地鐵暗挖隧道穿越富水、高填、不穩(wěn)定地層施工技術(shù)

黃其坤

中鐵隧道集團有限公司 重慶 401120

摘要：本文以重慶軌道交通五號線園博中心站～丹鶴站區(qū)間暗挖隧道穿越回填土段為例，詳細介紹了隧道施工中采取的一系列符合實際有效的措施，克服了地面沉降、隧道不均勻變形、暴雨季節(jié)大量涌水等諸多問題，順利攻克了暗挖隧道穿越富水、高填土段的施工難題，確保了隧道按期貫通。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；暗挖穿越；富水地層；高填方地層；不穩(wěn)定地層

一、工程概況

重慶軌道交通五號線土建5101標(biāo)工程，里程為DK7+800～DK11+010.446，線路全長3210.446m。工程包含2站3區(qū)間。其中園博中心站～丹鶴站區(qū)間（以下簡稱園～丹區(qū)間）從園博中心站大里程端起始，下穿重慶力帆停車場后向西南方向前行，依次下穿重慶力帆乘用車項目KD新廠房、儲油庫、重慶力帆污水處理站后，再繼續(xù)向西南行進進入丹鶴站。園～丹區(qū)間為單洞單線隧道，右線隧道長1152.784m，左線隧道長1158.044m。隧道拱頂埋深15.3～22.8m，均采用暗挖法施工。區(qū)間右線YDK8+431.211～YDK8+760.000、左線ZDK8+430.991～888.000段隧道位于回填層；其中區(qū)間右線YDK8+464.5～714.956、左線ZDK8+468.5～706.737段隧道底部位于回填層。其余段隧道上部為回填層，下部為砂質(zhì)泥巖。區(qū)間總平面布置見圖1，穿越回填土段地質(zhì)縱剖面見圖2。

圖1 園～丹區(qū)間總平面圖

圖2 區(qū)間穿越回填土段地質(zhì)縱剖面圖

二、施工風(fēng)險分析

根據(jù)前期勘察回填土段，原為荒蕪谷地，后來在快速的城市建設(shè)中被廢棄的建筑渣土填滿。填土層平均厚度40多米，最深處達到60多米，土質(zhì)多由大塊孤石、粘性土夾砂、泥巖塊石以及混凝土、磚塊等生活垃圾。當(dāng)初該地方還未納入規(guī)劃范圍，填土是以拋填的方式進行。大小石頭、磚頭、泥土、混凝土廢渣和生活垃圾等交混在一起，地質(zhì)疏松、不均勻，承重能力差?；靥钔量障洞?，透水性強，水含量豐富。回填土層為最近3～10年形成的，不同渣質(zhì)之間在不斷的相互作用，雖然前期進行過碾壓夯實，但并不能保證其穩(wěn)定性。

同時回填段原為低洼谷地，巨大的V字形山谷形成天然的積水池，同時回填土空隙大，透水性強，水含量豐富。在其中進行隧道開挖就像是在“懸浮”土層中施工一樣，上下左右都沒有穩(wěn)固的可附著力的地方，稍有不慎就會發(fā)生下沉或偏移。同時隧道底部是十幾米厚的松軟回填土層，隧道本身巨大的重量使隧道就像在水里漂浮一樣，一旦通車，在列車的重力和震動沖擊作用下，隧道很容易下沉，出現(xiàn)不均勻沉降，而出現(xiàn)隧道開裂的險情。

三、沉降誘因分析

在施工期間為保持人工填土段地表建筑的穩(wěn)定性與道路的正常運行，對路面沉降提出要求嚴(yán)格。在施工準(zhǔn)備階段，對隧道施工期間可能引起地層沉降的原因進行了系統(tǒng)分析。

1、土體特性的影響

園～丹區(qū)間隧道拱頂埋深15.3～22.8m，上覆土體全部為人工填土，主要為砂巖和碎屑巖，分析認為隧道開挖擾動后，易引起開挖周邊土體松弛變形，出現(xiàn)潛在的坍滑區(qū)。

2、道路通行車輛荷載的作用

隧道施工期間上部道路按原標(biāo)準(zhǔn)通行，車輛密集。由于隧道埋深淺，必須考慮車輛荷載作用，特別是重型車輛高速通過時引起的震動較大，施工時應(yīng)充分考慮。

3、地下水作用

由于回填地層空隙率大，地層富水后在水作用下第地層形成擠密效應(yīng)，加劇不同渣質(zhì)之間相互作用，降低地層穩(wěn)定性。同時在隧道開挖過程中，會形成水土流失，更加劇了地層沉降。

4、地層應(yīng)力的釋放

由地層的收斂約束特性可知，隨地層位移的增大，上覆地層施加到隧道結(jié)構(gòu)上的荷載將減小。最佳支護概念就是在允許地層產(chǎn)生穩(wěn)定位移的條件下，使支護結(jié)構(gòu)所受的力最小。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)定值的下沉而換取最佳支護條件。而且，本工程土體為人工填土，是具有潛在坍滑面的地層。隨地表下沉、地層應(yīng)力的釋放，坍滑面會逐次產(chǎn)生，伴隨著地表大范圍下沉，沉降槽寬度及下沉量均較大?？梢姡扇∮行У闹ёo措施，控制地層應(yīng)力釋放度是解決下沉及范圍的關(guān)鍵。

四、總體施工方案

控制開挖過程中產(chǎn)生沉降的關(guān)鍵是保持開挖工作面的穩(wěn)定，選擇合適的施工方法非常重要。園～丹區(qū)間回填段采用環(huán)形預(yù)留核心土法進行機械開挖，分步進行支護。其余斷面均采用全斷面法進行水壓爆破施工。同時為了保證施工過程中及地鐵開通運營后，區(qū)間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。項目借鑒在不穩(wěn)定地層上搭高架橋的做法，為隧道打上樁基。通過樁基密集地立足下方穩(wěn)定巖層，穩(wěn)穩(wěn)得托住隧道，減輕下方回填土層的承重，使隧道在松散的地基上站住了腳。同時樁基能夠保證隧道建成后下方地下水的正常循環(huán)，從而消除了地下水積壓導(dǎo)致隧道上浮的風(fēng)險。

五、施工工藝方法

（一）技術(shù)參數(shù)

區(qū)間隧道采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，隧道開挖尺寸為7m×6.87m，襯砌均為復(fù)合式襯砌。區(qū)間分A型、B型、C型、D型、E型五種斷面襯砌形式。區(qū)間斷面設(shè)計參數(shù)見表1。區(qū)間右線YDK8+431.211～760.000、左線ZDK8+430.991～888.000段隧道位于回填層；其中區(qū)間右線YDK8+464.5～714.956、左線ZDK8+468.5～706.737段隧道底部位于回填層。區(qū)間右線YDK8+431.211～760.000、左線ZDK8+430.991～888.000段隧道位于回填層；其中區(qū)間右線YDK8+464.5～714.956、左線ZDK8+468.5～706.737段隧道底部位于回填層，隧道底部設(shè)置?400鉆孔灌注樁，樁底嵌巖深度1.5m，單軸抗壓強度達10.6MPa；每斷面橫向設(shè)置4根樁，樁縱向間距1.2m。其余段隧道上部為回填層，下部為砂質(zhì)泥巖。區(qū)間為單洞單線隧道，回填段采用環(huán)形預(yù)留核心土進行開挖，其余斷面均采用全斷面法進行開挖。

表1 園～丹區(qū)間斷面支護參數(shù)表

支護

類型 開挖方式 支護 二次襯砌

超前支護 噴射混凝土及鋼筋網(wǎng) 錨桿 鋼拱架

A型襯砌斷面 全斷面、環(huán)形預(yù)留核心土（回填段） 拱部180°范圍內(nèi)兩排φ42超前小導(dǎo)管，第一排L=4.5m@0.4m×2.4m（外插角10°），第一排L=3.5m@0.4m×2.4m（外插角60°） C25混凝土27cm厚Φ8-@200×200mm鋼筋網(wǎng)，雙層 φ22藥卷錨桿L=3.5m環(huán)縱向間距1m×0.6m Ⅰ20b型鋼拱架0.6m/榀 C40，P12鋼筋混凝土，仰拱80cm，拱墻60cm

B型襯砌斷面 全斷面 拱部180°范圍內(nèi)兩排φ42超前小導(dǎo)管，第一排L=4.5m@0.4m×2m（外插角10°），第一排L=3.5m@0.4m×2m（外插角60°） C25混凝土27cm厚Φ8-@200×200mm鋼筋網(wǎng)，雙層 φ22藥卷錨桿L=3.5m環(huán)縱向間距1m×0.5m Ⅰ20b型鋼拱架0.5m/榀 C40，P12鋼筋混凝土，仰拱60cm，拱墻60cm

C型襯砌斷面 全斷面 拱部120°范圍內(nèi)φ42超前小導(dǎo)管，L=4.5m@0.4m×3.0m（外插角5°） C25混凝土25cm厚Φ8-@200×200mm鋼筋網(wǎng)，雙層 φ22藥卷錨桿L=3m環(huán)縱向間距1m×0.5m Ⅰ18型鋼拱架0.5m/榀 50cm厚C40，P12鋼筋混凝土

D型襯砌斷 全斷面 ─ C25混凝土23cm厚Φ8-@200×200mm鋼筋網(wǎng)，雙層 φ22藥卷錨桿L=2.5m環(huán)縱向間距1m×1m Ⅰ16型鋼拱架1m/榀 35cm厚C40，P12鋼筋混凝土

E型襯砌斷 全斷面 ─ C25混凝土26cm厚Φ8-@200×200mm鋼筋網(wǎng)，雙層 φ22藥卷錨桿L=3m環(huán)縱向間距1m×0.75m Ⅰ18型鋼拱架0.75m/榀 45cm厚C40，P12鋼筋混凝土

（二）超前地質(zhì)預(yù)報

在隧道開挖前應(yīng)利用超前地質(zhì)預(yù)報手段，探明開挖面前方圍巖特性、軟弱地層段、構(gòu)造等情況等，根據(jù)得出的結(jié)果，信息反饋，為正確的選擇施工方法、優(yōu)化支護、采取特殊措施等提供依據(jù)，指導(dǎo)施工。

本工程綜合利用工程地質(zhì)法與超前水平勘探進行超前地質(zhì)預(yù)報工作。采用洞內(nèi)地質(zhì)素描，每10米對左側(cè)洞壁、右側(cè)洞壁、洞頂及掌子面各拍攝一張數(shù)碼相片。淺埋段采用多孔水平鉆探、多孔CT（按6孔），鉆孔長度30m；深埋段每50米單孔水平鉆探一孔，單孔長度10米；孔內(nèi)數(shù)碼成像。

（二）洞身開挖

回填段采用環(huán)形預(yù)留核心土法進行機械開挖，其余斷面均采用全斷面法進行水壓爆破施工。上臺階必須采用人工開挖，每循環(huán)開挖進尺不大于1榀鋼架。邊墻開挖進尺不大于2榀。仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿（管），每循環(huán)開挖進尺不大于3m。初期支護封閉成環(huán)位置距上臺階掌子面距離不大于35m。下臺階施工兩側(cè)應(yīng)錯開一循環(huán)。采用挖機扒碴排險，裝載機裝碴，自卸汽車運至指定棄碴點。環(huán)形預(yù)留核心土開挖見圖3。

圖3 環(huán)形預(yù)留核心土開挖示意圖

（三）初期支護

為控制地層應(yīng)力的釋放，隧道施工特別重視支護工作，嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、強支護、塊封閉、勤量測”的技術(shù)要求進行施工。隧道A、B、C型斷面均設(shè)置超前小導(dǎo)管，超前小導(dǎo)管采用?42熱軋無縫鋼管加工制成，壁厚4mm；隧道采用工字鋼鋼架，工字鋼型號有20b、18、16，拱架接頭處設(shè)置鎖腳錨桿；隧道錨桿型式為Φ22砂漿錨桿，采用YT-28型風(fēng)鉆鉆孔，高壓風(fēng)槍清孔；大跨隧道初支鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片，單洞單線隧道鋪設(shè)單層鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片規(guī)格HRB300φ8@200×200mm；噴射混凝土強度等級為C25，初期噴射厚度23cm～35cm。各斷面具體設(shè)計參數(shù)詳見表1。

（四）墊層施工

在隧道底部設(shè)置墊層能夠承受并傳遞上部荷載，保護地基土防止擾動，減少沉降。本區(qū)間隧道底部設(shè)施C25墊層混凝土，A型斷面墊層厚度27cm，B、C型斷面墊層厚度20cm，D、E型斷面墊層厚度15cm。墊層緊隨開挖進行，為減少其與出碴運輸?shù)母蓴_，采用橫向通道左右線轉(zhuǎn)換施工。測量放線，測量組根據(jù)設(shè)計現(xiàn)場標(biāo)示出基底標(biāo)高。人工進行撿底，清除軟土、泥漿及浮碴；采用商品混凝土，泵送至澆注點，坍落度宜為12～14cm，。人工攤平，平板震搗器搗固，搗固密實后找平、收光?；炷翝仓瓿珊?2小時內(nèi)進行灑水養(yǎng)護。

（五）鉆孔灌注樁

由于在隧道有限空間內(nèi)進行樁基施工，結(jié)合現(xiàn)場實際采用“分段鉆孔，分段打樁”的方法。設(shè)備鉆桿由5m統(tǒng)一截短至2m，將鉆機底座截短以適應(yīng)隧道最邊部50cm高的空間。工序上前方開挖后方鉆孔緊密結(jié)合，打孔嚴(yán)格過程控制，防止分段銜接過程中的塌空，為確保樁基質(zhì)量。

隧道底設(shè)置?400鉆孔灌注樁，樁底嵌巖深度1.5m，同時此昵稱的天然濕度單軸抗壓強度達10.6MPa。每斷面橫向設(shè)置4根樁，樁縱向間距1.2m。樁基待墊層施工強度達到70%后緊隨進行施工，每循環(huán)施工兩排共8根樁。定位放樣，路面墊層；埋設(shè)護筒，護筒直徑較樁徑大10cm，壁厚6mm，長1.5～3m，護筒頂高出墊層不少于0.3m，護筒中心與樁中心偏差不得大于20mm。鉆孔灌注樁設(shè)計見圖4。

圖4 鉆孔灌注樁設(shè)計圖

樁基采用小型旋挖鉆機LQ-11進行鉆孔，機械尺寸為5.65m×2.42m*3.3m，滿足現(xiàn)場施工要求。根據(jù)配備的導(dǎo)向裝置檢查控制鉆孔的垂直度，以確保鉆孔垂直度保持在允許范圍內(nèi)。成孔一次完成，中間不能間斷施工，成孔完畢至灌注混凝土的間隔時間不能大于24h。鉆進過程中若發(fā)生斜孔、彎孔、縮徑、塌孔或沿護筒周圍冒漿以及地面沉陷等情況，立即停止鉆進，采取措施處理。當(dāng)鉆孔傾斜時，可往復(fù)掃孔修正，如糾正無效，在孔內(nèi)回填粘土或風(fēng)化巖塊至偏孔處上部0.5m，再重新鉆進；鉆進中如遇塌孔，立即停鉆，回填粘土，待孔壁穩(wěn)定后再鉆。鉆孔完成后分節(jié)吊裝鋼筋籠，及時進行水下樁基混凝土灌注。

（六）襯砌及回填注漿

為了有效控制區(qū)間隧道沉降，在初期支護及下部端承樁基完成后及時施作仰拱及拱墻襯砌，將隧道各受理體系連成整體。隧道襯砌采用9m液壓全斷面臺車施工。在襯砌前在拱頂設(shè)置φ42mm鋼管，對二襯背后進行回填注漿。襯砌背后根據(jù)地質(zhì)雷達檢測情況和出水情況，選擇合理的注漿參數(shù)和注漿材料，對襯砌背后進行回填及壓漿堵水?；靥钭{應(yīng)在襯砌混凝土強度達到設(shè)計強度的70%后進行，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。以達到消除拱墻襯砌背后空洞，將隧道襯砌體系與周邊圍巖緊密聯(lián)系，達到共同作用的目的，有效控制地層沉降。

六、結(jié)論

項目通過精心策劃、精細化管理。過程中采用了孤石爆破、機械開挖、分段鉆樁、分段打樁等符合實際的工法，克服了地面沉降、隧道不均勻變形、暴雨季節(jié)大量涌水等諸多問題，順利攻克了隧道穿越富水、高填土段的施工難題，確保了隧道按期貫通。工程安全、質(zhì)量、進度可控，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。為以后城市地鐵隧道相似工程地質(zhì)條件下施工，提供了成熟的經(jīng)驗。

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