地鐵淺埋暗挖施工沉降控制技術(shù)核心探索

文／宋立勛 中國水利水電第四工程局有限公司 青海西寧 810007

1、地鐵淺埋暗挖施工沉降的影響因素

1.1 地層土體性質(zhì)

在地鐵淺埋暗挖施工活動中，地層土體性質(zhì)屬于重要的影響因素。基于隧道受力情況展開系統(tǒng)分析，對于淺埋暗挖隧道，一般認為隧道上覆地層已無自承載能力，其荷載應(yīng)全部由隧道結(jié)構(gòu)承擔。例如，一些地區(qū)地鐵車站上部覆土層的孔隙率較高，含水量非常豐富，此類土層在失水固結(jié)處理后，很容易帶來地基沉降問題。部分地區(qū)的土層屬于強風化巖層，此類巖層的強度相對較低，在對其進行開挖時，受到土層內(nèi)部應(yīng)力影響，容易引起周邊土體的松弛變形和甚至出現(xiàn)坍滑，同時也會帶來地層損失問題，導(dǎo)致上部出現(xiàn)沉降類問題。

1.2 地下水水位

為了降低工程開挖對地上結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，地鐵開挖的深度相對較大。例如，重慶市地鐵紅巖村站的最深距離為116m，遠低于該地區(qū)的地下水位線。在降水工程的施工中，由于水頭差問題也會導(dǎo)致地下水會從開挖位置處滲出，使地層處于持續(xù)失水的狀態(tài)。在此情況下，土層失水也會增加結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力，此時土體中的孔隙及節(jié)理裂隙固結(jié)收縮，從而導(dǎo)致隧道上部出現(xiàn)超前或大范圍的沉降。例如，隧道頂部失水情況的出現(xiàn)，也會讓應(yīng)力更容易集中在拱頂部分，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變或者塌落的情況。

1.3 地層損失和應(yīng)力釋放

在地鐵淺埋暗挖施工活動中，地層損失和應(yīng)力釋放也屬于重要的影響因素。在隧道開挖過程中，地層中的應(yīng)力會逐漸向外進行釋放，釋放工作結(jié)束后又會在地層中重新進行分布，過程中如果沒有對應(yīng)力分布情況進行控制，從而導(dǎo)致土體出現(xiàn)變形問題。例如，部分地區(qū)屬于富水軟弱地層，在開挖過程中很容易造成土體坍塌的情況，進而引起結(jié)構(gòu)沉降問題。在地層坍滑活動的逐漸擴大，這樣也使得地層應(yīng)力釋放不斷增大，帶來更大范圍地沉降問題?；诖?，為了更好地控制地表形變問題，在隧道工程開挖活動中也需要做好地層預(yù)加固、支護等工作，這也是確保淺埋暗挖施工質(zhì)量的重要保障。

1.4 施工方法

在淺埋暗挖施工活動中，臺階法屬于常用的施工技術(shù)，同時該技術(shù)也會對地表沉降帶來較為嚴重的影響性，其帶來的沉降問題相較于CRD工法更為嚴重。但是臺階法在應(yīng)用中的操作便捷性較強、綜合成本相對較低，采取恰當措施進行處理后，可以有效降低地表沉降帶來的負面影響。對此，在地鐵工程淺埋暗挖施工活動中，臺階法屬于常用的施工方法。而臺階法所帶來的影響性主要體現(xiàn)在以下2方面：（1）臺階長度，施工時的臺階長度越長，土體對于工作面的擠壓度越小，工作時的穩(wěn)定性能也越高，反之則越不穩(wěn)定，更容易帶來沉降問題。（2）臺階形狀，施工時的臺階形狀規(guī)則性越強，其受力均勻性也越高，穩(wěn)固性也越強。

1.5 開挖進尺情況

開挖進尺的大小實質(zhì)上是工作面無支護空間的大小，它不僅決定地表下沉及拱頂沉降，而且也影響開挖面的穩(wěn)定性，二者相互作用并以工作面的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)。對軟土隧道，工作面難以自穩(wěn)，必須進行支撐。研究表明，開挖時工作面需支撐的壓力并不大，僅10MPa就足以使工作面短期內(nèi)自穩(wěn)，使開挖順利進行。

1.6 初期支護剛度

除上述提到的影響因素外，工程初期支護剛度也屬于重要的影響因素。在總剛度保持一致的情況下，地層剛度較小時，需要通過增大初期支護剛度的方法來提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。如果初期支護剛度無法達到預(yù)期要求，那么由于其提供的支撐力不足，也會影響到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，從而提升整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的荷載分配，一般情況下二襯結(jié)構(gòu)不承擔施工期荷載，但根據(jù)實際施工及有關(guān)監(jiān)測資料表明，在初期支護活動結(jié)束后地表也會處于較長時間的沉降，在進行二襯施工后，也需要做好相應(yīng)的保護工作，若不滿足應(yīng)用要求，那么也將影響到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而帶來變形沉降問題。

2、地鐵淺埋暗挖施工沉降控制技術(shù)

2.1 樁基托換技術(shù)

該技術(shù)在實際應(yīng)用中的控制原理在于，按要求對建筑物基礎(chǔ)進行加固處理，完成處理后開始進行人工挖孔樁施工，作用是可以將建筑物的荷載分流到灌注樁上，從而提高地層穩(wěn)固性，避免沉降變形問題。在技術(shù)的具體應(yīng)用中，其應(yīng)用流程如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場的實際資料，對于需要換樁結(jié)構(gòu)的具體數(shù)量和布設(shè)位置進行科學化計算，以得到科學的樁基托換方案。（2）根據(jù)完成的設(shè)計方案在地面上進行放線，并標注相關(guān)參數(shù)，便于后續(xù)施工活動的展開。過程中也需要在樁結(jié)構(gòu)周圍布置止水帷幕，減少其他因素帶來的影響性。（3）按要求進行人工挖孔樁施工，過程中也需要在合適位置布置監(jiān)測點，對整個施工過程進行監(jiān)督，確保挖孔樁施工活動的有序進行。（4）在開挖基槽內(nèi)依次進行夾墻梁、穿墻梁、主梁等結(jié)構(gòu)的施工，同時也需要做好臨時支撐作業(yè)，營造良好的工程作業(yè)環(huán)境。所有工作結(jié)束后進行預(yù)應(yīng)力張拉施工，以此來提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，避免結(jié)構(gòu)沉降問題的出現(xiàn)。

2.2 頂升控制技術(shù)

該技術(shù)在實際應(yīng)用中的控制原理在于，按要求對建筑物基礎(chǔ)進行加固處理，完成處理后開始進行預(yù)壓樁施工，搭配千斤頂來對整個結(jié)構(gòu)偏移情況進行糾正，這樣也可以確保結(jié)構(gòu)可以順利分流建筑物荷載，從而提高地層穩(wěn)固性，減少地層沉降變形問題。在技術(shù)的具體應(yīng)用中，其應(yīng)用流程如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場的實際資料，利用計算機軟件來對結(jié)構(gòu)總荷載、預(yù)壓樁荷載、地層荷載等參數(shù)進行科學化計算，并以此為基礎(chǔ)來完成科學性施工方案的擬定。（2）根據(jù)完成的設(shè)計方案在地面上進行放線，并標注相關(guān)參數(shù)，便于后續(xù)施工活動的展開。（3）按要求進行預(yù)壓樁施工，過程中需要先將預(yù)壓樁開挖到設(shè)計深度，同步制作預(yù)制樁，完成開挖工作后下放第一節(jié)預(yù)制樁，樁頂上會安裝千斤頂，借助上部建筑物重力來向下壓制樁結(jié)構(gòu)，相鄰樁結(jié)構(gòu)也會通過預(yù)制鋼板焊接的方式進行固定，以提高整個樁結(jié)構(gòu)施工結(jié)果的合理性。（4）在樁頂結(jié)構(gòu)的兩側(cè)安裝鋼支架，并且在支架兩側(cè)布置千斤頂，待施加壓力達到預(yù)設(shè)壓力后再將樁頂千斤頂支出，確保整個樁身施工結(jié)果的合理性。

2.3 迫降施工技術(shù)

該技術(shù)在實際應(yīng)用中的控制原理在于，利用計算機軟件對建筑物基礎(chǔ)相關(guān)參數(shù)進行整理，隨后選擇開挖某一側(cè)土方，以此來對結(jié)構(gòu)偏移情況進行糾正，使整個建筑物的偏移情況可以得到順利糾正，從而確保整個地層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，降低不均勻荷載帶來的沉降變形問題。在技術(shù)的具體應(yīng)用中，其應(yīng)用流程如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場的實際資料，利用計算機軟件來建立相應(yīng)的三維模型，模型中會對淺埋暗挖施工所帶來的影響性進行科學性分析，并以此來完成迫降施工方案的擬定。（2）根據(jù)完成的迫降施工方案在地面上放樣開挖點，利用機械設(shè)備對土層進行開挖，在開挖到設(shè)計深度后，可以借助上部建筑物重力、土層應(yīng)力來完成結(jié)構(gòu)迫降，從而使整個建筑結(jié)構(gòu)重新恢復(fù)到最為穩(wěn)定的狀態(tài)，提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（3）在結(jié)構(gòu)開挖過程中，也需要做好相應(yīng)的監(jiān)測工作，根據(jù)得到的相關(guān)參數(shù)及時調(diào)整開挖策略，以此提升開挖結(jié)果的合理性，達到預(yù)期的施工要求。

2.4 上部建筑物平移

該技術(shù)在實際應(yīng)用中的控制原理，在計算機軟件輔助下對建筑物基礎(chǔ)相關(guān)參數(shù)進行整理，同時計算上部建筑的總荷載，在建筑下放安裝滾輪結(jié)構(gòu)，在新區(qū)域建立支撐結(jié)構(gòu)，將建筑物平移到新區(qū)域，從而減少上部建筑物和下部地鐵結(jié)構(gòu)之間的相互作用，避免不均勻荷載帶來的沉降變形問題，多用于一些古建筑的搬遷。在技術(shù)的具體應(yīng)用中，其應(yīng)用流程如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場的實際資料，利用計算機軟件來建立待遷移建筑物的三維模型，模型中會對建筑物分布荷載情況、自重荷載等參數(shù)進行計算，并以此來確定最為合理的建筑物平移方案。（2）根據(jù)建筑物平移方案中的相關(guān)內(nèi)容，進行局部加固、安裝移動輪等，確定各項基礎(chǔ)工作滿足要求后，開始進行建筑和基礎(chǔ)的剝離，剝離后檢查原建筑是否出現(xiàn)質(zhì)量問題，做好補強工作后開始進行結(jié)構(gòu)遷移。（3）在建筑物平移的過程中，需要對結(jié)構(gòu)平移速度進行合理化控制，過程中也需要做好相應(yīng)的監(jiān)測工作，及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)，直到結(jié)構(gòu)到達新區(qū)域后將建筑物和新基地關(guān)聯(lián)在一起，從而達到預(yù)期的施工要求。

2.5 注漿加固技術(shù)

該技術(shù)在實際應(yīng)用中的控制原理在于，在地鐵工程施工過程中，選擇在合適位置進行壓力注漿，漿液沿著土層縫隙滲入到層結(jié)構(gòu)中，凝固后可以和原土層組成一個整體，以此來提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，減少施工時的沉降變形問題，是目前常用的變形控制技術(shù)。在技術(shù)的具體應(yīng)用中，其應(yīng)用流程如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場的實際資料，對于需要進行注漿的區(qū)域進行標記，同時也會借助鉆孔工具在相應(yīng)位置進行鉆孔，鉆孔深度根據(jù)地層的實際情況進行確定。相鄰鉆孔間距控制在60-100cm，并且呈梅花形進行布置，以達到預(yù)期的澆筑要求。（2）根據(jù)前期得到的基礎(chǔ)資料，需要做好注漿材料拌和比例的控制工作，做好所使用材料粒度的控制工作，以此來確保注漿活動的順利進行，提高注漿結(jié)果的合理性。（3）在注漿過程中需要將注漿壓力控制在0.3-0.5MPa，保持勻速狀態(tài)進行注漿，等待注漿孔溢漿之后，停止繼續(xù)注漿，等待其凝固后可以在土層中形成整體，提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

2.6 水平旋噴樁技術(shù)

除上述提到的注漿技術(shù)外，在工程變形控制活動中，水平旋噴樁技術(shù)也具有良好的應(yīng)用價值。該技術(shù)在實際應(yīng)用中的控制原理在于，在地鐵工程施工過程中，選擇在合適位置進行高壓注漿，借助高壓液體將土體切碎，使拌和好水泥漿能夠與已切碎土體充分拌和在一起，凝固后可以和原土層組成一個整體，以此來提高整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，也是目前常用的變形控制技術(shù)。在技術(shù)的具體應(yīng)用中，其應(yīng)用流程如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場的實際資料，對于需要應(yīng)用水平旋噴樁技術(shù)的區(qū)域進行標記，同時也會根據(jù)前期得到的基礎(chǔ)資料，確定水平旋噴樁技術(shù)應(yīng)用時的噴射速度、噴射流量、旋轉(zhuǎn)次數(shù)等參數(shù)，制定科學的工程施工方案。（2）根據(jù)前期得到的基礎(chǔ)資料，需要做好注漿材料拌和比例的控制工作，做好各項參數(shù)的控制工作，滿足要求后再進行細致化施工，提升施工結(jié)果的合理性。（3）在水平旋噴樁技術(shù)應(yīng)用過程中，需要對壓力、流量、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)進行控制，完成充分攪拌后按要求做好養(yǎng)護工作，確保材料凝固后可以達到預(yù)期的澆筑效果，滿足相應(yīng)的使用要求。

3、地鐵淺埋暗挖施工沉降控制技術(shù)實例分析

3.1 工程項目概況

該地鐵工程采用淺埋暗挖施工技術(shù)進行施工，工程的斷面尺寸為16.3×11.2m。如圖1所示，該地區(qū)底板所在土層為粉質(zhì)黏土、全風化巖層、強風化巖層，整個隧道工程的洞身大部分都穿過了該地層。隧道頂部為砂層，砂層的總厚度在2.0m左右，而砂層上面也覆蓋了粉質(zhì)黏土和素填土層，在施工時面臨涌水、結(jié)構(gòu)變形、涌砂等問題，進而帶來不規(guī)則沉降問題，威脅地上建筑和地下施工環(huán)境的安全性。在綜合考量各項因素后，選擇水平旋噴樁施工技術(shù)進行施工，以提高整個工程施工結(jié)果的可靠性。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

3.2 水平旋噴樁設(shè)計

結(jié)合該地區(qū)的基礎(chǔ)情況，所布置的水平旋噴樁設(shè)計方案如圖2所示。在應(yīng)用中利用水平定向鉆機在合適位置布置水平孔，在鉆進到預(yù)設(shè)標高之后，會將鉆桿拔出，隨后將噴嘴、鉆桿伸入到的鉆孔內(nèi)，以超過30MPa的壓力將提前配置好的水泥漿注入土體當中，借助高壓狀態(tài)的水泥漿，可以對土層進行快速切削，同時鉆桿的一面也會以20r/min的順序進行旋轉(zhuǎn)，另一面也會以15-30r/min的順序緩慢向外拔，從而確保土體可以和水泥漿充分攪拌在一起，等待其順利硬化之后所形成的土體比較均勻，可以起到0.5-8.0MPa樁體的加固作用。結(jié)合該工程項目的實際情況，在具體的施工過程中，所使用的樁結(jié)構(gòu)直徑為500mm，樁中心間距為350mm，相鄰兩根樁結(jié)構(gòu)相互間咬合150mm，同時在掌子面的布設(shè)中會以1.2m為間距來進行布置，以達到預(yù)期的加固效果。

圖2 水平旋噴樁設(shè)計示意圖

3.3 注漿施工過程

在具體的施工過程中應(yīng)注意以下幾點：（1）基礎(chǔ)準備工作，檢查鉆機設(shè)備的工作狀態(tài)是否正常，同時檢查高壓注漿泵、回油管、啟動柜、鉆具等設(shè)備工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，待滿足要求后可進入下一施工環(huán)節(jié)。（2）進行鉆機安裝，過程應(yīng)遵循“平整工作臺→鋪設(shè)相關(guān)軌道→安裝立柱結(jié)構(gòu)→安裝升降系統(tǒng)→安裝鉆具→相關(guān)參數(shù)調(diào)試”的順序展開的作業(yè)，過程中也需要做好各項誤差參數(shù)的控制工作，如鋼軌的找平誤差不能超過3mm，四柱對角的誤差不能超過5mm，底盤對角線誤差不能超過3mm等，從而為后續(xù)施工活動的推進奠定良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。（3）按要求配置漿液，水和水泥的比例為1:1，攪拌過程不低于3min，確保攪拌結(jié)果的均勻度，而且攪拌好的水泥漿也需要在4h內(nèi)完成使用，滿足相應(yīng)的使用要求。（4）進行水平鉆進，如圖三所示，使用可導(dǎo)向鉆頭進行鉆進，開孔深度控制在0.5-1.0m，并且在鉆進時會先進行2-3個探孔的打設(shè)，根據(jù)獲取到的數(shù)據(jù)調(diào)整后續(xù)工作參數(shù)，確保鉆孔結(jié)果的合理性。（5）將噴嘴、鉆桿伸入到的鉆孔內(nèi)，以超過30MPa的壓力將提前配置好的水泥漿注入土體當中，鉆桿的一面也會以20r/ min的順序進行旋轉(zhuǎn)，另一面也會以15-30r/min的順序緩慢向外拔，等待鉆桿撥至孔口1.0m處，停止繼續(xù)注漿，緩慢拔出鉆桿后進行封孔作業(yè)，完成整個施工過程。

圖3 可導(dǎo)向鉆頭示意圖

3.4 加固效果整理

該技術(shù)的使用可以確保土體和水泥漿充分攪拌在一起，等待其順利硬化之后所形成的土體比較均勻，具有良好的抗滑移、抗?jié)B作用，可以搭建安全的工程作業(yè)環(huán)境。并且根據(jù)監(jiān)測點反饋曲線可以了解到，在高壓水平旋噴樁技術(shù)的應(yīng)用背景下，土層擁有了良好的抬升效果，沒有施工前的沉降量相對較大，最大值可達165mm，而加固工作結(jié)束后地層抬升了110mm左右，從而將地表沉降數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)。

結(jié)語：

綜上所述，通過采取恰當措施來控制地鐵工程沉降問題，對于提高作業(yè)環(huán)境安全性，加快地鐵工程作業(yè)進度有著積極地促進意義。