地鐵隧道埋暗挖法施工工藝對(duì)地層變形的影響

【摘 要】 以正在建設(shè)中的深圳地鐵I期工程暗挖隧道為例，通過分析深圳特殊地層條件下單洞結(jié)構(gòu)雙線隧道臺(tái)階法韻施工工藝，洞悉淺埋暗挖正臺(tái)階法施工中超前預(yù)加固、開挖時(shí)空順序、臺(tái)階長(zhǎng)度等工藝對(duì)地層變形的影響程度，并輔以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和量測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化各工藝的合理參數(shù)，以確定不同施工工藝對(duì)地層大變形的影響程度。分析結(jié)果對(duì)同類工程有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。
【關(guān)鍵詞】地層變形；淺埋暗挖法；影響因素；臺(tái)階長(zhǎng)度；錯(cuò)距

1 淺埋暗挖法的應(yīng)用
1987年北京地鐵首次采用暗挖法建成了復(fù)興門車站折返線工程，由于其靈活多變、適用復(fù)雜多變的地層及隧道斷面結(jié)構(gòu)、設(shè)備簡(jiǎn)單、不干擾交通及周邊環(huán)境等眾多優(yōu)點(diǎn)，“隧道及地鐵淺埋暗挖工法”在全國(guó)廣泛推廣應(yīng)用。目前已成功應(yīng)用于北京、廣州、南京和深圳等已建成或在建地鐵工程，同時(shí)也廣泛適用過街道、污水處理管道及鐵路、公路淺埋隧道工程。實(shí)踐表明，與明挖法、盾構(gòu)法相比，淺埋暗挖法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，基于該工法的可適用性，劉施工工藝即預(yù)注漿加固、開挖時(shí)空順序、臺(tái)階長(zhǎng)度等方面提出了更高的要求。
本文針對(duì)淺埋暗挖工法在深圳特殊地層單洞雙線隧道中的成功運(yùn)用，分析超前勵(lì)D固、開挖時(shí)空順序、臺(tái)階長(zhǎng)度等工藝在保證施工安全、質(zhì)量和控制地層沉降中發(fā)揮的作用，確定同類地層中的工藝參數(shù)，完善淺埋暗挖的理論體系，更好地應(yīng)用工程實(shí)踐。
2 暗挖施工引起地層變形的影響因素分析
淺埋暗挖法最初應(yīng)用北京地鐵是在第四紀(jì)地層、無水、地表無建筑物的條件下，采用了管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、速反饋的施工原則成功應(yīng)用的。在超前小導(dǎo)管注漿加固等輔助措施的配合下，不斷完善得到一系列輔助施工措施，目前運(yùn)用的廣州、深圳地鐵都是非第四紀(jì)地層，且富含地下水，伴有砂層，地表密集民房、埋深最小達(dá)0．8m、暗挖車站跨度達(dá)26m等復(fù)雜條件，因此，對(duì)暗挖法的施工工藝和輔助工法提出了更高的要求，以此保證地鐵施工對(duì)周邊環(huán)境的環(huán)保和安全要求。
選取深圳地鐵I期工程6標(biāo)段為例剖析不同施工工藝對(duì)地表沉降的影響程度，確定合理的工藝參數(shù)。
2．1 工程概況
6標(biāo)為雙線單洞隧道，馬蹄形斷面(6．2mx6．7m)，正臺(tái)階法開挖，區(qū)間隧道范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層，海積沖積層及第四系中統(tǒng)殘積層，下伏燕山期花崗巖，地下水豐富；隧道埋深較淺，部分位置上覆砂層，開挖面土質(zhì)強(qiáng)度較低，上覆砂層地段條件極差。
2．2超前預(yù)加固輔助工法
從最初的超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固到現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的各種淺埋暗挖輔助工法都以適用不同的地層條件及隧道周邊環(huán)境要求為標(biāo)準(zhǔn)。從6標(biāo)的工程實(shí)踐來看，針對(duì)不同的地層條件，特別是在地下水豐富地區(qū)施工地鐵隧道(大部分標(biāo)段不能采取前期降水處理)，在不同的地質(zhì)條件下，超前預(yù)加固方法和參數(shù)的選擇相當(dāng)重要。
6標(biāo)一般地層條件下，隧道上覆粘土或粉質(zhì)粘土，且土層較厚，故水量較小，因此采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固(參數(shù)見表1)；一般地層到富水砂層地段之間的過渡段水量逐漸變大，采用長(zhǎng)短結(jié)合的小導(dǎo)管注漿預(yù)加固，達(dá)到雙層的加固效果，短導(dǎo)管外插角比長(zhǎng)導(dǎo)管大，管徑和間距增大；在富水砂層地段采用長(zhǎng)短結(jié)合的小導(dǎo)管注漿預(yù)加固或小管棚加固，后者對(duì)改善開挖面條件和控制地層變形效果顯著。同
表1 6標(biāo)不同地層超前預(yù)加固方式及參數(shù)

時(shí)，注漿壓力及注漿量的控制對(duì)預(yù)加固效果有影響，地層較好的情況下可以不注漿。
管棚與小導(dǎo)管分布如圖1所示。管棚拱部180度范圍布置，環(huán)向間距40cm，孔口位置沿隧道拱部開挖輪廓線外布置，外插角4-6度；管棚每次施作長(zhǎng)度12m，開挖10m；注漿采用水泥-水玻璃漿液，水泥漿水灰比0．6：1-0．8：1，水玻璃波美度控制在30-35Be’，注漿壓力擬采用0．6～1．0MPa，漿液擴(kuò)散半徑0．6-0．8m。管棚施作后地層條件明顯改善，但其造價(jià)高施工進(jìn)度慢，能用小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)盡量不用管棚。

圖1 富水砂層地段管棚設(shè)計(jì)示意
從施工情況看，超前預(yù)加固和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)息息相關(guān)，且其加固效果的好壞對(duì)開挖進(jìn)度有很大影響，作為掌子面前方的小范圍加固其對(duì)地層變形的影響相對(duì)較小，即砂層地段的地表沉降量是一般地段的2倍左右。此外，超前預(yù)加固的好壞對(duì)掌子面的開挖狀態(tài)影響很大，即開挖進(jìn)尺及開挖過程中的穩(wěn)定性都隨預(yù)加固的好壞改變，而開挖進(jìn)度則直接影響地層的塑性變形，因此，超前預(yù)加固對(duì)地層變形的影響是雙重的，必須做好地層的預(yù)加固處理。
2．3開挖時(shí)空順序
地鐵隧道開挖在土中進(jìn)行，開挖擾動(dòng)使原始地層應(yīng)力重分布，而土的自穩(wěn)能力較差，暗挖法開挖不象盾構(gòu)法施工有足夠的抗力支撐擾動(dòng)地層，只能以超前預(yù)加固和“短開挖、早支護(hù)”保證地層的穩(wěn)定。因此掌握開挖和支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)對(duì)穩(wěn)定地層，保證施工安全，控制地層變形都有很大幫助，對(duì)于掌子面而言要把握開挖進(jìn)尺、分步開挖順序；對(duì)雙線隧道則要確定左右線的間距。
2．3．1施工進(jìn)度的基本情況分析
施工進(jìn)度的快慢與開挖進(jìn)尺及每一個(gè)開挖循環(huán)所用的時(shí)間有關(guān)，因此，考慮在預(yù)加固前提下土體的自穩(wěn)時(shí)間及地層的塑性變形發(fā)展確定工序?，F(xiàn)場(chǎng)每個(gè)工序循環(huán)耗時(shí)如表2，每個(gè)班做1．5個(gè)循環(huán)，開挖進(jìn)尺為1mm／循環(huán)，無支護(hù)時(shí)間為4小時(shí)；而當(dāng)?shù)貙訔l件較差時(shí)，開挖進(jìn)尺減小為0．75或0．6m／循環(huán)，超前預(yù)支護(hù)長(zhǎng)短結(jié)合需要更多時(shí)間，而開挖土方減少開挖時(shí)間減少，即預(yù)支護(hù)強(qiáng)度提高和無支護(hù)時(shí)間減少，地層變形減小。
表2開挖每循環(huán)所用時(shí)間

隧道通過含水砂層地段時(shí)，施工進(jìn)度慢則掌子面裸露時(shí)間長(zhǎng)，而上臺(tái)階沒有施作臨時(shí)橫撐或臨時(shí)仰拱，且上臺(tái)階拱腳容易積水，土的強(qiáng)度又低，雖然用鋼板或木板支撐，拱部結(jié)構(gòu)仍產(chǎn)生整體下沉，隧道結(jié)構(gòu)不及時(shí)封閉成環(huán)，對(duì)沉降的發(fā)展不易控制。因此施工過程中工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)及時(shí)做好超前的地質(zhì)預(yù)報(bào)，隨時(shí)改變頂支護(hù)參數(shù)，保證安全、快速施工。六標(biāo)一般情況上、下臺(tái)階2～3m／d(下臺(tái)階機(jī)械施工，相對(duì)進(jìn)尺快，有時(shí)隔天開挖)砂層地段開挖進(jìn)尺小，開挖困難進(jìn)度慢，甚至不時(shí)停工，其沉降大。
當(dāng)然在地層條件極差位置，土體易失穩(wěn)，6標(biāo)邊墻曾出現(xiàn)噴混凝土前大面積土體滑落(片幫)，相當(dāng)危險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用三臺(tái)階開挖，縮短每步開挖的時(shí)間，保證了施工的順利進(jìn)行。這也是對(duì)地層變形的有效控制。
2．3．2左右線錯(cuò)距分析
6標(biāo)段為左右并行雙線單桐隧道，左右線間距13．2m，隧道凈空寬度5．1m，隧道上覆土層厚度9．9-14．3m，屬超淺埋暗挖隧道，左右線的開挖對(duì)相鄰隧道有很大的影響，超前掘進(jìn)的隧道對(duì)另一線隧道
的前方地表沉降值有影響，而滯后開挖的隧道則影響超前掘進(jìn)隧道的后方沉降值。超前開挖隧道對(duì)地表沉降的影響范圍要大于滯后開挖的隧道，相應(yīng)地其地層沉降收斂穩(wěn)定所需時(shí)間亦較長(zhǎng)。
從2001年12月29日到2002年3月14日，區(qū)間隧道科學(xué)館方向的左右線間距變化明顯(見表3)，2001年12月29日左線開挖滯后右線11．15m，左線施工進(jìn)度加快，2001年1月19日左線超前(幾乎并行，甲程SK4+599．8)，到2002年2月8日左線超前右線最大里程為12．2m(里程SK4+584．1)，此
后左線減緩施工進(jìn)度，左右線間距又變小，到2002年3月4日左右線又齊頭并進(jìn)，施工方及
表3 6標(biāo)4個(gè)工作面臺(tái)階長(zhǎng)度及東向作用線錯(cuò)距

時(shí)調(diào)整左線進(jìn)度，2002年3月14日左線開挖滯后右線13．3m。施工后期調(diào)整四個(gè)工作面的進(jìn)度后左右線間距絕大部分大于15m，最大值59．15m，最小值12．9m，一般在20m左右變化。從地表沉降縱向曲線可以看出后期地表沉降(圖2中左右兩側(cè))較前期地表沉降(圖2棚分)小，這與后期調(diào)整施工工藝參數(shù)有直接關(guān)系，后期采用的長(zhǎng)短結(jié)合小導(dǎo)管注漿和小管棚預(yù)加固效果及合理的左右

由20、32的沉降歷時(shí)曲線圖3(圖中夙嫌分別表示左右線上下臺(tái)階掌子面通過時(shí)間)看到，在右線未開挖的條件下，隨著左線的向前掘進(jìn)，右線地表下沉明顯，沉積量從-7．8mm變化到-58．1 mm，因此，左右線開挖必須間隔一定的距離，嚴(yán)禁齊頭并進(jìn)；同時(shí)，隨著隧道左右線間距的減小，地表沉降增幅變大，而同步開挖時(shí)沉降最明顯。

圖3 20、32號(hào)點(diǎn)地表沉降歷時(shí)曲線
左線32測(cè)點(diǎn)的累計(jì)地表沉降值較同一里程的右線20測(cè)點(diǎn)大，特別是在左右線間距調(diào)整期間32測(cè)點(diǎn)的沉降值普遍較20測(cè)點(diǎn)大，即超前開挖隧道較滯后開挖隧道的地表沉降值大，這一點(diǎn)可以從實(shí)測(cè)資料得到驗(yàn)證。
2．4 臺(tái)階長(zhǎng)度
臺(tái)階長(zhǎng)度是淺埋暗挖施工工藝中一個(gè)重要因素，對(duì)于跨度、高度不大(6、7m)的隧道結(jié)構(gòu)，一般采用正臺(tái)階法開挖，由于沒有施作臨時(shí)仰拱，臺(tái)階長(zhǎng)度以控制在1D—1．5D(D為隧道開挖跨度)為宜。
根據(jù)6標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及對(duì)施工方資料的統(tǒng)計(jì)(見表3)可以發(fā)現(xiàn)，施工單位在施工前期(4月中旬前)對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度的把握不到位，臺(tái)階時(shí)小時(shí)大，最大值為14．5m，最小值為2．75m，而且變化比較頻繁，波動(dòng)幅度較大；施工后期臺(tái)階長(zhǎng)度最大值為13．5m，最小值為5m，但長(zhǎng)度控制得比較均勻，一般都在7-9m(1B～1．5B)。前期地表沉降明顯比后期大。
結(jié)合沉降資料分析，臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)沉降有較大的影響。臺(tái)階長(zhǎng)度過短則不能保證楊b土穩(wěn)定留設(shè)，對(duì)掌子面的穩(wěn)定性起不到很好的支撐作用，掌子面向已開挖隧道內(nèi)移動(dòng)變形，從而掌子面前方地層變位加劇，導(dǎo)致超前影響范圍增大，地表沉降變大，施工安全存在隱患，對(duì)地下水豐富或含砂、淤泥地層則易出現(xiàn)涌砂、涌泥等小面積坍塌現(xiàn)象，危險(xiǎn)更大；臺(tái)階長(zhǎng)度過長(zhǎng)也不合理，施工過程中搬運(yùn)鋼格柵、噴混凝土很不方便，而且上下臺(tái)階鋼格柵的封閉成環(huán)時(shí)間受臺(tái)階長(zhǎng)度影響，顯然臺(tái)階長(zhǎng)度越長(zhǎng)鋼格柵封閉成環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)，更嚴(yán)重的是上臺(tái)階鋼格柵拱腳處地層較弱，拱部容易下陷，特別是拱腳積水時(shí)位移更大，因而臺(tái)階過長(zhǎng)地層沉降加劇。
由施工后期開挖進(jìn)度知，封閉成環(huán)時(shí)間控制在6～8d，臺(tái)階長(zhǎng)度7-9m，當(dāng)施工中遇不良地層(如砂層、軟土層等)或出現(xiàn)其它特殊情況時(shí)，施工速度減慢，拱頂下沉及地表(道路)沉降明顯加大。
3小結(jié)
在深圳富水含砂特殊地層中采用暗挖法施工，工程的施工安全、工程質(zhì)量及施工進(jìn)度都與現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝密不可分，在對(duì)隧道所處地層條件準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和理解暗挖法的實(shí)質(zhì)基礎(chǔ)上，施工技術(shù)人員合理安排工序，因地制宜調(diào)整施工工藝參數(shù)，確保工程順利竣工。通過上文的分析，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：
(1)超前預(yù)支護(hù)在—般地層、過渡地層和富水含砂地層其支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)不同，小導(dǎo)管粗細(xì)，長(zhǎng)度及是否采用小管棚施工都與掌子面及前方土體性質(zhì)及對(duì)地層塑性變形的要求有關(guān)，做到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境控制的統(tǒng)一。
(2)根據(jù)超前預(yù)報(bào)、預(yù)支護(hù)效果及開挖掌子面情況適當(dāng)調(diào)整開挖進(jìn)尺，有效縮短無支護(hù)時(shí)間，既保證開挖進(jìn)度又能有效控制地層變形。
(3)正臺(tái)階法施工中左右線間距不宜過小，嚴(yán)禁齊頭并進(jìn)，左右線間距宜控制在3D(D為隧道開挖跨度)左右。 (4)正臺(tái)階法開挖中由于沒有施作臨日刊中拱，臺(tái)階長(zhǎng)度以控制在1D～1．5D(D為隧道開挖跨度)為宜。
(5）富水砂層的存在對(duì)開挖進(jìn)度和開挖步驟有不同要求，進(jìn)度由一般的1m/循環(huán)減為0．75或0．61m／循環(huán)，為防止隧道邊墻片幫，下臺(tái)階改為兩步開挖。

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