地鐵隧道施工對地層變形的影響——淺埋暗挖法對地層變形的影響摘 要:進(jìn)入21世紀(jì)，我國地鐵建設(shè)步入了快速發(fā)展的階段，各大城市地鐵建設(shè)項目競相開工。正確選擇有效的地鐵施工方法是地鐵建設(shè)快速、安全、有效的有力保障。施工技術(shù)的不斷發(fā)展提高，已初步形成專門的學(xué)科體系，極大地推動了地鐵建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展。本文主要引用深圳地鐵的案例進(jìn)行分析淺埋暗挖法對地層變形的影響。關(guān)鍵詞：地層變形 淺埋暗挖法 影響因素1.淺埋暗挖法簡介 施工方法對地鐵車站和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)型式的確定以及地鐵土建工程造價有決定性影響。施工方法的選擇，受沿線工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、周圍環(huán)境條件、線路平面位置、隧道埋置深度等多種因素的制約，同時對施工期間的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工程的難易程度等產(chǎn)生直接影響。 地鐵區(qū)間隧道采用礦山法施工是近年來為適應(yīng)城市淺埋隧道的需要而發(fā)展起來的一種施工方法，也稱淺埋暗挖法。目前在我國地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中已廣泛采用。淺埋暗挖法施工，工藝簡單、靈活，并可根據(jù)施工監(jiān)控量測的信息反饋來驗證或修改設(shè)計和施工工藝，以達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的目的。 淺埋暗挖法認(rèn)為淺埋隧道按松散荷載計算，超淺埋隧道則按全土柱加地面動、靜換算荷載計算，并提倡采用巖柱理論和太沙基公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計算。隧道施工時，由于承載拱效應(yīng)，原始地層應(yīng)力并非全部轉(zhuǎn)化為作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，作用在隧道襯砌上的壓力小于初始應(yīng)力（這已被大量的工程測試資料所驗證），這是由于隧道開挖后洞室周圍地層應(yīng)力釋放，隧道的拱形形狀及地層內(nèi)部摩擦力等導(dǎo)致的承載拱發(fā)揮作用，使周圍地層應(yīng)力重分布并產(chǎn)生兩種變化，即一部分被釋放，另一部分向深部和其它方向轉(zhuǎn)移。當(dāng)施設(shè)襯砌支護(hù)后，地層應(yīng)力釋放過程受到抑制，一部分釋放荷載作用于襯砌結(jié)構(gòu)上，這部分荷載的大小正是需要計算的。2.淺埋暗挖施工技術(shù)2.1地鐵隧道的主要施工技術(shù) 通常在地面條件允許的情況下，地鐵區(qū)間隧道宜采用明挖法，但對社會環(huán)境影響很大，僅適合在無人、無交通、管線較少之地應(yīng)用。隨著我國工程建設(shè)法規(guī)、法制的完善、對大型工程建設(shè)項目綜合效益的要求和環(huán)境保護(hù)意識的提高，在城市地下鐵道的建設(shè)中，因埋深條件、周邊環(huán)境條件等因素的限制，在建筑物密集的繁華市區(qū)和特殊地質(zhì)地形區(qū)段普遍要求采用暗挖法施工。淺埋暗挖法是一種適合不同斷面、造價偏低、靈活多變的施工方法，是今后應(yīng)推廣的施工方法。2.2淺埋暗挖設(shè)計理論 淺埋暗挖設(shè)計理論的特點(diǎn)是運(yùn)用量測信息，反饋于設(shè)計和施工，同時采取超前支護(hù)、改良地層、注漿加固等配套技術(shù)來完成隧道及地下工程的設(shè)計與施工。隧道深埋或淺埋并非單純指洞頂與地面之間的厚度，還應(yīng)結(jié)合上覆地層的水文地質(zhì)與工程地質(zhì)特征、松散狀況，圍巖結(jié)構(gòu)特征及風(fēng)化、破碎程度，斷層影響的程度，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及地下水等因素綜合判定。通常，深埋隧道荷載按塌落拱計算；淺埋隧道按松散荷載計算；超淺埋隧道則按全土柱加地面動、靜換算荷載計算。3.淺埋暗挖法的應(yīng)用3.1淺埋暗挖法的應(yīng)用 近幾年來隨著城市軌道交通的發(fā)展, 許多的地鐵乘客出入口與人行地下通道規(guī)劃在一起, 但其施工方法大多采用明挖法, 然而在既有道路改造中, 采用明挖法和蓋挖法施工占地多、交通干擾大、地下管線拆遷量大、容易造成環(huán)境污染。如果在上海引進(jìn)淺埋暗挖法就克服了上述缺點(diǎn), 減少了對環(huán)境的影響, 能保證交通暢通和地下管線的正常使用。3.2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、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(huán)境的環(huán)保和安全要求。4.深圳地鐵案例分析 本文選取深圳地鐵I期工程6標(biāo)段為例剖析不同施工工藝對地表沉降的影響程度。4.1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。4.2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)的工程實踐來看，針對不同的地層條件，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；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(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)管外插角比長導(dǎo)管大，管徑和間距增大；在富水砂層地段采用長短結(jié)合的小導(dǎo)管注漿預(yù)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。注漿壓力及注漿量的控制對預(yù)加固效果有影響，地層較好的情況下可以不注漿。4.3開挖時空順序 地鐵隧道開挖在土中進(jìn)行，開挖擾動使原始地層應(yīng)力重分布，而土的自穩(wěn)能力較差，暗挖法開挖不像盾構(gòu)法施工有足夠的抗力支撐擾動地層，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)的時空效應(yīng)對穩(wěn)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(jìn)尺、分步開挖順序；對雙線隧道則要確定左右線的間距。4.4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)尺及每一個開挖循環(huán)所用的時間有關(guān)，因此，考慮在預(yù)加固前提下土體的自穩(wěn)時間及地層的塑性變形發(fā)展確定工序。現(xiàn)場每個工序循環(huán)耗時如表1，每個班做1．5個循環(huán)，開挖進(jìn)尺為1mm／循環(huán)，無支護(hù)時間為4小時；而當(dāng)?shù)貙訔l件較差時，開挖進(jìn)尺減小為0．75或0．6m／循環(huán)，超前預(yù)支護(hù)長短結(jié)合需要更多時間，而開挖土方減少開挖時間減少，即預(yù)支護(hù)強(qiáng)度提高和無支護(hù)時間減少，地層變形減小。 隧道通過含水砂層地段時，施工進(jìn)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(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)不及時封閉成環(huán)，對沉降的發(fā)展不易控制。因此施工過程中工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)及時做好超前的地質(zhì)預(yù)報，隨時改變頂支護(hù)參數(shù)，保證安全、快速施工。六標(biāo)一般情況上、下臺階2～3m／d(下臺階機(jī)械施工，相對進(jìn)尺快，有時隔天開挖)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，相當(dāng)危險，現(xiàn)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(jìn)行。這也是對地層變形的有效控制。5.努力方向 我國已有近40年的地鐵修建史，尤其是近十多年來的快速發(fā)展，豐富和創(chuàng)新了我國地鐵規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理運(yùn)用、防災(zāi)救災(zāi)設(shè)備維修的技術(shù)方法及工作制度。由于我國地域廣大、地質(zhì)情況多樣，地鐵修建技術(shù)也必然極具復(fù)雜性和高難度。就目前來講，我們已有的技術(shù)手段可以應(yīng)付除西部和東北地區(qū)以外的大部分區(qū)域的城市地鐵修建任務(wù)，更為可貴的是我們已經(jīng)鍛煉和造就了一大批有經(jīng)驗的、有高度責(zé)任感的地鐵建設(shè)工作者和能吃苦耐勞、有風(fēng)險精神及創(chuàng)新智慧的設(shè)計、施工隊伍。展望未來，為使我國地鐵修建技術(shù)日臻完善，保證地鐵工程質(zhì)量，實現(xiàn)地鐵的社會經(jīng)濟(jì)效益最大化，我國尚需在以下幾個方面努力。 5.1盡快統(tǒng)一地鐵和輕軌修建的設(shè)計、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、施工技術(shù)規(guī)范和工程驗收技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以便使我國地鐵和輕軌工程設(shè)施和設(shè)備產(chǎn)品規(guī)范化、系列化,對國產(chǎn)化也十分有利. 5.2組織力量對地鐵施工設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)研制開發(fā)。 5.3加強(qiáng)地下工程施工輔助工法的研究開發(fā)和創(chuàng)新。 5.4在地下工程防水施工工藝、新材料、新技術(shù)方面加大研究的力度和進(jìn)程。 5.5強(qiáng)化環(huán)保意識，地鐵的修建較大地改變了城市區(qū)域地層的地應(yīng)力和水文地質(zhì)的原始狀態(tài)，尤其是水土流失會造成生態(tài)環(huán)境的改變,甚至?xí)纬蔀?zāi)害隱患。