但只要在施工前进行合理的设计，做出科学的规划，就可以把沉降控制在可以接受的范围之内。浅埋暗挖法是一项灵活的方法，对实时情况的需求很高，只要能及时测量出施工的实时资料，采取相应的对策，就可以应对大多数突发事件，把危害降到最小，把沉降控制在最低范围内。