淺埋暗挖電力隧道穿越砂卵石地層時地上建筑物沉降控制研究

◎馬儒良

前言：

淺埋暗挖法具有靈活多變、不拆遷、不影響交通、不破壞環(huán)境、綜合造價(jià)較低、支護(hù)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在我國地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于砂卵石地層非常松散，無粘結(jié)性，作為隧道圍巖自穩(wěn)能力幾乎為零，因此隧道開挖前須進(jìn)行超前支護(hù)，以提高砂卵石層的自穩(wěn)能力。如何控制建筑物（構(gòu)筑物）和相關(guān)管線的沉降，保證建、構(gòu)筑物的安全和人員安全，是穿越卵石地層淺埋電力隧道施工的關(guān)鍵。為此需對砂卵石地層隧道施工的地面沉降控制進(jìn)行研究。

一、電力隧道修建的必要性

電力隧道是城市交通不斷發(fā)展的結(jié)果，世界上，很多諸如巴黎、倫敦等歐美城市交通發(fā)展趨勢都已呈現(xiàn)為地下化，他們的城市交通配電線路地下化比例已接近100%，對比我國目前很多仍以架空線路為主的城市來說，修建實(shí)行輸電和配電線路的電力隧道已經(jīng)十分必要。通過修建電力隧道可以改善城市面貌，節(jié)約城市地上空間資源，通過穩(wěn)定的地下輸電和配電可以給城市發(fā)展帶來巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

二、淺埋深挖技術(shù)特點(diǎn)及原理

淺埋暗挖技術(shù)實(shí)施的項(xiàng)目多數(shù)會使用矩形框架來建造市政工程隧道，只有少數(shù)的工程會使用拱形框架。某工程項(xiàng)目如圖1 所示。淺埋暗挖技術(shù)的施工要點(diǎn)主要分為以下五點(diǎn)：圍護(hù)框架、降低基坑內(nèi)的水位、開挖土方石、主體框架建設(shè)、施工后的恢復(fù)工作，這五點(diǎn)在開挖過程中需要格外注重。淺埋暗挖技術(shù)在施工中使用最為頻繁的支護(hù)方法是樁和內(nèi)支撐物以及錨桿為一體的方法。隧道淺埋暗挖支護(hù)工程隸屬于臨時性的工程項(xiàng)目，但是在具體施工期間會貫穿于全過程中，所以施工期限比較長。隧道淺埋暗挖支護(hù)具有多種不同的類型，在整體上非常復(fù)雜，且施工規(guī)模很大，在施工期間會面臨各種各樣的問題，施工環(huán)境或隨著地質(zhì)情況導(dǎo)致復(fù)雜系數(shù)逐漸增加，主要是因?yàn)樵诘罔F工程建設(shè)中，隧道支護(hù)施工對顯著增強(qiáng)地基的穩(wěn)定性和安全性起到很好的作用，通常體現(xiàn)在能夠避免土地出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象等，促使其作用得到全面的發(fā)揮。同時，在隧道淺埋暗挖支護(hù)工程施工中，關(guān)于土體變動的情況也對維護(hù)整體施工的安全性和穩(wěn)定性具有重要影響。

圖1 淺埋暗挖示意圖（單位：mm）

隨著我國地鐵工程規(guī)模的擴(kuò)大，隧道淺埋暗挖已成為淺埋暗挖中關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)，該技術(shù)的有效結(jié)合使地鐵工程的穩(wěn)定性、安全性以及質(zhì)量得到了保障，也推動了地鐵工程領(lǐng)域的發(fā)展。在淺埋暗挖中難免會遇到地下水資源較多的地區(qū)，為了防止在開挖過程中造成地下水大量泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致土方開挖時產(chǎn)生坍塌現(xiàn)象，在開挖之前需要做好降低地下水位的工作和相應(yīng)的勘察工作，結(jié)合淺埋暗挖現(xiàn)場的周邊環(huán)境、土質(zhì)環(huán)境以及地下管道分布情況，選擇最為合適的淺埋暗挖方式，比如橫向、縱向、豎向等形式，主體框架的淺埋暗挖可以使用混凝土進(jìn)行澆筑。淺埋暗挖法是一種在離地表很近的地下進(jìn)行各種類型地下洞室暗挖施工的方法。在明挖法、盾構(gòu)法不適應(yīng)的條件下，如北京長安街下的地鐵修建工程，淺埋暗挖法顯示出了巨大的優(yōu)越性。

三、價(jià)值分析

1.以往已經(jīng)有類似工程在沉降變形敏感的地方運(yùn)用淺埋暗挖法。隧道挖掘之后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對較好，并且圍巖變形量也相對理想，結(jié)構(gòu)受力與位移變形值能很好地控制，所以倘若交通沒有中斷，依然能進(jìn)行暗挖施工。

2.選擇暗挖法下穿公路具備技術(shù)可靠性，可是因?yàn)閷?shí)際作業(yè)中掛車通行要被限制，要防止隧道出現(xiàn)嚴(yán)重變形問題，避免出現(xiàn)坍塌問題。

3.隧道進(jìn)出洞口位置是作業(yè)中的難點(diǎn)與危險(xiǎn)點(diǎn)，因此進(jìn)洞前應(yīng)運(yùn)用切實(shí)有效的加固手段，還應(yīng)在隧道進(jìn)出口第一時間完成鎖口操作。

四、淺埋暗挖技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)

1.周邊環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

在建設(shè)的開挖過程中，由于天氣屬于不可控制的因素，可能會出現(xiàn)雨季降水量過大或者管道出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象導(dǎo)致施工周邊的建筑物或者主要的水管路線破裂，導(dǎo)致挖掘的基坑出現(xiàn)嚴(yán)重積水的問題。除此之外，隧道上方及周圍的土質(zhì)水分含量過大，也會對隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，大量的水分存在土壤之中，也在不斷破壞土體的基本結(jié)構(gòu)。

2.管道滲漏產(chǎn)生的問題。

在建設(shè)的過程中地下水管出現(xiàn)滲水、漏水的現(xiàn)象，則會使施工周邊土壤的含水量增加，對土體的結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞和影響，在施工操作時可能會出現(xiàn)土體坍塌的現(xiàn)象。管道滲漏風(fēng)險(xiǎn)問題屬于目前市政隧道工程淺埋暗挖技術(shù)應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)生的缺陷，出現(xiàn)的原因可能是施工組織管理工作方式落后，不能及時發(fā)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)滲漏風(fēng)險(xiǎn)問題，難以快速應(yīng)對處理，導(dǎo)致工程質(zhì)量降低。

3.質(zhì)量層面的風(fēng)險(xiǎn)。

出現(xiàn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問題的原因主要是在工程施工期間所使用的技術(shù)與地域情況不符，沒有在施工之前因地制宜地制定和完善技術(shù)方案，導(dǎo)致在工程建設(shè)期間發(fā)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)問題，嚴(yán)重影響工程建設(shè)效果，難以將淺埋暗挖技術(shù)在市政隧道工程中的作用發(fā)揮出來。同時，在工程技術(shù)應(yīng)用的過程中沒有合理使用檢測措施，缺少完善的檢測工作方案，不能及時、準(zhǔn)確地識別質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)隱患問題，導(dǎo)致工程質(zhì)量降低。

五、淺埋暗挖技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用方法

1.從組織方面開展控制。

在暗挖之前需組織一支專業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)控制團(tuán)隊(duì)，完善的風(fēng)險(xiǎn)安全控制體系不但可以保證暗挖能夠順利開展，而且能在一定程度上提升開挖過程中的安全性，在管理的過程中需要明確個人或者團(tuán)隊(duì)需要承擔(dān)的相應(yīng)責(zé)任，將職責(zé)和任務(wù)落實(shí)到個人的身上，督促開挖現(xiàn)場的安全措施是否有效落實(shí)，做好各項(xiàng)安全工作，定期檢查開挖周圍的環(huán)境，保證周邊環(huán)境不會對開挖產(chǎn)生影響。同時，對開挖技術(shù)人員進(jìn)行安全防范以及緊急避險(xiǎn)的培訓(xùn)，保證開挖人員在出現(xiàn)事故的第一時間內(nèi)能夠快速做出正確的自我保護(hù)措施，如果發(fā)現(xiàn)暗挖中設(shè)備存在問題，及時采取維護(hù)措施，避免發(fā)生重大事故。

2.從管理方面進(jìn)行控制。

在暗挖的過程中，需要結(jié)合實(shí)際情況制定安全管理制度，確保制度的實(shí)用性以及規(guī)范性，在開挖過程中有一套符合標(biāo)準(zhǔn)的管理制度，不僅能夠降低暗挖中安全事故的發(fā)生率，而且能在一定程度上調(diào)動技術(shù)人員的工作積極性。此外，需要對暗挖技術(shù)人員做好相應(yīng)的崗前培訓(xùn)工作，加強(qiáng)技術(shù)人員對技術(shù)要點(diǎn)的掌握程度，避免在暗挖中由于技術(shù)水平的問題造成質(zhì)量不合格、需要返工等情況。除此之外，參建企業(yè)或者相關(guān)政府部門如果發(fā)現(xiàn)暗挖中存在嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)問題，或者可能會導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)的問題，需要及時停工，采取措施解決或者整頓問題，確認(rèn)無問題后方可繼續(xù)施工，以確保在地鐵建設(shè)中工作人員的生命安全。

3.淺埋暗挖技術(shù)在市政工程隧道施工中的應(yīng)用檢測。

為了解隧道的狀況，需要對隧道進(jìn)行淺埋暗挖技術(shù)應(yīng)用監(jiān)測，分析隧道是否存在異常，及時采取修補(bǔ)措施以保證地鐵穩(wěn)定性。但是隨著地鐵里程的增加，傳統(tǒng)的淺埋暗挖技術(shù)應(yīng)用監(jiān)測工作已經(jīng)不能滿足需求，為此，必須使用掃描技術(shù)，滿足對地鐵淺埋暗挖技術(shù)應(yīng)用監(jiān)測的需要。在實(shí)際的監(jiān)測工作中，應(yīng)合理設(shè)置隧道施工工程重點(diǎn)結(jié)構(gòu)，超聲波設(shè)備掃描系統(tǒng)可以及時發(fā)現(xiàn)可能存在的質(zhì)量問題或其他缺陷，便于施工部門按照檢測結(jié)果針對性處理，在維護(hù)工程質(zhì)量的同時增強(qiáng)工程的建設(shè)水平和強(qiáng)度。除此之外，企業(yè)還需在應(yīng)用淺埋暗挖技術(shù)的過程中組建專門的工程監(jiān)測隊(duì)伍，要求每位人員掌握監(jiān)測的技術(shù)方式、專業(yè)知識、技術(shù)手段，通過專業(yè)性的檢測方式應(yīng)對可能存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患問題，確保技術(shù)在隧道工程施工過程中的高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)用。

4.相關(guān)技術(shù)的可靠運(yùn)用。

（1）上臺階施工。

為實(shí)現(xiàn)施工項(xiàng)目安全性的提高，必須在施工之前，加強(qiáng)對設(shè)計(jì)圖紙的分析，結(jié)合實(shí)地勘察結(jié)果，對現(xiàn)場地質(zhì)情況進(jìn)行全面掌握。實(shí)際施工中，圍繞周邊土體進(jìn)行擺噴施工，確保土體穩(wěn)定性。上臺階施工的時候，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)管線，并合理控制開挖階段的圍巖擾動指標(biāo)，用風(fēng)鎬進(jìn)行開挖。在實(shí)際開挖的時候，應(yīng)從拱部位置開始，預(yù)留中心部位，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，及時將開挖施工中產(chǎn)生的土方運(yùn)到下臺階區(qū)域，保障開挖、支護(hù)的同步進(jìn)行。

（2）下臺階施工。

下臺階施工中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，合理應(yīng)用挖掘機(jī)，按照施工圖紙的要求，逐步開展開挖作用，施工至中央位置的時候，應(yīng)結(jié)合施工實(shí)情，對土體開挖中的兩側(cè)輪廓指數(shù)進(jìn)行合理調(diào)控。開挖作業(yè)完成之后，對兩側(cè)輪廓進(jìn)行一一修正、處理，以控制土體擾動問題。一般來說，應(yīng)該將隧道下臺階開挖深度控制在1m，在開挖完成后，應(yīng)及時開展支護(hù)作業(yè)，并要確保支護(hù)的效果，以形成封閉圈，保障施工質(zhì)量。為確保實(shí)際施工過程中的安全性，應(yīng)注意避免超出循環(huán)進(jìn)尺范圍。

（3）管棚支護(hù)。

超前支護(hù)環(huán)節(jié)中，管棚施工有著明顯的簡易性特征，施工成本相對較低，可根據(jù)管井規(guī)格，合理選擇施工材料。如果鋼管兩端的支護(hù)體系規(guī)模已經(jīng)符合要求的情況下，便可以有效降低開挖過程中的變形量。其原因在于，管棚本身具有支護(hù)能力，設(shè)置在鋼管兩端的支護(hù)梁彈性支撐系數(shù)較大，充分發(fā)揮兩者的作用，便可以確保穩(wěn)定性。上方地層變形主要包括繞曲變形、端頭支撐變形，實(shí)際施工中可以通過對管棚高度、支撐量剛度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，來滿足支護(hù)階段的系數(shù)要求，確保支護(hù)效果。這樣也可以為后續(xù)施工奠定良好的基礎(chǔ)，有利于確保市政隧道施工質(zhì)量。

六、建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

控制建筑物沉降，須確定建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜，對中低壓縮性土，變形允許值為2‰。由于巖土工程的不確定性，本次穿越房屋段的控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。當(dāng)承重墻的差異沉降大于30mm 時原有裂縫發(fā)展加劇，同時開始出現(xiàn)新裂縫。為保證安全，將控制標(biāo)準(zhǔn)確定為差異沉降應(yīng)不大于0.5‰，裂縫應(yīng)不大于1mm，差異沉降量不大于20mm，地表沉降量應(yīng)不大于30mm。差異沉降控制主要考慮相鄰結(jié)構(gòu)承重柱的差異沉降，計(jì)算得出東西柱之間差異沉降應(yīng)不大于2.5mm，南北柱之間差異沉降應(yīng)不大于2.1mm；基礎(chǔ)沉降量小于12mm，扣除前期沉降后其基礎(chǔ)最大沉降量應(yīng)不大于6.11mm。

七、電力隧道圍巖加固方案比選

為保證電力隧道下穿華國匯攪拌站辦公樓時圍巖加固方案的可靠性，電力隧道穿越施工之前，需選定試驗(yàn)段，進(jìn)行現(xiàn)場圍巖加固試驗(yàn)的研究?，F(xiàn)場選定的試驗(yàn)段長度為80m，試驗(yàn)段施工時試驗(yàn)人員應(yīng)密切觀察圍巖的變化，專業(yè)人員結(jié)合以往工程施工經(jīng)驗(yàn)、注漿工藝施工方法、施工原理等，及時了解掌握鉆孔成孔的情況和注漿的效果，試驗(yàn)人員做好詳細(xì)的現(xiàn)場試驗(yàn)記錄，拍攝好影像資料，供相關(guān)專家判別，根據(jù)成孔和注漿效果及時調(diào)整注漿漿液的配合比、注漿壓力。最終根據(jù)試驗(yàn)段研究，確定經(jīng)濟(jì)合理可行的施工方案。

1.方案一。

開挖前對地層進(jìn)行地面深孔注漿加固，將水泥漿液由地面注入需加固的土層范圍內(nèi)。

地面注漿施工工藝：（1）鉆孔；（2）掃孔；（3）注漿管注；（4）制漿；（5）注漿。

注漿過程中需時刻關(guān)注注漿情況，觀察注漿地表的變化，并根據(jù)注漿情況調(diào)整注漿漿液的配合比和注漿壓力。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿壓力。

采用本方案遇到以下問題。

（1）注漿量比原計(jì)劃注漿量多將近一倍，材料消耗太大。

（2）隧道開挖面范圍內(nèi)，存在大范圍漿液與卵石的固結(jié)體，隧道開挖難度大幅增加。

2.方案二。

管棚支護(hù)施工，在隧道拱頂兩層格柵之間根據(jù)注漿角度安裝長400mm、壁厚4mm 鋼套管，套管與套管之間密排并與格柵焊牢固；

108 鋼管切成2m 一段，第一段焊接鉆頭，管與管之間密排并用套筒連接，最后一段鉆進(jìn)后焊接10mm 厚堵板，安裝32 球閥，導(dǎo)管四周鉆設(shè)孔徑12mm 注漿孔（靠閥門端1.1m 處的棚管不鉆孔），孔間距400mm，呈梅花形布置?？组g距為150mm。

接長鋼管應(yīng)滿足受力要求，相鄰鋼管的接頭應(yīng)前后錯開。同一橫斷面內(nèi)的接頭數(shù)不大于50%，相鄰鋼管接頭至少錯開1m。鋼管安裝完畢后端部與初襯格柵相焊接。鋼管施工誤差不大于50mm。

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，大管棚支護(hù)能保證施工質(zhì)量和安全，地面和建構(gòu)筑物的沉降也能保證，但經(jīng)費(fèi)用核算后，由于造價(jià)過高，技術(shù)升方面可行，而經(jīng)濟(jì)方面不合理，被迫放棄。

3.方案三。

沿電力隧道拱頂180°范圍打設(shè)自進(jìn)式錨桿，進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)。架設(shè)完每鋼榀架后，在鋼榀架中預(yù)埋50PVC 塑料管作為自進(jìn)式錨桿導(dǎo)向管，隧道初襯混凝土噴射完成后，用風(fēng)鉆打入自進(jìn)式錨桿，錨桿向上傾斜12°～15°打設(shè)，并將錨桿尾部焊接在已架好的格柵鋼架上，錨桿外露5cm 以利于安設(shè)注漿管路。用速凝水泥漿封孔，在水泥漿硬化后進(jìn)行水泥砂漿壓注。為保證注漿效果，自進(jìn)式錨桿單孔長度不小于1.8m，設(shè)置間隔250mm 的6 梅花形布置的注漿孔，尾部0.4m 范圍內(nèi)不打設(shè)注漿孔，管壁加厚，端頭安裝特制鉆頭。注漿采用水泥、改性水玻璃雙液漿液，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa。

此方案基本無坍塌，開挖輪廓控制好，拱頂穩(wěn)定。由于漿液采用水泥、改性水玻璃雙液漿，在隧道開挖過程中，其開挖難度比純水泥漿減小很多。

通過對3 個方案圍巖加固方案進(jìn)行比較與分析，自進(jìn)式錨桿超前注漿施工方法簡單，加固時間較短，注漿效果良好，對砂卵石地層的加固效果很好。因此，綜合考慮，確定電力隧道圍巖加固采用單自進(jìn)式錨桿注漿加固。為進(jìn)一步加強(qiáng)對地面建筑物的保護(hù)，本區(qū)段格柵榀距由0.5m 改為0.4m，并在拱腳打設(shè)長1.5m 的自進(jìn)式鎖腳錨桿，壓注水泥、改性水玻璃雙液漿液，防止上部拱架因地層壓力過高而不穩(wěn)，并在其拱腳設(shè)鋼墊板，以控制格柵下沉。

結(jié)語：

1.砂卵石地層淺埋暗挖電力隧道施工時，為保證地面建筑物的安全，應(yīng)采用現(xiàn)場試驗(yàn)等手段獲取控制標(biāo)準(zhǔn)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、采取有效的隧道圍巖加固方案、隧道土方開挖方法和施工過程，嚴(yán)格控制隧道超挖和欠挖，采取信息化、數(shù)字化施工手段，全過程質(zhì)量控制和風(fēng)險(xiǎn)管控，及時調(diào)整施工工藝參數(shù)，使風(fēng)險(xiǎn)控制到最低。

2.淺埋暗挖隧道施工應(yīng)加強(qiáng)新工藝新技術(shù)方面的研發(fā)和應(yīng)用，加強(qiáng)信息化管理和動態(tài)過程控制，過程檢測、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化分析與施工，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整施工工藝，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全和社會安全。

3.淺埋暗挖隧道穿越砂卵石地層時，只要采取合理的注漿加固措施，利用信息化施工，做好監(jiān)控和監(jiān)測，及時調(diào)整施工參數(shù)，遵守“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的方針，便可保證施工安全和地表路面的安全性及出行的舒適性。

4.進(jìn)行隧道背后回填注漿，防止由于隧道和地層間的空隙造成地面沉降，及時采取雷達(dá)探測，發(fā)現(xiàn)隧道與地層間存在空隙時，及時進(jìn)行注漿補(bǔ)救，最大限度地保證地面建（構(gòu)）筑物及地下管線的安全。