富水地層隧道淺埋暗挖施工技術(shù)

王志田

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司，北京 100018）

通常在地鐵建設(shè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)隧道長(zhǎng)度不夠、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、截面尺寸過(guò)小等問(wèn)題，為保證地鐵施工質(zhì)量，僅借助傳統(tǒng)盾構(gòu)施工技術(shù)是不夠的。因此，為提高施工效率和質(zhì)量，本文重點(diǎn)研究淺埋暗挖技術(shù)，對(duì)富水地層隧道淺埋暗挖技術(shù)的提升有重大幫助。

1 工程概況

橫嶺隧道起點(diǎn)是廣東省河源市東源縣仙塘鎮(zhèn)，終點(diǎn)是廣東省河源市紫金縣臨江鎮(zhèn)。隧道內(nèi)單洞雙線，進(jìn)出口里程分別為DK272+521.19—DK280+396，全長(zhǎng)7 874.81m。隧道經(jīng)過(guò)低矮、復(fù)雜多變的山區(qū)，沿線地形標(biāo)高65.535～340.800m，測(cè)試區(qū)域標(biāo)高最大值是340.80m，極差275.260m。隧道埋深12.65～201.90m。隧道起點(diǎn)處沒(méi)有附屬道路，交通十分不便；隧道終點(diǎn)有小路分流，交通較為便利。

2 隧道開(kāi)挖過(guò)程控制

如果隧道因土層因素出現(xiàn)豎向變形或下沉現(xiàn)象，此時(shí)有必要對(duì)其采取支護(hù)措施。一項(xiàng)合理的支護(hù)方案可以提升隧道穩(wěn)定性，但當(dāng)支護(hù)措施不夠合理或操作不規(guī)范、不到位時(shí)，土層也很難保持平穩(wěn)狀態(tài)，土層會(huì)因未及時(shí)得到支護(hù)持續(xù)下沉、變形。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，隧道埋設(shè)或地層環(huán)境等因素均會(huì)對(duì)其造成影響。在所有影響因素中，以施工方式不當(dāng)所帶來(lái)的影響最為明顯。

基于暗挖施工，可充分發(fā)揮圍巖的荷載能力，由此起到初期支護(hù)效果。完成隧道開(kāi)挖作業(yè)后，在圍巖荷載作用下進(jìn)行噴錨處理。為進(jìn)一步提升圍巖荷載力，一定要保證錨噴和圍巖黏合牢固，避免圍巖出現(xiàn)大幅松動(dòng)，從而幫助支護(hù)與圍巖共同受力。地質(zhì)環(huán)境、埋深、尺寸等是影響隧道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，當(dāng)隧道周圍環(huán)境條件惡劣時(shí)，可采用環(huán)形臺(tái)階開(kāi)挖法，不僅能降低施工難度，而且可有效解決城市隧道沉降的問(wèn)題。降水及加固掌子面是隧道開(kāi)挖之前施工的重點(diǎn)。

隧道工程中有“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的15字方針，是有效解決砂層沉降的法寶，保證技術(shù)操作符合方針中的要求，掌控每個(gè)施工細(xì)節(jié)。以下建議也可有效控制下沉。

1）施工時(shí)掌控好每個(gè)臺(tái)階的高低距離，盡量保證施工操作干凈利落，封閉快、早成環(huán)。

2）保證上臺(tái)階拱架和拱腳處理到位，位置保持緊密。借助水泥墊板穩(wěn)固拱腳，將其放置在連接板下，同時(shí)注重鎖腳錨管及注漿質(zhì)量。

3）定期在初期支護(hù)背后進(jìn)行回填注漿。初期支護(hù)與土體會(huì)發(fā)生分離的情況，一方面與混凝土自重有關(guān)，另一方面則受噴射密實(shí)度的影響，此時(shí)會(huì)對(duì)初期支護(hù)和圍巖的安全產(chǎn)生威脅并造成土層不穩(wěn)定，最終初期支護(hù)與圍巖無(wú)法共同受力。因此，時(shí)刻檢查并及時(shí)回填注漿，是保證初期支護(hù)正常使用的最大保障，有助于及時(shí)止水、鞏固承載體、改善結(jié)構(gòu)的受力處境及解決地層下沉。

由于在富水砂層施工過(guò)程中圍巖的平衡時(shí)間有限，所以施工關(guān)鍵點(diǎn)是保證每個(gè)步驟能夠快速完成，一定要封閉快，所有步驟要在圍巖失去平衡之前完成，否則圍巖坍塌的后果十分嚴(yán)重。所以，安置拱架、噴射混凝土等步驟一定要把控好時(shí)間。能否完全控制土層下沉，不僅受到設(shè)備及優(yōu)化方案的影響，而且施工工藝、操作技術(shù)也直接影響土層下沉，存在的影響因素頗多，常見(jiàn)的有拱架焊接工作、臺(tái)階間距及連接筋等，以上任何一個(gè)步驟不符合操作規(guī)范都會(huì)導(dǎo)致土層沉降，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致塌方。

3 富水地層鐵路隧道淺埋暗挖施工技術(shù)

3.1 研究計(jì)算數(shù)值

1）無(wú)核心土無(wú)超前支護(hù)臺(tái)階法的計(jì)算結(jié)果 因?yàn)樗淼篱_(kāi)挖越深，就會(huì)釋放出更大的應(yīng)力，這是導(dǎo)致地層變形的關(guān)鍵因素，所以在隧道施工期間應(yīng)該著重注意釋放應(yīng)力。因?yàn)閼?yīng)力同時(shí)會(huì)引起地層變形，如果開(kāi)挖的上臺(tái)階長(zhǎng)度小于1.5m，不會(huì)影響地層變形，往往開(kāi)挖時(shí)隧道工作面的前、后方20m周圍是出現(xiàn)地層沉降頻率最高的地點(diǎn)。同時(shí)，位于隧道拱腳上部的地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，極易出現(xiàn)變形，而隧道底部則設(shè)置回彈區(qū)，因此在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)注重仰拱部分的施工?？臻g效應(yīng)是隧道工程的常見(jiàn)現(xiàn)象，也是引起地表沉降的主要原因，所以施工時(shí)要十分關(guān)注該處，地表沉降總量會(huì)達(dá)到60%，主要沉降地點(diǎn)是開(kāi)挖面10～20倍洞徑范圍之內(nèi)。如果開(kāi)挖長(zhǎng)度小于1.5m，不會(huì)影響地層變形，隧道地表才可穩(wěn)定。

2）采用無(wú)核心土無(wú)超前支護(hù) 當(dāng)隧道施工借助這種方法時(shí)，要采取開(kāi)挖上臺(tái)階進(jìn)尺2m的臺(tái)階。各施工步驟沉降量如圖1所示。

圖1 各施工步驟沉降槽

由圖1看出，超前支護(hù)臺(tái)階法與無(wú)超前支護(hù)臺(tái)階法對(duì)底層變形有不同的作用。比較2種方法，超前支護(hù)可起到控制地層變形的作用，并且在地表沉降方面第1種方法比第2種方法多80%。隧道中變形最嚴(yán)重的區(qū)域集中在開(kāi)挖面前后20m之內(nèi)的地層，整體以“V”形擴(kuò)散。隨著隧道開(kāi)挖位置的改變，地表沉降現(xiàn)象也存在明顯差異。經(jīng)驗(yàn)表明，在對(duì)上臺(tái)階部分進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)地表沉降最明顯，所以在施工期間要有效控制上臺(tái)階開(kāi)挖所造成的影響，以防后患。同時(shí)，開(kāi)挖下臺(tái)階也會(huì)對(duì)地層造成一定影響，所以隧道施工初期的支護(hù)工作不可避免。

無(wú)核心土無(wú)超前支護(hù)臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法具有較高的相似性，具體體現(xiàn)在地表沉降、地層變形等方面。但如果比較單側(cè)壁導(dǎo)坑法和無(wú)超前支護(hù)無(wú)核心土臺(tái)階法所引起的地表沉降和地層變形程度，前者明顯要小于后者?；跀?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，單側(cè)壁導(dǎo)坑法可起到良好的地表變形控制效果，基于此方法所產(chǎn)生的地表沉降及地層變形均得到良好地控制，還有助于鞏固拱頂，不會(huì)引起隧道拱頂出現(xiàn)受拉情況。

比較單側(cè)壁導(dǎo)坑法與臺(tái)階法，前者可更有效地控制隧道圍巖的變形，不過(guò)其施工技術(shù)要求較高，而且節(jié)點(diǎn)處沒(méi)有足夠條件對(duì)隧道進(jìn)行防水。比較多種數(shù)據(jù)、施工技術(shù)、后期效果，發(fā)現(xiàn)無(wú)核心土有超前支護(hù)臺(tái)階法也能有效控制隧道圍巖變形。本隧道工程最終決定采取無(wú)核心土有超前支護(hù)臺(tái)階法。

3.2 研究計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述資料進(jìn)行分析可知，無(wú)論是否存在地下水，所對(duì)應(yīng)的地表沉降槽曲線形狀均大體相當(dāng)。但比較隧道施工區(qū)域存在地下水和不存在地下水的情況，兩者對(duì)地表沉降的影響也不同，隧道存在地下水時(shí)地表沉降會(huì)增加40%。顯而易見(jiàn)，前者造成的后果更為嚴(yán)重，這與地層中的水體出現(xiàn)持續(xù)下降的現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)，在孔隙水壓力持續(xù)減少的影響下必然會(huì)導(dǎo)致地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。由此可知，在圍繞富水段展開(kāi)淺埋暗挖施工時(shí)，應(yīng)格外注重地下水所帶來(lái)的影響（見(jiàn)圖2）。

由圖2可知，盡管地下水并不會(huì)對(duì)地層變形等方面造成影響，但它會(huì)加劇拱頂沉降程度，且沉降區(qū)主要集中在隧道上方地表25m區(qū)域。

圖2 隧道地表沉降槽

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

為確保數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性、可靠性及合理性，在本次隧道工程開(kāi)挖施工期間，對(duì)隧道的地表沉降、水平收斂、拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。拱頂及地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 拱頂與地表沉降

由圖3可知，當(dāng)考慮地下水所帶來(lái)的影響后，地表沉降實(shí)測(cè)結(jié)果與預(yù)期值具有高度相似性。無(wú)論是否考慮地下水的影響，實(shí)測(cè)的水平收斂變形現(xiàn)象都極為微弱，盡管其不會(huì)帶來(lái)明顯影響，但并不代表施工中可忽略此部分因素。隨著隧道埋深的加大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的拱頂及地表沉降現(xiàn)象也更明顯，開(kāi)挖隧道過(guò)程中會(huì)對(duì)地層變形造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

淺埋暗挖施工是隧道施工中的關(guān)鍵技術(shù)，施工效率較高，拆遷量較少，在施工中靈活性較高，對(duì)于富水地層環(huán)境而言具有較高可行性，是隧道工程不可缺少的一部分。本文圍繞淺埋暗挖施工展開(kāi)探討，提出其應(yīng)用方法，實(shí)際成果表明此方式具有良好的可行性，可顯著提升施工質(zhì)量。