地鐵隧道影響地表沉降的關(guān)鍵要素及其對(duì)策.doc

地鐵隧道施工中影響地層沉降的關(guān)鍵要素及其對(duì)策中鐵二十局集團(tuán)有限公司 吳應(yīng)明 王學(xué)斌摘 要：本文對(duì)城市地鐵淺埋暗挖隧道施工，特別是采用新奧法施工時(shí)影響地層沉降的關(guān)鍵要素進(jìn)行了分析和探討，提出了控制地層變形和地表沉降應(yīng)采取的對(duì)策和措施；為城市地鐵在軟土地層中開挖隧道時(shí)，如何有效控制地表沉降提供了借鑒。關(guān)鍵詞：地鐵；淺埋暗挖；隧道；沉降控制城市地下空間的開發(fā)利用，為解決城市交通、停車、貿(mào)易、通訊、供水、供電等起到了十分積極的作用；但在地下工程的施工過程中，會(huì)帶來一系列的問題，如對(duì)正常的交通和人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憽⒃胍?、環(huán)保、水污染、地表下沉等；如何解決好這些問題，或者將影響降低到最低的限度，是每一個(gè)參與地下工程建設(shè)的設(shè)計(jì)及施工的工程技術(shù)人員和建設(shè)者的共同責(zé)任。在地下工程的開挖過程中，不管其結(jié)構(gòu)形式、幾何形狀如何，埋深多少，土體都會(huì)被擾動(dòng)，原有的平衡狀態(tài)被破壞，將進(jìn)行應(yīng)力重分配，地下土體和地表面或多或少的都會(huì)產(chǎn)生位移和變形。特別是城市地鐵隧道的埋深一般均較淺，在采用暗挖法施工時(shí)更容易產(chǎn)生地層、地表下沉及變形，嚴(yán)重的將危及地面建筑物、城市道路、地下管線等的安全；因此如何控制淺埋暗挖隧道施工過程中的地層、地表下沉和變形，即成為地鐵工程施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文著重就城市地鐵淺埋暗挖隧道施工中，特別是采用新奧法施工時(shí)影響地層沉降的關(guān)鍵要素以及應(yīng)采取的對(duì)策進(jìn)行分析和探討。1 地層沉降變形特性地鐵工程的淺埋暗挖隧道，其施工有盾構(gòu)法和新奧法兩種施工方法，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的原因，新奧法的應(yīng)用更為廣泛一些；而新奧法施工的淺埋隧道，特別是處于松散地層的淺埋隧道在施工過程中更容易發(fā)生地層沉降，并且其沉降量一般均較大。筆者先后參加了青島地鐵實(shí)驗(yàn)段、廣州地鐵、深圳地鐵一期工程等項(xiàng)目的施工，通過對(duì)部分松散地層淺埋暗挖隧道在施工中的地層沉降監(jiān)測(cè)資料的匯總分析，可知在上述條件下地層沉降變形具有如下特性。1.1 地表沉降值大于拱頂下沉值由拱頂至地表方向，地層的沉降量隨地層距隧道拱頂?shù)木嚯x的增大而變大，地表的沉降值最大，而拱頂?shù)南鲁亮肯鄬?duì)較小。如深圳地鐵一期工程，地鐵沿線隧道段的地表沉降量普遍較大，一般均在100mm,個(gè)別點(diǎn)累積最大沉降量達(dá)400mm;而洞內(nèi)拱頂沉降值相對(duì)較小，一般在100mm左右；洞內(nèi)其它周邊的收斂值普遍很小，累積不超過10mm。從以上的結(jié)論同時(shí)也說明，拱頂下沉量的變化對(duì)地表的沉降值的變化影響較大。1.2 開挖引起地表沉降的范圍最大 在隧道開挖的過程中，地表發(fā)生沉降的范圍達(dá)到最大。一般在開挖邊線以外4050m的范圍內(nèi)，均有不同程度的沉降和開裂；個(gè)別地層，如砂層地段的影響范圍還更大。1.3 開挖引起地層變形的時(shí)間較早 地層變形從隧道開挖至該截面線路前方的某一截面時(shí)即開始產(chǎn)生，按可比的下沉值比較，開挖對(duì)前方地層變形影響的范圍，其距離一般約在30m左右。1.4 沉降趨于穩(wěn)定的時(shí)間較長地層變形及地表沉降趨于穩(wěn)定的時(shí)間較長，在隧道初期支護(hù)閉合成環(huán)且完成后，拱頂和地層仍然繼續(xù)變形，一般要在40天左右變形及沉降才基本趨于穩(wěn)定；待隧道二次襯砌施作完成后，變形和沉降才能完全穩(wěn)定。2 影響地層沉降變形的要素引起地層沉降變形的原因較多，也很復(fù)雜；通過對(duì)青島地鐵實(shí)驗(yàn)段、廣州地鐵、深圳地鐵一期工程等項(xiàng)目的部分淺埋暗挖隧道在施工中地層沉降的原因分析，筆者認(rèn)為對(duì)淺埋暗挖隧道在施工中產(chǎn)生地層沉降影響較大的要素有以下幾個(gè)。2.1 地層土體特性力學(xué)研究表明，隧道開挖后上覆土層形成自然拱的最小土層厚度與土體本身的力學(xué)特性密切相關(guān)；隧道開挖后能否形成自然拱不僅對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)影響大，對(duì)地層和地表的變形沉降影響也很大；能形成自然拱的，對(duì)地表沉降量的影響就小一些，反之即大一些。同時(shí)土體的特性也會(huì)隨著一些條件的改變而改變，特性改變之后對(duì)地表沉降量的影響也隨之改變。如深圳地鐵隧道上覆土的成因是海沖擊層，空隙比較大，若保持最優(yōu)含水量時(shí)，為極硬土性質(zhì)，引起的沉降要小一些，而失水后易造成超固結(jié)，會(huì)引起較大沉降；地層內(nèi)部在隧道開挖擾動(dòng)后，引起開挖周邊土體松弛變形，出現(xiàn)潛在坍滑區(qū)，尤其在砂層地段，坍滑現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重。土的特性決定了地表影響范圍的大小，決定隧道拱頂下沉值對(duì)地表下沉值影響的大小，這種影響特別在砂層、礫砂層段表現(xiàn)更為突出。2.2 地下水地鐵隧道處于地下水位線以下的居多，隧道開挖排水后易造成地下水因壓力差的存在不斷滲出，形成多條滲水通道，使地層持續(xù)失水，土層空隙及節(jié)理裂隙固結(jié)收縮，引起地層、地表超前、超大范圍出現(xiàn)變形、沉降。從對(duì)廣州地鐵、深圳地鐵施工監(jiān)測(cè)情況看，地層的持續(xù)失水是造成地層變形、地表沉降最根本、最主要的原因之一。2.3 地層應(yīng)力釋放由地層的收斂約束特性可知，隨地層位移的增大，其上覆地層施加到隧道結(jié)構(gòu)上的荷載將減小。最佳支護(hù)概念就是在允許地層產(chǎn)生穩(wěn)定的位移條件下，使支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的力最小，但新奧法的觀點(diǎn)一般是針對(duì)具有穩(wěn)定的圍巖隧道而言，而對(duì)城市地鐵隧道，尤其是淺埋暗挖隧道，為保證地表的變形得到控制，原則上不允許地表出現(xiàn)超越規(guī)定值的下沉，只能采取地層預(yù)加固和及時(shí)支護(hù)、快速封閉成環(huán)等技術(shù)措施。對(duì)多孔介質(zhì)土且具潛在坍滑面的地層，隨地表下沉，地層應(yīng)力的釋放，坍滑面會(huì)漸次產(chǎn)生，伴隨著的就是地表的大范圍下沉，此循環(huán)會(huì)累積產(chǎn)生，從而導(dǎo)致隨地層應(yīng)力釋放，坍滑區(qū)增多或增大，沉降槽寬度及下沉量均較大。與此同時(shí)，由于垂直應(yīng)力釋放，即使拱頂下沉變形亦漸增加，但較之地表下沉要小?？刂频貙討?yīng)力釋放度可以減少下沉量及波及的范圍。 2.4 隧道相互作用的疊加國內(nèi)外實(shí)踐表明，對(duì)未襯砌隧道，當(dāng)兩隧道的中心線距為5D（D為隧道寬度）時(shí)，可不考慮相互作用，但中心線距小于等于3D時(shí)，則必須考慮其相互作用。很明顯，若兩平行隧道間距小，兩隧道同時(shí)開挖對(duì)地層的擾動(dòng)要大于單一隧道的開挖。其結(jié)果會(huì)造成地層的突然松弛，出現(xiàn)大的和持續(xù)不斷的變形。對(duì)地表沉降而言，兩隧道的相互作用會(huì)使地表沉降有疊加作用。2.5 施工方法對(duì)城市地鐵隧道常用的施工方法而言，臺(tái)階法是對(duì)地表下沉影響最為嚴(yán)重的一種施工方法（其較CRD法引起的地表沉降量增大一倍），但因其操作簡單，造價(jià)低，只要措施得當(dāng)，一般可滿足地表沉降的要求。因此國內(nèi)外對(duì)區(qū)間單線隧道，采用臺(tái)階法的較多。但臺(tái)階法也多種多樣，需根據(jù)不同的斷面形式及地層條件謹(jǐn)慎選取。應(yīng)用臺(tái)階法的關(guān)鍵是要保證開挖工作面的穩(wěn)定性。一般而言，它取決于兩個(gè)條件：一個(gè)是臺(tái)階長度，另一個(gè)是臺(tái)階形狀。對(duì)軟弱地層尤其是滲水較大的地層，臺(tái)階長度不可過短。此外，尚需采用環(huán)形開挖留核心土，并施加輔助工法等措施。國內(nèi)外對(duì)臺(tái)階法的理論研究與工程實(shí)踐表明，對(duì)軟弱地層，臺(tái)階長度不宜小于5-6m，如若涌水嚴(yán)重，山嶺隧道普遍采用的2m-4m超短臺(tái)階應(yīng)杜絕應(yīng)用。一般而言，臺(tái)階長度愈長，工作面前方土體對(duì)工作面的擠壓流動(dòng)會(huì)愈小，工作面愈穩(wěn)定。另一方面，在軟弱地層采用臺(tái)階法時(shí)，應(yīng)充分領(lǐng)悟“淺埋暗挖”的精神實(shí)質(zhì)即早封閉理念，一般多在上臺(tái)階底部增設(shè)臨時(shí)仰拱，使上下臺(tái)階及早各自閉合成環(huán)。2.6 開挖進(jìn)尺開挖進(jìn)尺的大小實(shí)質(zhì)上是工作面無支護(hù)空間的大小，其值不僅決定著地表下沉及拱頂沉降，而且也影響開挖面的穩(wěn)定性，二者相互作用并以工作面的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。對(duì)軟土隧道，工作面難以自穩(wěn)，因而必須支撐。研究和施工實(shí)踐表明，開挖時(shí)工作面需支撐的壓力并不大，僅10Mpa就足以使工作面短期內(nèi)自穩(wěn)，使開挖順利進(jìn)行；另外這個(gè)穩(wěn)定開挖工作面的支撐力與上覆土層的厚度以及土體的密度幾乎沒什么關(guān)系，與隧道的直徑呈線性關(guān)系。法國的研究表明，如果工作面無支護(hù)距離小于0.2D，對(duì)穩(wěn)定工作面開挖的支撐力無特別要求，但若超過此值，則無支護(hù)空間要求的穩(wěn)定工作面開挖的支撐力就要變大，否則工作面就會(huì)失穩(wěn)。對(duì)軟弱地層、淺埋暗挖法施工的地鐵隧道，開挖進(jìn)尺的控制十分重要，應(yīng)分析研究，有目的的控制。 2.7 施工速度 沉降具有時(shí)間效應(yīng)，時(shí)間越長，地表發(fā)生沉降的總量也越大；時(shí)間越短，地表發(fā)生沉降的總量也越小。施工速度越快，表明隧道開挖面暴露的時(shí)間就會(huì)越短，產(chǎn)生沉降的時(shí)間也短，因而產(chǎn)生的沉降量也就會(huì)越??；工速度越慢，表明隧道開挖面暴露的時(shí)間就會(huì)越長，產(chǎn)生沉降的時(shí)間也長，因而產(chǎn)生的沉降量也就會(huì)越大。2.8 襯砌 復(fù)合式襯砌在設(shè)計(jì)上考慮荷載分配時(shí)，由初期支護(hù)完全承受圍巖的荷載，二次襯砌不承受荷載。初期支護(hù)的剛度對(duì)地層的變形有較大的影響，剛度大，則抵抗變形的能力強(qiáng)；但同時(shí)初期支護(hù)必須保證一定的柔性，允許有一定的變形量。初期支護(hù)的中期剛度和相應(yīng)的支護(hù)施作時(shí)間與地層的變形的關(guān)系十分密切，可通過對(duì)地層變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。二次襯砌雖不承受荷載，但根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)監(jiān)測(cè)資料均表明，初期支護(hù)后地表達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長，在二襯完成后，隧道地層、地表即趨于完全穩(wěn)定，因此二次襯砌應(yīng)該及時(shí)施作。3 控制地表變形沉降的主要對(duì)策地表下沉是多因素的綜合作用，但在地層條件一定的情況下，合理的設(shè)計(jì)與巧妙的施工乃是控制地表下沉的最為關(guān)鍵的手段。征對(duì)上述原因分析，提出以下控制對(duì)策。 3.1 嚴(yán)格遵循“十八字”原則我國在施工實(shí)踐中總結(jié)了一套淺埋暗挖法的工藝技術(shù)要求，“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”。這18個(gè)字充分體現(xiàn)了淺埋暗挖隧道施工的精髓，是攻克淺埋暗挖隧道施工難題的法寶，我們必須認(rèn)真領(lǐng)會(huì)、嚴(yán)格遵循；并結(jié)合不同地質(zhì)隧道的實(shí)際情況靈活的應(yīng)用。利用小導(dǎo)管超前注漿，對(duì)圍巖進(jìn)行超前預(yù)注漿加固，使圍巖、小鋼管形成一個(gè)整體，超前形成一個(gè)能承受一定圍巖壓力的超前管棚。注重注漿的效果，必要時(shí)可采用小導(dǎo)管注漿和深孔注漿聯(lián)合進(jìn)行；對(duì)于注漿量、時(shí)間（時(shí)機(jī)）、順序、材料及配合比等都要結(jié)合實(shí)際情況嚴(yán)格控制。要控制循環(huán)進(jìn)尺，少擾動(dòng)地層，保證開挖的范圍盡可能小，必要時(shí)留核心土。初期支護(hù)要及時(shí)，要保證足夠的剛度與強(qiáng)度，并且與圍巖變形的速度相適應(yīng)，掌握好支護(hù)施作時(shí)間、施作程度的“火候”。初期支護(hù)盡可能盡快的封閉成環(huán)，不僅是全斷面及早封閉，還在于分部開挖中，沒一個(gè)分開挖面也要盡快封閉。地層變形位移量測(cè)的密度盡可能大，以便及時(shí)掌握變形情況，采取措施控制變形量。3.2 改善土體特性通過對(duì)隧道開挖周邊外土體進(jìn)行局部改善，一方面可以促進(jìn)隧道開挖后自然拱的形成，另一方面可以改進(jìn)土體的特性，促使往好的方面轉(zhuǎn)化。深層注漿和超前注漿既可以加固土體，也可以改善土體的性質(zhì)；可以根據(jù)土體的性質(zhì)壓注純水泥漿或雙液漿，必要時(shí)也可以壓注化學(xué)漿液；同時(shí)也可以采取其它的改善特性的措施。3.3 適度排放地下水 地下水的排放無疑會(huì)使上覆地層尤其是隧道工作面附近地層的強(qiáng)度增加，剛度變大，但對(duì)于砂層、礫砂等特殊地層，過度抽排地下水，會(huì)使上覆多孔介質(zhì)土層超固結(jié)，從而引起地表大范圍沉降。因此，在能保證工作面穩(wěn)定正常開挖的條件下，應(yīng)盡量減少或限制地下水的抽排。可根據(jù)情況采取止水帷幕或旋噴樁等阻斷地下滲水通道，地表或洞內(nèi)注漿措施封堵部分地下水；采取地表或洞內(nèi)降排水時(shí)，盡量縮短抽排時(shí)間，在掌子面開挖過后及時(shí)采取開挖周邊和掌子面注漿、噴砼等措施穩(wěn)定工作面，然后及時(shí)停止排水；根據(jù)具體地層條件，及時(shí)調(diào)整小導(dǎo)管、格柵支護(hù)參數(shù)以及注漿參數(shù)，確保注漿效果。 3.4 根據(jù)地層條件選擇施工方法為有效控制地表沉降，對(duì)臺(tái)階法應(yīng)預(yù)留成型的核心土，臺(tái)階長度應(yīng)根據(jù)地層條件確定，地層愈軟，臺(tái)階長度愈長，但具體長度要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析研究確定；為使開挖各分部早閉合，上臺(tái)階一般應(yīng)增設(shè)臨時(shí)仰拱，在特殊地段處，上臺(tái)階拱腳處應(yīng)架設(shè)鋼支撐噴砼作為托梁，實(shí)踐表明，采用該方法施工，拱頂及地表下沉明顯減緩。3.5 拉開左右線隧道的開挖距離 當(dāng)兩隧道的中心線距等于或小于3D時(shí)，兩隧道的開挖會(huì)有疊加影響；在線間距一定的情況下，增大兩隧道開挖面的相對(duì)距離可以減少其相互作用的疊加；軟弱圍巖其沉降影響范圍大，建議兩開挖工作面的距離控制在30m以上。3.6 合理確定開挖進(jìn)尺 為控制地表下沉量及拱頂下沉量，工作面的穩(wěn)定十分重要，對(duì)城市地鐵尤其是軟弱地層隧道，開挖進(jìn)尺應(yīng)盡量減小，必須地層特性確定合理的開挖進(jìn)尺；根據(jù)國內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議每循環(huán)進(jìn)尺取斷面開挖寬度的0.1倍較為適宜。3.7 提高施工效率施工效率的提高，意味著各工序施工時(shí)間的縮短，地層應(yīng)力的釋放就能得到有效控制，地層內(nèi)部的變位調(diào)整也將減小。 3.8 加強(qiáng)初期支護(hù) 初期支護(hù)施作后，其本身有一個(gè)徐變過程。對(duì)超前支護(hù)，一般采取增大小導(dǎo)管直徑、減小布置間距、擴(kuò)大注漿范圍和嚴(yán)格注漿等措施加強(qiáng)。對(duì)鋼格柵，可適當(dāng)縮小格柵間距，在間距一定時(shí)，宜增大主筋直徑，從而增大支護(hù)初期剛度，以控制沉降。 3.9 及時(shí)施作二次襯砌 空隙水的調(diào)整所產(chǎn)生的附加應(yīng)力是一個(gè)漫長的遞增過程。對(duì)軟弱富水地層，隨著滲排水，地表大范圍沉降，初期支護(hù)的剛度與地層剛度的相互作用會(huì)愈來愈強(qiáng)，因此，對(duì)軟土隧道，為了確保地層較快地恢復(fù)穩(wěn)定，二次襯砌應(yīng)及時(shí)施作。從地鐵隧道的施工實(shí)踐表明，二襯施作后，地層變位趨于穩(wěn)定。4 結(jié)語 地表下沉是多因素的綜合作用，在地層特性一定的條件下，盡量采取措施，做到設(shè)計(jì)、施工與地層的耦合至關(guān)重要。而在軟弱圍巖下進(jìn)行地鐵暗挖隧道的施工，水是施工的大敵，如何有效的控制地下水，處理好降排水、施工與地表沉降三者的關(guān)系非常關(guān)鍵，這方面尚需作更深入