地鐵隧道埋暗挖法施工工藝對地層變形的影響

【摘 要】 以正在建設中的深圳地鐵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構雙線隧道臺階法韻施工工藝，洞悉淺埋暗挖正臺階法施工中超前預加固、開挖時空順序、臺階長度等工藝對地層變形的影響程度，并輔以現場調研和量測數據優化各工藝的合理參數，以確定不同施工工藝對地層大變形的影響程度。分析結果對同類工程有一定的借鑒和指導作用。
【關鍵詞】地層變形；淺埋暗挖法；影響因素；臺階長度；錯距

1 淺埋暗挖法的應用
1987年北京地鐵首次采用暗挖法建成了復興門車站折返線工程，由于其靈活多變、適用復雜多變的地層及隧道斷面結構、設備簡單、不干擾交通及周邊環境等眾多優點，“隧道及地鐵淺埋暗挖工法”在全國廣泛推廣應用。目前已成功應用于北京、廣州、南京和深圳等已建成或在建地鐵工程，同時也廣泛適用過街道、污水處理管道及鐵路、公路淺埋隧道工程。實踐表明，與明挖法、盾構法相比，淺埋暗挖法有明顯的優點，基于該工法的可適用性，劉施工工藝即預注漿加固、開挖時空順序、臺階長度等方面提出了更高的要求。
本文針對淺埋暗挖工法在深圳特殊地層單洞雙線隧道中的成功運用，分析超前勵D固、開挖時空順序、臺階長度等工藝在保證施工安全、質量和控制地層沉降中發揮的作用，確定同類地層中的工藝參數，完善淺埋暗挖的理論體系，更好地應用工程實踐。
2 暗挖施工引起地層變形的影響因素分析
淺埋暗挖法最初應用北京地鐵是在第四紀地層、無水、地表無建筑物的條件下，采用了管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測、速反饋的施工原則成功應用的。在超前小導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，目前運用的廣州、深圳地鐵都是非第四紀地層，且富含地下水，伴有砂層，地表密集民房、埋深最小達0．8m、暗挖車站跨度達26m等復雜條件，因此，對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周邊環境的環保和安全要求。
選取深圳地鐵I期工程6標段為例剖析不同施工工藝對地表沉降的影響程度，確定合理的工藝參數。
2．1 工程概況
6標為雙線單洞隧道，馬蹄形斷面(6．2mx6．7m)，正臺階法開挖，區間隧道范圍內上覆第四系全新統人工堆積層，海積沖積層及第四系中統殘積層，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，開挖面土質強度較低，上覆砂層地段條件極差。
2．2超前預加固輔助工法
從最初的超前小導管注漿預加固到現在應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境要求為標準。從6標的工程實踐來看，針對不同的地層條件，特別是在地下水豐富地區施工地鐵隧道(大部分標段不能采取前期降水處理)，在不同的地質條件下，超前預加固方法和參數的選擇相當重要。
6標一般地層條件下，隧道上覆粘土或粉質粘土，且土層較厚，故水量較小，因此采用超前小導管注漿預加固(參數見表1)；一般地層到富水砂層地段之間的過渡段水量逐漸變大，采用長短結合的小導管注漿預加固，達到雙層的加固效果，短導管外插角比長導管大，管徑和間距增大；在富水砂層地段采用長短結合的小導管注漿預加固或小管棚加固，后者對改善開挖面條件和控制地層變形效果顯著。同
表1 6標不同地層超前預加固方式及參數

時，注漿壓力及注漿量的控制對預加固效果有影響，地層較好的情況下可以不注漿。
管棚與小導管分布如圖1所示。管棚拱部180度范圍布置，環向間距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，漿液擴散半徑0．6-0．8m。管棚施作后地層條件明顯改善，但其造價高施工進度慢，能用小導管預支護盡量不用管棚。

圖1 富水砂層地段管棚設計示意
從施工情況看，超前預加固和地質超前預報息息相關，且其加固效果的好壞對開挖進度有很大影響，作為掌子面前方的小范圍加固其對地層變形的影響相對較小，即砂層地段的地表沉降量是一般地段的2倍左右。此外，超前預加固的好壞對掌子面的開挖狀態影響很大，即開挖進尺及開挖過程中的穩定性都隨預加固的好壞改變，而開挖進度則直接影響地層的塑性變形，因此，超前預加固對地層變形的影響是雙重的，必須做好地層的預加固處理。
2．3開挖時空順序
地鐵隧道開挖在土中進行，開挖擾動使原始地層應力重分布，而土的自穩能力較差，暗挖法開挖不象盾構法施工有足夠的抗力支撐擾動地層，只能以超前預加固和“短開挖、早支護”保證地層的穩定。因此掌握開挖和支護的時空效應對穩定地層，保證施工安全，控制地層變形都有很大幫助，對于掌子面而言要把握開挖進尺、分步開挖順序；對雙線隧道則要確定左右線的間距。
2．3．1施工進度的基本情況分析
施工進度的快慢與開挖進尺及每一個開挖循環所用的時間有關，因此，考慮在預加固前提下土體的自穩時間及地層的塑性變形發展確定工序。現場每個工序循環耗時如表2，每個班做1．5個循環，開挖進尺為1mm／循環，無支護時間為4小時；而當地層條件較差時，開挖進尺減小為0．75或0．6m／循環，超前預支護長短結合需要更多時間，而開挖土方減少開挖時間減少，即預支護強度提高和無支護時間減少，地層變形減小。
表2開挖每循環所用時間

隧道通過含水砂層地段時，施工進度慢則掌子面裸露時間長，而上臺階沒有施作臨時橫撐或臨時仰拱，且上臺階拱腳容易積水，土的強度又低，雖然用鋼板或木板支撐，拱部結構仍產生整體下沉，隧道結構不及時封閉成環，對沉降的發展不易控制。因此施工過程中工程技術人員應當及時做好超前的地質預報，隨時改變頂支護參數，保證安全、快速施工。六標一般情況上、下臺階2～3m／d(下臺階機械施工，相對進尺快，有時隔天開挖)砂層地段開挖進尺小，開挖困難進度慢，甚至不時停工，其沉降大。
當然在地層條件極差位置，土體易失穩，6標邊墻曾出現噴混凝土前大面積土體滑落(片幫)，相當危險，現場采用三臺階開挖，縮短每步開挖的時間，保證了施工的順利進行。這也是對地層變形的有效控制。
2．3．2左右線錯距分析
6標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，左右線的開挖對相鄰隧道有很大的影響，超前掘進的隧道對另一線隧道
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隧道的后方沉降值。超前開挖隧道對地表沉降的影響范圍要大于滯后開挖的隧道，相應地其地層沉降收斂穩定所需時間亦較長。
從2001年12月29日到2002年3月14日，區間隧道科學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
后左線減緩施工進度，左右線間距又變小，到2002年3月4日左右線又齊頭并進，施工方及
表3 6標4個工作面臺階長度及東向作用線錯距

時調整左線進度，2002年3月14日左線開挖滯后右線13．3m。施工后期調整四個工作面的進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)較前期地表沉降(圖2棚分)小，這與后期調整施工工藝參數有直接關系，后期采用的長短結合小導管注漿和小管棚預加固效果及合理的左右

由20、32的沉降歷時曲線圖3(圖中夙嫌分別表示左右線上下臺階掌子面通過時間)看到，在右線未開挖的條件下，隨著左線的向前掘進，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，嚴禁齊頭并進；同時，隨著隧道左右線間距的減小，地表沉降增幅變大，而同步開挖時沉降最明顯。

圖3 20、32號點地表沉降歷時曲線
左線32測點的累計地表沉降值較同一里程的右線20測點大，特別是在左右線間距調整期間32測點的沉降值普遍較20測點大，即超前開挖隧道較滯后開挖隧道的地表沉降值大，這一點可以從實測資料得到驗證。
2．4 臺階長度
臺階長度是淺埋暗挖施工工藝中一個重要因素，對于跨度、高度不大(6、7m)的隧道結構，一般采用正臺階法開挖，由于沒有施作臨時仰拱，臺階長度以控制在1D—1．5D(D為隧道開挖跨度)為宜。
根據6標現場調研及對施工方資料的統計(見表3)可以發現，施工單位在施工前期(4月中旬前)對臺階長度的把握不到位，臺階時小時大，最大值為14．5m，最小值為2．75m，而且變化比較頻繁，波動幅度較大；施工后期臺階長度最大值為13．5m，最小值為5m，但長度控制得比較均勻，一般都在7-9m(1B～1．5B)。前期地表沉降明顯比后期大。
結合沉降資料分析，臺階長度對沉降有較大的影響。臺階長度過短則不能保證楊b土穩定留設，對掌子面的穩定性起不到很好的支撐作用，掌子面向已開挖隧道內移動變形，從而掌子面前方地層變位加劇，導致超前影響范圍增大，地表沉降變大，施工安全存在隱患，對地下水豐富或含砂、淤泥地層則易出現涌砂、涌泥等小面積坍塌現象，危險更大；臺階長度過長也不合理，施工過程中搬運鋼格柵、噴混凝土很不方便，而且上下臺階鋼格柵的封閉成環時間受臺階長度影響，顯然臺階長度越長鋼格柵封閉成環時間越長，更嚴重的是上臺階鋼格柵拱腳處地層較弱，拱部容易下陷，特別是拱腳積水時位移更大，因而臺階過長地層沉降加劇。
由施工后期開挖進度知，封閉成環時間控制在6～8d，臺階長度7-9m，當施工中遇不良地層(如砂層、軟土層等)或出現其它特殊情況時，施工速度減慢，拱頂下沉及地表(道路)沉降明顯加大。
3小結
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、工程質量及施工進度都與現場的施工工藝密不可分，在對隧道所處地層條件準確認識和理解暗挖法的實質基礎上，施工技術人員合理安排工序，因地制宜調整施工工藝參數，確保工程順利竣工。通過上文的分析，得到以下幾點認識：
(1)超前預支護在—般地層、過渡地層和富水含砂地層其支護形式和支護參數不同，小導管粗細，長度及是否采用小管棚施工都與掌子面及前方土體性質及對地層塑性變形的要求有關，做到經濟和環境控制的統一。
(2)根據超前預報、預支護效果及開挖掌子面情況適當調整開挖進尺，有效縮短無支護時間，既保證開挖進度又能有效控制地層變形。
(3)正臺階法施工中左右線間距不宜過小，嚴禁齊頭并進，左右線間距宜控制在3D(D為隧道開挖跨度)左右。 (4)正臺階法開挖中由于沒有施作臨日刊中拱，臺階長度以控制在1D～1．5D(D為隧道開挖跨度)為宜。
(5）富水砂層的存在對開挖進度和開挖步驟有不同要求，進度由一般的1m/循環減為0．75或0．61m／循環，為防止隧道邊墻片幫，下臺階改為兩步開挖。

參考文獻
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