富水砂層條件隧道下穿橋梁工程的風(fēng)險識別及監(jiān)測分析

張鑫 高崇坤 王迪

摘 要：隧道工程穿越河流橋梁通常是施工過程中的重大風(fēng)險源，尤其是在地層孔隙率大、滲透系數(shù)大、穩(wěn)定性難控制的富水砂層內(nèi)施工。青島地鐵某區(qū)間隧道穿越富水砂層地段，其中部分區(qū)段下穿張村河及上部橋梁，區(qū)間隧道采用明挖法與暗挖法相結(jié)合的施工工藝，順利通過下穿河流橋梁段，施工過程中變形控制和環(huán)境影響控制方面效果良好，未造成路面、橋面塌陷、管線破裂等事故，對周邊環(huán)境未帶來不利影響。該地鐵隧道在富水砂層條件下順利下穿橋梁，其成功經(jīng)驗對于類似工程具有較大的參考意義。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；富水砂層；下穿橋梁；風(fēng)險識別；監(jiān)測分析

中圖分類號：U445.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0009-04

Abstract： Tunnel crossing river bridge is usually a major source of risk in the construction process， especially inthe construction of water-rich sand layer with large the formation porosity， large permeability coefficient， and difficulty of stability controlling. The tunnel of a certain section of Qingdao Metro passes through the water-rich sand layer， some sections of which underpass the Zhangcun River and the upper bridge. The interval tunnel adopts the construction technology of the combination of the open excavation method and the subsurface excavation method， thus allowing smooth passing through the bridge section of the lower crossing river. The effect of deformation control and environmental impact control in the construction process is good， with no road surface or bridge floor collapse， pipeline rupture and other accidents， and no adverse impact on the surrounding environment. The subway tunnel underpasses the bridge smoothly under the condition of water-rich sand layer， and its successful experience is of great reference significance for similar projects.

Keywords： subway tunnel； water-rich sand layer； underpass bridge； risk identification； monitoring and analysis

1 概述

城市地下工程在特殊地質(zhì)條件下施工中，巖土體的特殊性質(zhì)會對施工造成諸多困難，富水砂層是一種常見的地質(zhì)條件，尤其在城市地下鐵道施工中經(jīng)常遇到，伴隨著砂層的膠結(jié)程度差，強度低，開挖后洞室穩(wěn)定性差，變形量大、傾斜等情況，變形也難以控制，甚至?xí)l(fā)生塌方等事故，施工難度比較大[1-3]。在水的作用下，砂層物理力學(xué)性質(zhì)將會更加復(fù)雜，開挖過程中常誘發(fā)涌砂、涌水、流砂等地質(zhì)災(zāi)害，也會發(fā)生地表沉降裂縫、地下水位下降等嚴(yán)重環(huán)境問題[4-5]。

青島地鐵多處區(qū)間穿越地層穩(wěn)定性難控制的富水砂層地區(qū)，尤其是某區(qū)間隧道穿越張村河富水砂層段，圍巖松散破碎，砂層埋深不一，地下水位較高，且水源補給豐富，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。如何保障在富水砂層地段的隧道安全施工成為青島地鐵的建設(shè)重難點。

2 工程簡介

本文研究對象為青島地鐵某區(qū)間，下穿張村河砂層段，采用明挖法施工，矩形斷面形式，區(qū)間隧道與深圳路上現(xiàn)有張村河橋樁水平距離為15.7m。區(qū)間內(nèi)特殊性巖土主要為人工雜填土，其成分以粘性土、砂土為主，局部夾有碎石、碎磚、砼塊等，土質(zhì)不均，土體較松散。主要分布于表層，厚度變化較大，最厚達9.4米，該層均位于隧道洞身之上，且距洞頂多大于8米。

3 區(qū)間工程風(fēng)險源分析及對策

3.1 風(fēng)險源分析

本區(qū)間內(nèi)土建工程線路較長，施工設(shè)計工法暗挖與明挖工藝均有，施工工藝復(fù)雜多樣，部分區(qū)段地質(zhì)條件差，周邊環(huán)境復(fù)雜，變形及爆破振速控制及其嚴(yán)格，監(jiān)測技術(shù)要求高、周期長，是青島地鐵該線路重大風(fēng)險源數(shù)量最多的一個區(qū)間隧道，現(xiàn)對區(qū)間隧道主要工程風(fēng)險描述如下：

（1）區(qū)間在YCK42+545.179～YCK43+75.00段暗挖隧

道穿越飽水礫砂層，礫砂層孔隙率大、滲透系數(shù)大，若處理措施不當(dāng)，就會發(fā)生涌水涌砂，甚至引發(fā)水體倒灌事故，施工難度高。

（2）區(qū)間在YSK43+573～YSK43+640穿越張村河，此區(qū)間段穿越張村河富水砂層段，Ⅵ級圍巖，基坑開挖深度10.5～15.6m，砂層厚度4.5～14.0m不等，地下水位較高，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

（3）區(qū)間側(cè)穿某路上現(xiàn)有張村河橋，區(qū)間結(jié)構(gòu)外皮與橋樁水平距離為15.7m，施工過程中易使橋樁發(fā)生變形。

3.2 風(fēng)險處置對策

區(qū)間重大風(fēng)險源較多，對重大風(fēng)險源范圍內(nèi)的工程結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境進行加強監(jiān)測是本項目的監(jiān)測重點。

（1）風(fēng)險源1：區(qū)間礦山法暗挖隧道穿越孔隙率大、滲透系數(shù)大的飽水礫砂層易發(fā)生涌水涌砂，甚至引發(fā)水體倒灌事故。

對策：采用輕型井點降水或管井降水，降水井應(yīng)穿透含水層，井底標(biāo)高應(yīng)至少低于隧道仰拱2m，降水井宜布置在雙線隧道中間，注漿方式采用可注性較強的填充擠壓和剪切劈裂注漿兩種方式，同時開挖采用上下臺階保留核心土和臨時仰拱法，可有效控制地層變形。

（2）風(fēng)險源2：區(qū)間下穿張村河，采用明挖法施工，鉆孔灌注樁外加旋噴止水帷幕，穿越地層富水砂層，下挖過程中容易發(fā)生滲漏水、涌水涌砂、基坑變形過大等風(fēng)險。

對策：在下穿段圍護樁上布設(shè)深層水平位移和樁頂沉降監(jiān)測項目（間距為10m），并布設(shè)了支撐軸力以監(jiān)測其支撐的受力情況，確保基坑支護安全可控?，F(xiàn)場加密巡視，發(fā)現(xiàn)有滲漏水及支護變形較大的情況立即上報。

（3）風(fēng)險源3：區(qū)間側(cè)穿深圳路上現(xiàn)有張村河橋。

對策：對張村河橋布設(shè)橋墩沉降及傾斜變形監(jiān)測點，

并加強對其進行現(xiàn)場巡視，發(fā)現(xiàn)橋面結(jié)構(gòu)發(fā)生變形后及時上報。

4 現(xiàn)場監(jiān)測效果分析

依據(jù)具體的風(fēng)險源處不同的施工特點，結(jié)合工程地質(zhì)特點，對該區(qū)間地表沉降、圍護樁頂位移、地下水位等情況進行了現(xiàn)場監(jiān)測，做到了科學(xué)、合理、信息化監(jiān)測，促使本區(qū)間段地鐵施工安全平穩(wěn)的完成。該區(qū)間監(jiān)測特征點數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?。區(qū)間各監(jiān)測項目數(shù)據(jù)變化曲線如圖2-8。

（1）本次地表沉降的監(jiān)測點位DC02-06所處里程為YSK43+096，根據(jù)圖1所示，暗挖下穿段隧道地表沉降累計變化最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點DC02-04處，數(shù)值為-32.30mm，控制值為-40mm，累計變量小于控制值，其他部位地表沉降點數(shù)值均小于DC02-04。

（2）如圖2，圍護樁頂沉降監(jiān)測所處里程為ZSK43+157，當(dāng)從開挖至第一道撐時，QC01-01和QC02-01兩個監(jiān)測點的沉降趨勢呈整體急劇下降趨勢，當(dāng)開挖至基坑底部時，上述兩個測點出現(xiàn)拱形隆起趨勢，此后布設(shè)的測點QC04-01、QC04-02與之前兩個測點的沉降出現(xiàn)緩慢變形。累計變化最大值出現(xiàn)在基坑?xùn)|側(cè)處（QC04-01），數(shù)值為

-16.85mm，控制值為20mm，累計變量小于控制值，其他部位圍護樁頂沉降監(jiān)測數(shù)值均小于QC04-01。

（3）如圖3，樁頂水平位移監(jiān)測所處里程為YSK43+096，QW01-01、QW02-01、QW02-02三個測點從開挖初時至第一道支撐時，整體變化趨勢呈急劇上升，當(dāng)開挖至基坑底時，上述測點變形變緩直至進入此后的穩(wěn)定變形階段。累計變化最大值出現(xiàn)在基坑?xùn)|側(cè)處（QW02-02），數(shù)值為27.28mm，控制值為40mm，累計變量小于控制值，其他部位樁頂水平位移點數(shù)值均小于QW02-02。

（4）如圖4，地下水位沉降監(jiān)測所處里程為YSK43+116，從2013年8月23日開始進行地下水位監(jiān)測直至2014年4月底進入雨季之前，施工段的地下水位一直處于0mm以下的穩(wěn)定狀態(tài)。進入雨季之后，施工段的地下水位出現(xiàn)急劇上漲，在2014年8月20日之前，這期間的地下水位呈拱形變化趨勢，但水位基本處在0mm以上。累計變化最大值出現(xiàn)在基坑?xùn)|側(cè)處（SW02），數(shù)值為2758mm，控制值為1000mm，累計變量大于控制值，其他部位地下水位沉降數(shù)值均小于SW02。

（5）如圖5，錨索軸力監(jiān)測里程為YSK43+076，施工時，錨索施做期時其6個監(jiān)測點的軸力變化會出現(xiàn)急劇上升的波動期，之后將進入錨索穩(wěn)定期，軸力基本穩(wěn)定在某個值。最大值出現(xiàn)在明暗挖結(jié)合處（ML01），數(shù)值為237.28kN，控制值為100%f2，軸力變量小于控制值，其他部位錨桿內(nèi)力數(shù)值均小于ML01。

（6）如圖6，支撐軸力監(jiān)測里程位于ZSK43+197，從監(jiān)測開始至開挖至吊腳樁深度時，支撐軸力變化趨勢為上升階段，到鎖腳錨桿施工階段時，軸力變化趨于高值穩(wěn)定階段，當(dāng)開挖深度繼續(xù)增加，支撐軸力會出現(xiàn)下降趨勢直至后期的二次穩(wěn)定。軸力變化最大值出現(xiàn)在基坑西側(cè)處（ZL05-01），數(shù)值為754.27kN，控制值為1867kN，軸力變量小于控制值，其他部位支撐軸力數(shù)值均小于ZL05-01。

（7）如圖7，孔隙水壓力監(jiān)測里程位于ZSK43+197，整體來看，監(jiān)測點KY01-01與KY01-02一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。變化最大值出現(xiàn)在基坑西側(cè)處（KY01-01），數(shù)值為11.51kPa，控制值為100%f2，壓力變量小于控制值，其他部位空隙水壓力數(shù)值均小于KY01-01。

（8）如圖8，土壓力監(jiān)測點的里程位于ZSK43+197，監(jiān)測點TY01-01的變化趨勢整體呈先穩(wěn)定后下降，開挖至吊腳樁深度之前土壓力呈穩(wěn)定波動趨勢，到鎖腳錨桿施工階段，土壓力的變化基本穩(wěn)定，此后將進入急劇下降至平穩(wěn)階段。變化最大值出現(xiàn)在基坑西側(cè)處（TY01-01），數(shù)值為6.64kPa，控制值為100%f2，壓力變量小于控制值，其他部位土壓力數(shù)值均小于TY01-01。

5 結(jié)論

青島地鐵某區(qū)間隧道采用暗挖法與明挖法相結(jié)合的施工工法，區(qū)間暗挖段穿越飽水礫砂層，明挖段穿越張村河砂層段，工程難度高，文章總結(jié)了遼東區(qū)間隧道穿越過程遇到工程重難點，分析了風(fēng)險處理對策，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況，主要得到以下結(jié)論：

（1）青島地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層整體條件較好，但在線路選型中不可避免地穿越富水砂層的情況。由于富水砂層段具有不連續(xù)，層厚極不均勻，變化頻繁等特點，所以盾構(gòu)法不適用，因此在復(fù)雜條件下，該區(qū)間選擇了更具有普適性的礦山法暗挖和明挖法進行開挖。

（2）針對暗挖隧道穿越飽水礫砂地層，文中提出采用輕型井點或管井進行降水，注漿方式采用可注性較強的填充擠壓和剪切劈裂注漿兩種方式，開挖方法采用上下臺階預(yù)留核心土和臨時仰拱法方法，可有效控制地層變形。

（3）針對明挖隧道穿越張村河和張村河橋等風(fēng)險工程特點，提出在下穿段圍護樁上布設(shè)深層水平位移和樁頂沉降監(jiān)測項目，在張村河橋布設(shè)橋墩沉降及傾斜變形監(jiān)測點，并布設(shè)了支撐軸力以監(jiān)測其支撐的受力情況，確?；又ёo和橋體結(jié)構(gòu)安全可控。

（4）該區(qū)間施工過程中整體變形較小，各部位變形隨開挖有所發(fā)展，但最終趨于平穩(wěn)，變形可控未發(fā)現(xiàn)大變形、開裂等情況。施工過程中變形控制和環(huán)境影響控制方面控制效果良好，未造成路面塌陷、管線破裂等事故，對周邊環(huán)境未帶來不利影響。

參考文獻：

[1]吉小明，呂緯.含水砂層隧道圍巖失穩(wěn)破壞機制及控制研究現(xiàn)狀綜述[J].巖土力學(xué)，2009，30：291-296.

[2]周躍峰.北崗隧道穿越軟弱破碎帶施工方法的探討[J].山西建筑，2007，33（19）：313-314.

[3]侯軍紅.太中銀鐵路崗城隧道突泥塌方處理[J].鐵道工程學(xué)報，2009（10）：74-78.

[4]賈建波，焦蒼.天津地鐵淺埋暗挖隧道地表變形分析[J].隧道建設(shè)，2006，26（1）：18-20.

[5]錢源.廣州地鐵客村聯(lián)絡(luò)線岔口段隧道工程地面沉降原因分析及控制[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2003，16（增刊）：19-22.

[6]晉學(xué)輝.淺埋鐵路隧道下穿高速公路技術(shù)分析[J].公路交通技術(shù)，2018，34（04）：89-94.

[7]牛曉凱，張頂立，高西洋，等.地鐵車站順行密貼下穿既有隧道安全風(fēng)險評估[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2018，42（03）：95-102.

[8]何志軍.地鐵區(qū)間隧道下穿福廈鐵路風(fēng)險分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2018，62（08）：105-110.

[9]張龍.隧道小凈距下穿公路隧道施工風(fēng)險分析及控制措施[J].山西建筑，2018，44（14）：175-176.

[10]張煜.盾構(gòu)隧道下穿高速公路高架橋施工安全風(fēng)險評估[J].價值工程，2017，36（30）：59-61.

[11]付賀，李千山.淺埋暗挖礦山法隧道下穿河道初支施工技術(shù)淺析[J].江蘇建筑，2017（03）：60-62+88.

[12]王建.濟南軌道交通R1線盾構(gòu)隧道穿越施工風(fēng)險分析及控制技術(shù)研究[D].山東科技大學(xué)，2017.