浅埋暗挖电力隧道穿越砂卵石地层时地上建筑物沉降控制研究

◎马儒良

前言：

浅埋暗挖法具有灵活多变、不拆迁、不影响交通、不破坏环境、综合造价较低、支护强度高等优点，在我国地下工程中得到了广泛的应用。由于砂卵石地层非常松散，无粘结性，作为隧道围岩自稳能力几乎为零，因此隧道开挖前须进行超前支护，以提高砂卵石层的自稳能力。如何控制建筑物（构筑物）和相关管线的沉降，保证建、构筑物的安全和人员安全，是穿越卵石地层浅埋电力隧道施工的关键。为此需对砂卵石地层隧道施工的地面沉降控制进行研究。

一、电力隧道修建的必要性

电力隧道是城市交通不断发展的结果，世界上，很多诸如巴黎、伦敦等欧美城市交通发展趋势都已呈现为地下化，他们的城市交通配电线路地下化比例已接近100%，对比我国目前很多仍以架空线路为主的城市来说，修建实行输电和配电线路的电力隧道已经十分必要。通过修建电力隧道可以改善城市面貌，节约城市地上空间资源，通过稳定的地下输电和配电可以给城市发展带来巨大的社会和经济效益。

二、浅埋深挖技术特点及原理

浅埋暗挖技术实施的项目多数会使用矩形框架来建造市政工程隧道，只有少数的工程会使用拱形框架。某工程项目如图1 所示。浅埋暗挖技术的施工要点主要分为以下五点：围护框架、降低基坑内的水位、开挖土方石、主体框架建设、施工后的恢复工作，这五点在开挖过程中需要格外注重。浅埋暗挖技术在施工中使用最为频繁的支护方法是桩和内支撑物以及锚杆为一体的方法。隧道浅埋暗挖支护工程隶属于临时性的工程项目，但是在具体施工期间会贯穿于全过程中，所以施工期限比较长。隧道浅埋暗挖支护具有多种不同的类型，在整体上非常复杂，且施工规模很大，在施工期间会面临各种各样的问题，施工环境或随着地质情况导致复杂系数逐渐增加，主要是因为在地铁工程建设中，隧道支护施工对显著增强地基的稳定性和安全性起到很好的作用，通常体现在能够避免土地出现坍塌现象等，促使其作用得到全面的发挥。同时，在隧道浅埋暗挖支护工程施工中，关于土体变动的情况也对维护整体施工的安全性和稳定性具有重要影响。

图1 浅埋暗挖示意图（单位：mm）

随着我国地铁工程规模的扩大，隧道浅埋暗挖已成为浅埋暗挖中关键的基础技术，该技术的有效结合使地铁工程的稳定性、安全性以及质量得到了保障，也推动了地铁工程领域的发展。在浅埋暗挖中难免会遇到地下水资源较多的地区，为了防止在开挖过程中造成地下水大量泄漏，进而导致土方开挖时产生坍塌现象，在开挖之前需要做好降低地下水位的工作和相应的勘察工作，结合浅埋暗挖现场的周边环境、土质环境以及地下管道分布情况，选择最为合适的浅埋暗挖方式，比如横向、纵向、竖向等形式，主体框架的浅埋暗挖可以使用混凝土进行浇筑。浅埋暗挖法是一种在离地表很近的地下进行各种类型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾构法不适应的条件下，如北京长安街下的地铁修建工程，浅埋暗挖法显示出了巨大的优越性。

三、价值分析

1.以往已经有类似工程在沉降变形敏感的地方运用浅埋暗挖法。隧道挖掘之后结构的稳定性相对较好，并且围岩变形量也相对理想，结构受力与位移变形值能很好地控制，所以倘若交通没有中断，依然能进行暗挖施工。

2.选择暗挖法下穿公路具备技术可靠性，可是因为实际作业中挂车通行要被限制，要防止隧道出现严重变形问题，避免出现坍塌问题。

3.隧道进出洞口位置是作业中的难点与危险点，因此进洞前应运用切实有效的加固手段，还应在隧道进出口第一时间完成锁口操作。

四、浅埋暗挖技术在隧道施工中的应用风险

1.周边环境产生的风险。

在建设的开挖过程中，由于天气属于不可控制的因素，可能会出现雨季降水量过大或者管道出现泄漏的现象导致施工周边的建筑物或者主要的水管路线破裂，导致挖掘的基坑出现严重积水的问题。除此之外，隧道上方及周围的土质水分含量过大，也会对隧道的稳定性产生影响，大量的水分存在土壤之中，也在不断破坏土体的基本结构。

2.管道渗漏产生的问题。

在建设的过程中地下水管出现渗水、漏水的现象，则会使施工周边土壤的含水量增加，对土体的结构造成严重的破坏和影响，在施工操作时可能会出现土体坍塌的现象。管道渗漏风险问题属于目前市政隧道工程浅埋暗挖技术应用中经常发生的缺陷，出现的原因可能是施工组织管理工作方式落后，不能及时发现工程结构渗漏风险问题，难以快速应对处理，导致工程质量降低。

3.质量层面的风险。

出现质量风险问题的原因主要是在工程施工期间所使用的技术与地域情况不符，没有在施工之前因地制宜地制定和完善技术方案，导致在工程建设期间发生质量风险问题，严重影响工程建设效果，难以将浅埋暗挖技术在市政隧道工程中的作用发挥出来。同时，在工程技术应用的过程中没有合理使用检测措施，缺少完善的检测工作方案，不能及时、准确地识别质量风险隐患问题，导致工程质量降低。

五、浅埋暗挖技术在隧道施工中的应用方法

1.从组织方面开展控制。

在暗挖之前需组织一支专业的安全风险控制团队，完善的风险安全控制体系不但可以保证暗挖能够顺利开展，而且能在一定程度上提升开挖过程中的安全性，在管理的过程中需要明确个人或者团队需要承担的相应责任，将职责和任务落实到个人的身上，督促开挖现场的安全措施是否有效落实，做好各项安全工作，定期检查开挖周围的环境，保证周边环境不会对开挖产生影响。同时，对开挖技术人员进行安全防范以及紧急避险的培训，保证开挖人员在出现事故的第一时间内能够快速做出正确的自我保护措施，如果发现暗挖中设备存在问题，及时采取维护措施，避免发生重大事故。

2.从管理方面进行控制。

在暗挖的过程中，需要结合实际情况制定安全管理制度，确保制度的实用性以及规范性，在开挖过程中有一套符合标准的管理制度，不仅能够降低暗挖中安全事故的发生率，而且能在一定程度上调动技术人员的工作积极性。此外，需要对暗挖技术人员做好相应的岗前培训工作，加强技术人员对技术要点的掌握程度，避免在暗挖中由于技术水平的问题造成质量不合格、需要返工等情况。除此之外，参建企业或者相关政府部门如果发现暗挖中存在严重的安全风险问题，或者可能会导致安全风险的问题，需要及时停工，采取措施解决或者整顿问题，确认无问题后方可继续施工，以确保在地铁建设中工作人员的生命安全。

3.浅埋暗挖技术在市政工程隧道施工中的应用检测。

为了解隧道的状况，需要对隧道进行浅埋暗挖技术应用监测，分析隧道是否存在异常，及时采取修补措施以保证地铁稳定性。但是随着地铁里程的增加，传统的浅埋暗挖技术应用监测工作已经不能满足需求，为此，必须使用扫描技术，满足对地铁浅埋暗挖技术应用监测的需要。在实际的监测工作中，应合理设置隧道施工工程重点结构，超声波设备扫描系统可以及时发现可能存在的质量问题或其他缺陷，便于施工部门按照检测结果针对性处理，在维护工程质量的同时增强工程的建设水平和强度。除此之外，企业还需在应用浅埋暗挖技术的过程中组建专门的工程监测队伍，要求每位人员掌握监测的技术方式、专业知识、技术手段，通过专业性的检测方式应对可能存在的风险隐患问题，确保技术在隧道工程施工过程中的高质量、标准化运用。

4.相关技术的可靠运用。

（1）上台阶施工。

为实现施工项目安全性的提高，必须在施工之前，加强对设计图纸的分析，结合实地勘察结果，对现场地质情况进行全面掌握。实际施工中，围绕周边土体进行摆喷施工，确保土体稳定性。上台阶施工的时候，应科学设计管线，并合理控制开挖阶段的围岩扰动指标，用风镐进行开挖。在实际开挖的时候，应从拱部位置开始，预留中心部位，对支护结构进行调整，及时将开挖施工中产生的土方运到下台阶区域，保障开挖、支护的同步进行。

（2）下台阶施工。

下台阶施工中，应根据设计图纸，合理应用挖掘机，按照施工图纸的要求，逐步开展开挖作用，施工至中央位置的时候，应结合施工实情，对土体开挖中的两侧轮廓指数进行合理调控。开挖作业完成之后，对两侧轮廓进行一一修正、处理，以控制土体扰动问题。一般来说，应该将隧道下台阶开挖深度控制在1m，在开挖完成后，应及时开展支护作业，并要确保支护的效果，以形成封闭圈，保障施工质量。为确保实际施工过程中的安全性，应注意避免超出循环进尺范围。

（3）管棚支护。

超前支护环节中，管棚施工有着明显的简易性特征，施工成本相对较低，可根据管井规格，合理选择施工材料。如果钢管两端的支护体系规模已经符合要求的情况下，便可以有效降低开挖过程中的变形量。其原因在于，管棚本身具有支护能力，设置在钢管两端的支护梁弹性支撑系数较大，充分发挥两者的作用，便可以确保稳定性。上方地层变形主要包括绕曲变形、端头支撑变形，实际施工中可以通过对管棚高度、支撑量刚度进行优化调整，来满足支护阶段的系数要求，确保支护效果。这样也可以为后续施工奠定良好的基础，有利于确保市政隧道施工质量。

六、建筑物沉降控制标准

控制建筑物沉降，须确定建筑物沉降控制标准。根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》的要求，砌体承重结构基础的局部倾斜，对中低压缩性土，变形允许值为2‰。由于岩土工程的不确定性，本次穿越房屋段的控制标准应通过现场试验确定。当承重墙的差异沉降大于30mm 时原有裂缝发展加剧，同时开始出现新裂缝。为保证安全，将控制标准确定为差异沉降应不大于0.5‰，裂缝应不大于1mm，差异沉降量不大于20mm，地表沉降量应不大于30mm。差异沉降控制主要考虑相邻结构承重柱的差异沉降，计算得出东西柱之间差异沉降应不大于2.5mm，南北柱之间差异沉降应不大于2.1mm；基础沉降量小于12mm，扣除前期沉降后其基础最大沉降量应不大于6.11mm。

七、电力隧道围岩加固方案比选

为保证电力隧道下穿华国汇搅拌站办公楼时围岩加固方案的可靠性，电力隧道穿越施工之前，需选定试验段，进行现场围岩加固试验的研究。现场选定的试验段长度为80m，试验段施工时试验人员应密切观察围岩的变化，专业人员结合以往工程施工经验、注浆工艺施工方法、施工原理等，及时了解掌握钻孔成孔的情况和注浆的效果，试验人员做好详细的现场试验记录，拍摄好影像资料，供相关专家判别，根据成孔和注浆效果及时调整注浆浆液的配合比、注浆压力。最终根据试验段研究，确定经济合理可行的施工方案。

1.方案一。

开挖前对地层进行地面深孔注浆加固，将水泥浆液由地面注入需加固的土层范围内。

地面注浆施工工艺：（1）钻孔；（2）扫孔；（3）注浆管注；（4）制浆；（5）注浆。

注浆过程中需时刻关注注浆情况，观察注浆地表的变化，并根据注浆情况调整注浆浆液的配合比和注浆压力。根据实际情况调整注浆压力。

采用本方案遇到以下问题。

（1）注浆量比原计划注浆量多将近一倍，材料消耗太大。

（2）隧道开挖面范围内，存在大范围浆液与卵石的固结体，隧道开挖难度大幅增加。

2.方案二。

管棚支护施工，在隧道拱顶两层格栅之间根据注浆角度安装长400mm、壁厚4mm 钢套管，套管与套管之间密排并与格栅焊牢固；

108 钢管切成2m 一段，第一段焊接钻头，管与管之间密排并用套筒连接，最后一段钻进后焊接10mm 厚堵板，安装32 球阀，导管四周钻设孔径12mm 注浆孔（靠阀门端1.1m 处的棚管不钻孔），孔间距400mm，呈梅花形布置。孔间距为150mm。

接长钢管应满足受力要求，相邻钢管的接头应前后错开。同一横断面内的接头数不大于50%，相邻钢管接头至少错开1m。钢管安装完毕后端部与初衬格栅相焊接。钢管施工误差不大于50mm。

经现场试验，大管棚支护能保证施工质量和安全，地面和建构筑物的沉降也能保证，但经费用核算后，由于造价过高，技术升方面可行，而经济方面不合理，被迫放弃。

3.方案三。

沿电力隧道拱顶180°范围打设自进式锚杆，进行超前预支护。架设完每钢榀架后，在钢榀架中预埋50PVC 塑料管作为自进式锚杆导向管，隧道初衬混凝土喷射完成后，用风钻打入自进式锚杆，锚杆向上倾斜12°～15°打设，并将锚杆尾部焊接在已架好的格栅钢架上，锚杆外露5cm 以利于安设注浆管路。用速凝水泥浆封孔，在水泥浆硬化后进行水泥砂浆压注。为保证注浆效果，自进式锚杆单孔长度不小于1.8m，设置间隔250mm 的6 梅花形布置的注浆孔，尾部0.4m 范围内不打设注浆孔，管壁加厚，端头安装特制钻头。注浆采用水泥、改性水玻璃双液浆液，注浆压力控制在0.3～0.5MPa。

此方案基本无坍塌，开挖轮廓控制好，拱顶稳定。由于浆液采用水泥、改性水玻璃双液浆，在隧道开挖过程中，其开挖难度比纯水泥浆减小很多。

通过对3 个方案围岩加固方案进行比较与分析，自进式锚杆超前注浆施工方法简单，加固时间较短，注浆效果良好，对砂卵石地层的加固效果很好。因此，综合考虑，确定电力隧道围岩加固采用单自进式锚杆注浆加固。为进一步加强对地面建筑物的保护，本区段格栅榀距由0.5m 改为0.4m，并在拱脚打设长1.5m 的自进式锁脚锚杆，压注水泥、改性水玻璃双液浆液，防止上部拱架因地层压力过高而不稳，并在其拱脚设钢垫板，以控制格栅下沉。

结语：

1.砂卵石地层浅埋暗挖电力隧道施工时，为保证地面建筑物的安全，应采用现场试验等手段获取控制标准，在试验基础上提出沉降控制标准、采取有效的隧道围岩加固方案、隧道土方开挖方法和施工过程，严格控制隧道超挖和欠挖，采取信息化、数字化施工手段，全过程质量控制和风险管控，及时调整施工工艺参数，使风险控制到最低。

2.浅埋暗挖隧道施工应加强新工艺新技术方面的研发和应用，加强信息化管理和动态过程控制，过程检测、实现数字化分析与施工，根据试验参数调整施工工艺，最终实现生产安全和社会安全。

3.浅埋暗挖隧道穿越砂卵石地层时，只要采取合理的注浆加固措施，利用信息化施工，做好监控和监测，及时调整施工参数，遵守“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的方针，便可保证施工安全和地表路面的安全性及出行的舒适性。

4.进行隧道背后回填注浆，防止由于隧道和地层间的空隙造成地面沉降，及时采取雷达探测，发现隧道与地层间存在空隙时，及时进行注浆补救，最大限度地保证地面建（构）筑物及地下管线的安全。