復合地層條件下城市軌道交通暗挖工程問題分析與對策

1、復合地層條件下城市軌道交通暗挖工程問題分析與對策趙文強（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）摘 要 為解決上軟下硬復合地層條件下暗挖工程施工遇到的諸多問題，以青島地鐵工程實例為載體，結合設計方案及現(xiàn)場施工情況，對工程遇到的坍塌及沉降問題進行了系統(tǒng)介紹和具體分析，指出了設計、施工中尚應優(yōu)化、完善的地方，提出了主要以支護時效、地下水及爆破控制等方面的管控對策，并在具體工程實施中驗證其有效、合理、可行。吸取教訓，總結經(jīng)驗，為工程類比提供參考。關鍵詞 復合地層；暗挖工程；工程風險；管控對策Analysis and Countermeasures of Common Problems o

2、n Compound Formation ConditionsZhao Wenqiang（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group CO.,LTD.）Abstract In order to solve the problems of subsurface excavation method in the Compound formation conditions. This paper take the Qingdao subway engineering as an example to systematic introdu

3、ce and Specific analyze the common problems about the collapse and settlement problems of the surrounding rocks, referring to the design project and construction situation, and then point out the deficiencies about the design and construction and the countermeasures mainly about supporting aging, un

4、derground water and blasting control, which was verified in the practical engineering. Suming up experience and lessons and providing a reference for similar engineering.Keywords compound formation conditions; underground excavation; engineering risk; control measures 趙文強（1980-），男，河南濮陽人，本科，2004年畢業(yè)于石

5、家莊鐵道學院土木工程專業(yè)，主要從事地下工程方面的設計與研究。E-mail：wqzhao_2201 引言隨著城市化進程的加快，交通問題日益嚴重，城市軌道交通得以迅速發(fā)展。截止目前，國家發(fā)改委已批準了36個城市的線網(wǎng)規(guī)劃和建設規(guī)劃，并且批復了其中28個城市部分項目的可行性研究報告。截止2012年末，全國約有1740km地鐵線路投入運營，位居全球第一1。根據(jù)目前的建設形勢，地鐵發(fā)展速度將比以前更快，建設難度將更大，單位造價將更高。軌道交通建設作為一個城市的重點基礎建設項目，關系國計民生。軌道交通工程通常設置在城市中心繁華地帶，周邊建（構）筑物多，城市管網(wǎng)密布，環(huán)境復雜，施工控制要求高。張昊就北京地鐵

6、暗挖工程中常見的超前小導管傾角，加工制作及臺階高度，背后注漿等問題做了分析說明2。謝明對深圳地鐵某暗挖區(qū)間地表沉降進行了分析并提出了對策3，姚宣德等人就淺埋暗挖沉降控制標準進行了統(tǒng)計分析,并提出了暗挖工程沉降控制建議值4。涉及上軟下硬復合地質條件下暗挖工程的研究與文獻相對較少，本文以青島地鐵實例為依托，就復合地質條件下暗挖工程遇到的問題做典型介紹，主要通過對工程坍塌風險事件及沉降超限實例進行分析，借以吸取教訓，總結經(jīng)驗。2 暗挖工程坍塌2.1 工程概況青島地鐵某礦山法區(qū)間為左右線分修的單洞單線隧道，左右線間距13m，開挖跨度6.2m，左右線從中間豎井由小里程向大里程方向施工。該隧道拱頂埋深約1

7、4m，根據(jù)地勘報告自上而下為2.5m厚填土層，5.1m厚粉質粘土層，4m厚粗砂層、2.9m厚中風化花崗巖，綜合評定為五級圍巖，如圖1所示。隧道上方周圍分別有DN600污水管1根（埋深約3.5m）、電信360×250、TV300×300、DN1200給水管1根（埋深約2m）、DN300污水管1根、DN600給水管2根、DN400煤氣1根。其中距隧道最近的為DN600污水管，距離隧道拱頂約10m。本段區(qū)間按五級圍巖設計支護參數(shù)，噴射混凝土250mm厚，超前小導管環(huán)向間距0.4m，L=3m,縱向間距1.5m，格柵鋼架每0.75m設置一榀，邊墻設置砂漿錨桿，L=3m,縱橫向1m間距

8、布置。圖1 隧道地質剖面圖2.2 風險事件掌子面施工至左線ZK21+598處時，某日晚22：30左右發(fā)現(xiàn)拱部出現(xiàn)局部洞內(nèi)小坍塌，掉塊并且伴隨大量滲水，施工方立即采取封堵措施。次日凌晨1點掌子面拱部由于滲水太大，無法封堵，且水量越來越大，坍塌越來越嚴重，決定撤出施工人員，同時封閉路面交通，防止次生災害。凌晨5：40地面塌陷，形成約15m2坑洞，并造成污水管斷裂，現(xiàn)場狀況如圖2、圖3所示。圖2 坍塌隧道內(nèi)照（一）圖3 坍塌隧道內(nèi)照（二）2.3 過程處治(1)砂袋封堵坍體，防止塌方加?。?2)對臨近塌方段已施工初支加強臨時支護，避免因拱頂水土壓力增大而繼續(xù)坍塌，連鎖反應加大損失；(3)打設抗滑錨管，

9、穩(wěn)定坍體；(4)地表注漿（結合洞內(nèi)補充注漿）加固隧道內(nèi)及拱頂坍塌下來的淤泥，取芯檢驗注漿效果；(5)清理坍渣，打設密排長導管超前支護，架設型鋼鋼架初期支護，加密沉降、管線、水位、收斂監(jiān)測點，開挖坍塌段，繼續(xù)向前施工。2.4 原因分析事故發(fā)生當天下午勘察、設計單位還進行了現(xiàn)場踏勘，施工方未反映地質、地下水等問題，本段若無地質突變和不規(guī)范施工，按上述五級圍巖支護參數(shù)事施工，不應有坍方事故的發(fā)生。究其原因，初步分析有以下幾點：(1)由地勘資料揭示，該處拱頂中風化花崗巖層厚度約2.5m，但塌方地段處于兩個地勘鉆孔（間距48m）的中間位置，有一定的不確定性。后期的補勘更證明了這一點，拱頂巖層厚度約1.2

10、m，圍巖破碎，裂隙發(fā)育。(2)該區(qū)域地勢低洼，前期的強降雨曾淹沒該處地面，致使地下水位升高，砂層飽和，巖土體抗剪強度大大降低。(3)隧道拱頂有DN600污水管一根，凈距10余米。污水管本身有可能漏水，通過強透水砂層源源不斷地供給，通過破碎巖體進入隧道，爆破施工更加劇了這方面的影響，風化巖遇水，大大降低圍巖自穩(wěn)時間。(4)爆破振動使上覆巖層（1.2m）更松散，細砂（土）粒在滲流作用下進入隧道，地面沉降加劇，污水管破裂，砂粒又隨污水、上層滯水進入隧道，形成漏斗狀基坑。 (5)據(jù)了解，本工程爆破施工后數(shù)小時未進行初期支護施工，支護嚴重滯后，圍巖過度松弛，大大降低其承載力。3 暗挖工程沉降超限3.1

11、工程概況青島地鐵某站位于十字路口下方，為單拱大跨暗挖車站，開挖跨度20.6m，結構高度18m，雙側壁導坑施工工法。施工采用風井作為施工豎井，局部加高風道斷面，由風道側壁開馬頭門進主體結構正洞開挖。風道加高斷面開挖跨度13.3m，拱頂埋深約5.4m，風道上方有DN600，DN800給水管各一條。頂拱上部覆土為雜填土和粉質粘土，拱部大部分處于強風化花崗巖中亞帶和下亞帶，隧道洞身及仰拱圍巖多為中、微風化花崗巖。隧道拱頂圍巖分級為級，風道及加高段采用“CRD”工法施工。青島地鐵一期工程工程（3號線）還有四個單拱大跨暗挖車站，拱蓋法或雙側壁導坑法施工，拱頂上覆巖（土）715m,均為上軟下硬的復合地層，本

12、文旨在分析工程實例，故不再一一贅述。3.2 沉降問題風道上導洞開挖完成后，側壁開馬頭門施工車站主體結構左上、右上側導洞（左右導洞縱向錯開），在工序轉換上方發(fā)生了較大沉降，約80mm，沉降危及管線安全，進而對土建工程安全構成威脅。3.3 主要影響因素分析暗挖隧道開挖引起地層應力釋放，造成周邊圍巖松弛、變形及位移，淺埋地段影響到地表，造成地面下沉。地面變形主要與結構埋深、上覆圍巖、地下水、結構斷面形狀及支護方案等因素有關。就上軟下硬復合地層而言，我們就上述工程實例做如下分析：(1)大斷面結構：風道加高斷面開挖跨度13m，拱頂埋深5.4m，為超淺埋暗挖隧道，CRD工法開挖風道斷面，上臺階完成后破壁開

13、馬頭門施工車站主體結構，隧道多步爆破開挖擾動圍巖，地層應力多次重分布，造成地表沉降。(2)地質條件差：風道拱頂上覆雜填土，粉質粘土，強風化花崗巖，地層較差，隧道開挖引起大量地下水流失，土中空隙水排出，土體產(chǎn)生壓縮，造成固結沉降。(3)初期支護滯后：有的施工現(xiàn)場爆破后即出渣，初噴工藝缺失，從爆破到初期支護間隔數(shù)小時，對地表沉降的延續(xù)無快速應對措施。(4)爆破施工：就上軟下硬復合地層而言，爆破施工引起超挖，超挖回填的時效性影響地表沉降，另外，大跨車站開挖導洞時要求臨時中隔壁與圍巖密貼，后期爆破時對中隔壁及背后圍巖振動影響大，加劇地表沉降。(5)初支背后回填注漿滯后：部分施工現(xiàn)場掌子面后50m尚未進

14、行初支背后回填注漿，背后孔洞促進圍巖松弛。(6)就淺埋暗挖而言，初期支護承受上部巖土柱壓力的全部荷載，地下水情況、支護剛度及時機均影響地表沉降。3.4 沉降控制措施綜上所述，暗挖工程施工過程中將不可避免產(chǎn)生沉降，但是對可控制的部分，須采取設計、施工措施控制沉降在限制范圍內(nèi)。結合目前地鐵設計、施工現(xiàn)狀，筆者認為沉降控制措施主要有以下幾點：(1)對大跨度暗挖工程而言，在上部圍巖破碎，裂隙發(fā)育，地下水豐富情況下，在隧道開挖完成后二襯施工之前進行徑向圍巖固結注漿：充填噴射混凝土與圍巖之間空隙，加固松散破碎巖體，形成承載拱，同時起堵水作用，減少施工失水。此注漿工藝在青島地鐵某工點進行了試驗，效果明顯，較

15、好地控制了地表沉降。(2)控制開挖進尺，優(yōu)化施工順序。隧道爆破開挖每循環(huán)進尺宜控制為一榀格柵鋼架間距，開挖完成后即刻進行初噴作業(yè)，扒渣后及時架立鋼架，因噴射混凝土強度需要一段時間，鋼架架立時利用墊塊使之與圍巖局部接觸，確保受力，而后復噴混凝土完成初期支護，后期實施出渣作業(yè)，做到早支護，早受力。(3)加強光面爆破和預裂爆破，優(yōu)化設計參數(shù)，控制鉆孔精度和裝藥量，保證起爆順序，控制對圍巖固有支護能力的損傷和超欠挖。(4)初支背后注漿緊跟掌子面，一般距離掌子面35m，隨開挖隨注漿。注漿時清理預埋注漿管中噴射混凝土，防止阻塞，保證注漿效果。(5)合理的施工組織設計。對大跨車站而言，加強工序轉換節(jié)點處初期

16、支護的支護，在風道破壁進正線施工前完成風道的二襯施工，對區(qū)間而言，地層較差時采用初支早閉合的短臺階法施工，同時控制左右線掌子面間距，一般不低于2D（開挖跨度）。(6)超前地質預報與信息化設計動態(tài)施工，本為地下工程必要的輔助手段，是常規(guī)的作業(yè)要求，本文不再贅述。青島地鐵一期工程（3號線）暗挖車站及區(qū)間主體結構開挖已基本完成，采取上述主要措施后地層沉降及變形基本得到控制，施工措施合理可行。4 暗挖工程問題處理原則與對策暗挖工程修建過程中最主要的問題仍然是沉降變形及變形發(fā)展未得及時控制產(chǎn)生的管線破裂，建筑物受損甚至塌方等問題，輕則影響市民生活與出行，重則危及人民群主生命財產(chǎn)安全。就上軟下硬復合地層而

17、言，解決上述問題重點考慮以下幾點：(1)深刻理解 “管超前，嚴注漿，短進尺，強支護，早封閉，勤量測”淺埋暗挖十八字方針的精髓，并在實際工程中做到具體落實。就復合地層而言，還需重點把握“弱爆破，早支護”的施工組織原則，減小對圍巖擾動，控制超欠挖，支護提前受力，約束圍巖抑制松弛。做到以上幾點，地下工程風險是基本可控的。(2)水是生命之源，而對于地下工程而言，乃萬惡之首。縱觀近年的軌道交通工程多起事故：北京地鐵十號線某區(qū)間工程塌方、地鐵七號線某風道工程塌方、地鐵六號線某站主體涌水突泥，十號線二期某站風道基坑涌水，青島地鐵某區(qū)間的掌子面坍塌以及本文上述的工程事故，均與地下管線滲漏水有著直接或間接的關系

18、。工程設計、施工前務必調(diào)查清楚工程周邊管線情況，施工現(xiàn)場展板標示平、剖面關系，說明管線材質、接頭、使用年限，調(diào)查清楚滲漏情況。施工期間建立日報制度時刻警示，同時每日交底一線工人掌子面與有水管線的具體位置關系。另外，展板在緊急情況下能及時提供分析素材，為搶險準備贏得寶貴時間。另外，對臨近泄洪區(qū)、雨水暗渠、暗河、排污隧道的地下工程，應充分認識施工的風險，采取隔水措施避免水進入基坑，同時盡量避開雨季施工，回避風險。(3)注漿是地下工程的靈魂，改良地層，加固圍巖，改善地下水對工程的侵害。注漿方式、方法是否合理有效客觀上決定著整個工程的成敗。對復合地層中上部砂層、強風化巖，破碎帶而言，選擇合理的注漿方式

19、、方法，合適的注漿材料，適當?shù)淖{工藝是工程成功的關鍵。對上覆富水砂層的復合地層，半斷面帷幕注漿或周邊半封閉預注漿均不失為較好選擇。當然，注漿經(jīng)驗是在多工程實踐、多工程類比，多次的試驗、摸索中總結出來的，注漿方案是綜合地質水文特點，隧道施工方法及周邊環(huán)境要求等多方面選擇確定的。鑒于注漿工程的重要性、專業(yè)性及經(jīng)驗性，建議使用專業(yè)注漿公司實施作業(yè)，確保質量。(4)改進大斷面結構中臨時中隔壁與圍巖密貼增大整體剛度的理念。在軟弱地層中此觀念合理可行，但對需爆破開挖的工程來說，圍巖與型鋼臨時中隔壁密貼，爆破振動對臨時中隔壁影響很大，瞬間產(chǎn)生拉力下拉節(jié)點處格柵鋼架，造成安全隱患。比較可行的辦法，導坑開挖時

20、超挖0.5m左右?guī)r體，通過型鋼背后（圍巖側）放置石棉瓦作為“模板”噴射混凝土，背后預留臨空面，同時優(yōu)化爆破方案，減小爆破對中隔壁的影響，此方法已在青島地鐵某些工地使用，效果較好。(5)強化施工現(xiàn)場的監(jiān)管，重點控制關鍵工序，切實做到“四密實”5，即混凝土密實、噴射混凝土密實、初期支護與圍巖密實、二次襯砌與初期支護密實。重視噴射混凝土初噴，填平圍巖凹面，覆蓋弱層，防止應力集中，同時具有防止圍巖風化，止水和微顆粒流出等效果。重視初支背后、二襯背后的回填注漿，隧道襯砌背后和圍巖之間存在空洞時都會促進圍巖松弛，使襯砌產(chǎn)生彎曲應力，損失襯砌功能，降低其承載力，加大地表沉降，并且也對工程防水造成了隱患，運營

21、期間的列車振動更加劇了這一影響。(6)改進超前小導管支護設計。常規(guī)超前小導管長度3m或3.5m，每兩或三榀格柵鋼架布置一環(huán)，超前小導管鉆孔施工時切割巖體，由于小導管較長且有一定外傾角，形成小導管下部的較大超挖。對掌子面穩(wěn)定性較差的地段，采取每榀格柵鋼架打設一環(huán)超前小導管，相應縮短小導管長度至1.82m，短小導管在狹窄空間更易鉆孔，安裝，更易控制外傾角，能大幅降低超挖，降低圍巖松弛和工程防水隱患，復雜地質條件下具有推廣價值。(7)清楚認識隧道計算中的參考意義。隧道計算一般采用有限元軟件建立地層-結構模型進行模擬計算，計算結果取決于地層參數(shù)的選取，而地層參數(shù)存在很大不確定性。必須說明，隧道模擬計算

22、結果重點在于說明各施工工況中的沉降或變形趨勢和各工況在總變形量中所占的大約比例，并根據(jù)此結果提示施工中應重點控制的工況，分步控制變形和位移。(8)商榷現(xiàn)行沉降限值要求的必要性、合理性。國內(nèi)地鐵暗挖工程對地表沉降限值一般要求30mm以內(nèi)，多家單位或個人就國內(nèi)車站、區(qū)間暗挖工程的沉降值進行了統(tǒng)計分析，一般認為車站、區(qū)間的地表控制限值分別為60mm、30mm比較合理，此問題不再贅述。5 結語(1)對隧道坍方等工程事故的搶險而言，應遵循安全，快速，不產(chǎn)生次災害的原則；遵循“治坍先治水，治坍先加強”原則，對控制沉降而言，科學設計，規(guī)范施工是重中之重。(2)水威脅地下工程的安全，封堵外來水源，避免其對地下工程的侵害，是地下工程最重要的一環(huán)。對地下水而言，堵、排處理與地表沉降關系