地铁隧道影响地表沉降的关键要素及其对策.doc

地铁隧道施工中影响地层沉降的关键要素及其对策中铁二十局集团有限公司 吴应明 王学斌摘 要：本文对城市地铁浅埋暗挖隧道施工，特别是采用新奥法施工时影响地层沉降的关键要素进行了分析和探讨，提出了控制地层变形和地表沉降应采取的对策和措施；为城市地铁在软土地层中开挖隧道时，如何有效控制地表沉降提供了借鉴。关键词：地铁；浅埋暗挖；隧道；沉降控制城市地下空间的开发利用，为解决城市交通、停车、贸易、通讯、供水、供电等起到了十分积极的作用；但在地下工程的施工过程中，会带来一系列的问题，如对正常的交通和人们日常生活的影响、噪音、环保、水污染、地表下沉等；如何解决好这些问题，或者将影响降低到最低的限度，是每一个参与地下工程建设的设计及施工的工程技术人员和建设者的共同责任。在地下工程的开挖过程中，不管其结构形式、几何形状如何，埋深多少，土体都会被扰动，原有的平衡状态被破坏，将进行应力重分配，地下土体和地表面或多或少的都会产生位移和变形。特别是城市地铁隧道的埋深一般均较浅，在采用暗挖法施工时更容易产生地层、地表下沉及变形，严重的将危及地面建筑物、城市道路、地下管线等的安全；因此如何控制浅埋暗挖隧道施工过程中的地层、地表下沉和变形，即成为地铁工程施工中的关键环节之一。本文着重就城市地铁浅埋暗挖隧道施工中，特别是采用新奥法施工时影响地层沉降的关键要素以及应采取的对策进行分析和探讨。1 地层沉降变形特性地铁工程的浅埋暗挖隧道，其施工有盾构法和新奥法两种施工方法，由于技术和经济方面的原因，新奥法的应用更为广泛一些；而新奥法施工的浅埋隧道，特别是处于松散地层的浅埋隧道在施工过程中更容易发生地层沉降，并且其沉降量一般均较大。笔者先后参加了青岛地铁实验段、广州地铁、深圳地铁一期工程等项目的施工，通过对部分松散地层浅埋暗挖隧道在施工中的地层沉降监测资料的汇总分析，可知在上述条件下地层沉降变形具有如下特性。1.1 地表沉降值大于拱顶下沉值由拱顶至地表方向，地层的沉降量随地层距隧道拱顶的距离的增大而变大，地表的沉降值最大，而拱顶的下沉量相对较小。如深圳地铁一期工程，地铁沿线隧道段的地表沉降量普遍较大，一般均在100mm,个别点累积最大沉降量达400mm;而洞内拱顶沉降值相对较小，一般在100mm左右；洞内其它周边的收敛值普遍很小，累积不超过10mm。从以上的结论同时也说明，拱顶下沉量的变化对地表的沉降值的变化影响较大。1.2 开挖引起地表沉降的范围最大 在隧道开挖的过程中，地表发生沉降的范围达到最大。一般在开挖边线以外4050m的范围内，均有不同程度的沉降和开裂；个别地层，如砂层地段的影响范围还更大。1.3 开挖引起地层变形的时间较早 地层变形从隧道开挖至该截面线路前方的某一截面时即开始产生，按可比的下沉值比较，开挖对前方地层变形影响的范围，其距离一般约在30m左右。1.4 沉降趋于稳定的时间较长地层变形及地表沉降趋于稳定的时间较长，在隧道初期支护闭合成环且完成后，拱顶和地层仍然继续变形，一般要在40天左右变形及沉降才基本趋于稳定；待隧道二次衬砌施作完成后，变形和沉降才能完全稳定。2 影响地层沉降变形的要素引起地层沉降变形的原因较多，也很复杂；通过对青岛地铁实验段、广州地铁、深圳地铁一期工程等项目的部分浅埋暗挖隧道在施工中地层沉降的原因分析，笔者认为对浅埋暗挖隧道在施工中产生地层沉降影响较大的要素有以下几个。2.1 地层土体特性力学研究表明，隧道开挖后上覆土层形成自然拱的最小土层厚度与土体本身的力学特性密切相关；隧道开挖后能否形成自然拱不仅对隧道支护结构影响大，对地层和地表的变形沉降影响也很大；能形成自然拱的，对地表沉降量的影响就小一些，反之即大一些。同时土体的特性也会随着一些条件的改变而改变，特性改变之后对地表沉降量的影响也随之改变。如深圳地铁隧道上覆土的成因是海冲击层，空隙比较大，若保持最优含水量时，为极硬土性质，引起的沉降要小一些，而失水后易造成超固结，会引起较大沉降；地层内部在隧道开挖扰动后，引起开挖周边土体松弛变形，出现潜在坍滑区，尤其在砂层地段，坍滑现象会更严重。土的特性决定了地表影响范围的大小，决定隧道拱顶下沉值对地表下沉值影响的大小，这种影响特别在砂层、砾砂层段表现更为突出。2.2 地下水地铁隧道处于地下水位线以下的居多，隧道开挖排水后易造成地下水因压力差的存在不断渗出，形成多条渗水通道，使地层持续失水，土层空隙及节理裂隙固结收缩，引起地层、地表超前、超大范围出现变形、沉降。从对广州地铁、深圳地铁施工监测情况看，地层的持续失水是造成地层变形、地表沉降最根本、最主要的原因之一。2.3 地层应力释放由地层的收敛约束特性可知，随地层位移的增大，其上覆地层施加到隧道结构上的荷载将减小。最佳支护概念就是在允许地层产生稳定的位移条件下，使支护结构所受的力最小，但新奥法的观点一般是针对具有稳定的围岩隧道而言，而对城市地铁隧道，尤其是浅埋暗挖隧道，为保证地表的变形得到控制，原则上不允许地表出现超越规定值的下沉，只能采取地层预加固和及时支护、快速封闭成环等技术措施。对多孔介质土且具潜在坍滑面的地层，随地表下沉，地层应力的释放，坍滑面会渐次产生，伴随着的就是地表的大范围下沉，此循环会累积产生，从而导致随地层应力释放，坍滑区增多或增大，沉降槽宽度及下沉量均较大。与此同时，由于垂直应力释放，即使拱顶下沉变形亦渐增加，但较之地表下沉要小。控制地层应力释放度可以减少下沉量及波及的范围。 2.4 隧道相互作用的叠加国内外实践表明，对未衬砌隧道，当两隧道的中心线距为5D（D为隧道宽度）时，可不考虑相互作用，但中心线距小于等于3D时，则必须考虑其相互作用。很明显，若两平行隧道间距小，两隧道同时开挖对地层的扰动要大于单一隧道的开挖。其结果会造成地层的突然松弛，出现大的和持续不断的变形。对地表沉降而言，两隧道的相互作用会使地表沉降有叠加作用。2.5 施工方法对城市地铁隧道常用的施工方法而言，台阶法是对地表下沉影响最为严重的一种施工方法（其较CRD法引起的地表沉降量增大一倍），但因其操作简单，造价低，只要措施得当，一般可满足地表沉降的要求。因此国内外对区间单线隧道，采用台阶法的较多。但台阶法也多种多样，需根据不同的断面形式及地层条件谨慎选取。应用台阶法的关键是要保证开挖工作面的稳定性。一般而言，它取决于两个条件：一个是台阶长度，另一个是台阶形状。对软弱地层尤其是渗水较大的地层，台阶长度不可过短。此外，尚需采用环形开挖留核心土，并施加辅助工法等措施。国内外对台阶法的理论研究与工程实践表明，对软弱地层，台阶长度不宜小于5-6m，如若涌水严重，山岭隧道普遍采用的2m-4m超短台阶应杜绝应用。一般而言，台阶长度愈长，工作面前方土体对工作面的挤压流动会愈小，工作面愈稳定。另一方面，在软弱地层采用台阶法时，应充分领悟“浅埋暗挖”的精神实质即早封闭理念，一般多在上台阶底部增设临时仰拱，使上下台阶及早各自闭合成环。2.6 开挖进尺开挖进尺的大小实质上是工作面无支护空间的大小，其值不仅决定着地表下沉及拱顶沉降，而且也影响开挖面的稳定性，二者相互作用并以工作面的稳定性为基础。对软土隧道，工作面难以自稳，因而必须支撑。研究和施工实践表明，开挖时工作面需支撑的压力并不大，仅10Mpa就足以使工作面短期内自稳，使开挖顺利进行；另外这个稳定开挖工作面的支撑力与上覆土层的厚度以及土体的密度几乎没什么关系，与隧道的直径呈线性关系。法国的研究表明，如果工作面无支护距离小于0.2D，对稳定工作面开挖的支撑力无特别要求，但若超过此值，则无支护空间要求的稳定工作面开挖的支撑力就要变大，否则工作面就会失稳。对软弱地层、浅埋暗挖法施工的地铁隧道，开挖进尺的控制十分重要，应分析研究，有目的的控制。 2.7 施工速度 沉降具有时间效应，时间越长，地表发生沉降的总量也越大；时间越短，地表发生沉降的总量也越小。施工速度越快，表明隧道开挖面暴露的时间就会越短，产生沉降的时间也短，因而产生的沉降量也就会越小；工速度越慢，表明隧道开挖面暴露的时间就会越长，产生沉降的时间也长，因而产生的沉降量也就会越大。2.8 衬砌 复合式衬砌在设计上考虑荷载分配时，由初期支护完全承受围岩的荷载，二次衬砌不承受荷载。初期支护的刚度对地层的变形有较大的影响，刚度大，则抵抗变形的能力强；但同时初期支护必须保证一定的柔性，允许有一定的变形量。初期支护的中期刚度和相应的支护施作时间与地层的变形的关系十分密切，可通过对地层变形的监测数据来及时进行调整。二次衬砌虽不承受荷载，但根据实际施工经验及有关监测资料均表明，初期支护后地表达到稳定的时间较长，在二衬完成后，隧道地层、地表即趋于完全稳定，因此二次衬砌应该及时施作。3 控制地表变形沉降的主要对策地表下沉是多因素的综合作用，但在地层条件一定的情况下，合理的设计与巧妙的施工乃是控制地表下沉的最为关键的手段。征对上述原因分析，提出以下控制对策。 3.1 严格遵循“十八字”原则我国在施工实践中总结了一套浅埋暗挖法的工艺技术要求，“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。这18个字充分体现了浅埋暗挖隧道施工的精髓，是攻克浅埋暗挖隧道施工难题的法宝，我们必须认真领会、严格遵循；并结合不同地质隧道的实际情况灵活的应用。利用小导管超前注浆，对围岩进行超前预注浆加固，使围岩、小钢管形成一个整体，超前形成一个能承受一定围岩压力的超前管棚。注重注浆的效果，必要时可采用小导管注浆和深孔注浆联合进行；对于注浆量、时间（时机）、顺序、材料及配合比等都要结合实际情况严格控制。要控制循环进尺，少扰动地层，保证开挖的范围尽可能小，必要时留核心土。初期支护要及时，要保证足够的刚度与强度，并且与围岩变形的速度相适应，掌握好支护施作时间、施作程度的“火候”。初期支护尽可能尽快的封闭成环，不仅是全断面及早封闭，还在于分部开挖中，没一个分开挖面也要尽快封闭。地层变形位移量测的密度尽可能大，以便及时掌握变形情况，采取措施控制变形量。3.2 改善土体特性通过对隧道开挖周边外土体进行局部改善，一方面可以促进隧道开挖后自然拱的形成，另一方面可以改进土体的特性，促使往好的方面转化。深层注浆和超前注浆既可以加固土体，也可以改善土体的性质；可以根据土体的性质压注纯水泥浆或双液浆，必要时也可以压注化学浆液；同时也可以采取其它的改善特性的措施。3.3 适度排放地下水 地下水的排放无疑会使上覆地层尤其是隧道工作面附近地层的强度增加，刚度变大，但对于砂层、砾砂等特殊地层，过度抽排地下水，会使上覆多孔介质土层超固结，从而引起地表大范围沉降。因此，在能保证工作面稳定正常开挖的条件下，应尽量减少或限制地下水的抽排。可根据情况采取止水帷幕或旋喷桩等阻断地下渗水通道，地表或洞内注浆措施封堵部分地下水；采取地表或洞内降排水时，尽量缩短抽排时间，在掌子面开挖过后及时采取开挖周边和掌子面注浆、喷砼等措施稳定工作面，然后及时停止排水；根据具体地层条件，及时调整小导管、格栅支护参数以及注浆参数，确保注浆效果。 3.4 根据地层条件选择施工方法为有效控制地表沉降，对台阶法应预留成型的核心土，台阶长度应根据地层条件确定，地层愈软，台阶长度愈长，但具体长度要根据现场实际情况，分析研究确定；为使开挖各分部早闭合，上台阶一般应增设临时仰拱，在特殊地段处，上台阶拱脚处应架设钢支撑喷砼作为托梁，实践表明，采用该方法施工，拱顶及地表下沉明显减缓。3.5 拉开左右线隧道的开挖距离 当两隧道的中心线距等于或小于3D时，两隧道的开挖会有叠加影响；在线间距一定的情况下，增大两隧道开挖面的相对距离可以减少其相互作用的叠加；软弱围岩其沉降影响范围大，建议两开挖工作面的距离控制在30m以上。3.6 合理确定开挖进尺 为控制地表下沉量及拱顶下沉量，工作面的稳定十分重要，对城市地铁尤其是软弱地层隧道，开挖进尺应尽量减小，必须地层特性确定合理的开挖进尺；根据国内外实践经验，建议每循环进尺取断面开挖宽度的0.1倍较为适宜。3.7 提高施工效率施工效率的提高，意味着各工序施工时间的缩短，地层应力的释放就能得到有效控制，地层内部的变位调整也将减小。 3.8 加强初期支护 初期支护施作后，其本身有一个徐变过程。对超前支护，一般采取增大小导管直径、减小布置间距、扩大注浆范围和严格注浆等措施加强。对钢格栅，可适当缩小格栅间距，在间距一定时，宜增大主筋直径，从而增大支护初期刚度，以控制沉降。 3.9 及时施作二次衬砌 空隙水的调整所产生的附加应力是一个漫长的递增过程。对软弱富水地层，随着渗排水，地表大范围沉降，初期支护的刚度与地层刚度的相互作用会愈来愈强，因此，对软土隧道，为了确保地层较快地恢复稳定，二次衬砌应及时施作。从地铁隧道的施工实践表明，二衬施作后，地层变位趋于稳定。4 结语 地表下沉是多因素的综合作用，在地层特性一定的条件下，尽量采取措施，做到设计、施工与地层的耦合至关重要。而在软弱围岩下进行地铁暗挖隧道的施工，水是施工的大敌，如何有效的控制地下水，处理好降排水、施工与地表沉降三者的关系非常关键，这方面尚需作更深入