复合地层条件下城市轨道交通暗挖工程问题分析与对策.doc

复合地层条件下城市轨道交通暗挖工程问题分析与对策赵文强（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）摘 要 为解决上软下硬复合地层条件下暗挖工程施工遇到的诸多问题，以青岛地铁工程实例为载体，结合设计方案及现场施工情况，对工程遇到的坍塌及沉降问题进行了系统介绍和具体分析，指出了设计、施工中尚应优化、完善的地方，提出了主要以支护时效、地下水及爆破控制等方面的管控对策，并在具体工程实施中验证其有效、合理、可行。吸取教训，总结经验，为工程类比提供参考。关键词 复合地层；暗挖工程；工程风险；管控对策Analysis and Countermeasures of Common Problems on Compound Formation ConditionsZhao Wenqiang（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group CO.,LTD.）Abstract In order to solve the problems of subsurface excavation method in the Compound formation conditions. This paper take the Qingdao subway engineering as an example to systematic introduce and Specific analyze the common problems about the collapse and settlement problems of the surrounding rocks, referring to the design project and construction situation, and then point out the deficiencies about the design and construction and the countermeasures mainly about supporting aging, underground water and blasting control, which was verified in the practical engineering. Suming up experience and lessons and providing a reference for similar engineering.Keywords compound formation conditions; underground excavation; engineering risk; control measures1 引言随着城市化进程的加快，交通问题日益严重，城市轨道交通得以迅速发展。截止目前，国家发改委已批准了36个城市的线网规划和建设规划，并且批复了其中28个城市部分项目的可行性研究报告。截止2012年末，全国约有1740km地铁线路投入运营，位居全球第一1。根据目前的建设形势，地铁发展速度将比以前更快，建设难度将更大，单位造价将更高。轨道交通建设作为一个城市的重点基础建设项目，关系国计民生。轨道交通工程通常设置在城市中心繁华地带，周边建（构）筑物多，城市管网密布，环境复杂，施工控制要求高。张昊就北京地铁暗挖工程中常见的超前小导管倾角，加工制作及台阶高度，背后注浆等问题做了分析说明2。谢明对深圳地铁某暗挖区间地表沉降进行了分析并提出了对策3，姚宣德等人就浅埋暗挖沉降控制标准进行了统计分析,并提出了暗挖工程沉降控制建议值4。涉及上软下硬复合地质条件下暗挖工程的研究与文献相对较少，本文以青岛地铁实例为依托，就复合地质条件下暗挖工程遇到的问题做典型介绍，主要通过对工程坍塌风险事件及沉降超限实例进行分析，借以吸取教训，总结经验。2 暗挖工程坍塌2.1 工程概况青岛地铁某矿山法区间为左右线分修的单洞单线隧道，左右线间距13m，开挖跨度6.2m，左右线从中间竖井由小里程向大里程方向施工。该隧道拱顶埋深约14m，根据地勘报告自上而下为2.5m厚填土层，5.1m厚粉质粘土层，4m厚粗砂层、2.9m厚中风化花岗岩，综合评定为五级围岩，如图1所示。隧道上方周围分别有DN600污水管1根（埋深约3.5m）、电信360250、TV300300、DN1200给水管1根（埋深约2m）、DN300污水管1根、DN600给水管2根、DN400煤气1根。其中距隧道最近的为DN600污水管，距离隧道拱顶约10m。本段区间按五级围岩设计支护参数，喷射混凝土250mm厚，超前小导管环向间距0.4m，L=3m,纵向间距1.5m，格栅钢架每0.75m设置一榀，边墙设置砂浆锚杆，L=3m,纵横向1m间距布置。图1 隧道地质剖面图2.2 风险事件掌子面施工至左线ZK21+598处时，某日晚22：30左右发现拱部出现局部洞内小坍塌，掉块并且伴随大量渗水，施工方立即采取封堵措施。次日凌晨1点掌子面拱部由于渗水太大，无法封堵，且水量越来越大，坍塌越来越严重，决定撤出施工人员，同时封闭路面交通，防止次生灾害。凌晨5：40地面塌陷，形成约15m2坑洞，并造成污水管断裂，现场状况如图2、图3所示。图2 坍塌隧道内照（一）图3 坍塌隧道内照（二）2.3 过程处治(1)砂袋封堵坍体，防止塌方加剧；(2)对临近塌方段已施工初支加强临时支护，避免因拱顶水土压力增大而继续坍塌，连锁反应加大损失；(3)打设抗滑锚管，稳定坍体；(4)地表注浆（结合洞内补充注浆）加固隧道内及拱顶坍塌下来的淤泥，取芯检验注浆效果；(5)清理坍渣，打设密排长导管超前支护，架设型钢钢架初期支护，加密沉降、管线、水位、收敛监测点，开挖坍塌段，继续向前施工。2.4 原因分析事故发生当天下午勘察、设计单位还进行了现场踏勘，施工方未反映地质、地下水等问题，本段若无地质突变和不规范施工，按上述五级围岩支护参数事施工，不应有坍方事故的发生。究其原因，初步分析有以下几点：(1)由地勘资料揭示，该处拱顶中风化花岗岩层厚度约2.5m，但塌方地段处于两个地勘钻孔（间距48m）的中间位置，有一定的不确定性。后期的补勘更证明了这一点，拱顶岩层厚度约1.2m，围岩破碎，裂隙发育。(2)该区域地势低洼，前期的强降雨曾淹没该处地面，致使地下水位升高，砂层饱和，岩土体抗剪强度大大降低。(3)隧道拱顶有DN600污水管一根，净距10余米。污水管本身有可能漏水，通过强透水砂层源源不断地供给，通过破碎岩体进入隧道，爆破施工更加剧了这方面的影响，风化岩遇水，大大降低围岩自稳时间。(4)爆破振动使上覆岩层（1.2m）更松散，细砂（土）粒在渗流作用下进入隧道，地面沉降加剧，污水管破裂，砂粒又随污水、上层滞水进入隧道，形成漏斗状基坑。 (5)据了解，本工程爆破施工后数小时未进行初期支护施工，支护严重滞后，围岩过度松弛，大大降低其承载力。3 暗挖工程沉降超限3.1 工程概况青岛地铁某站位于十字路口下方，为单拱大跨暗挖车站，开挖跨度20.6m，结构高度18m，双侧壁导坑施工工法。施工采用风井作为施工竖井，局部加高风道断面，由风道侧壁开马头门进主体结构正洞开挖。风道加高断面开挖跨度13.3m，拱顶埋深约5.4m，风道上方有DN600，DN800给水管各一条。顶拱上部覆土为杂填土和粉质粘土，拱部大部分处于强风化花岗岩中亚带和下亚带，隧道洞身及仰拱围岩多为中、微风化花岗岩。隧道拱顶围岩分级为级，风道及加高段采用“CRD”工法施工。青岛地铁一期工程工程（3号线）还有四个单拱大跨暗挖车站，拱盖法或双侧壁导坑法施工，拱顶上覆岩（土）715m,均为上软下硬的复合地层，本文旨在分析工程实例，故不再一一赘述。3.2 沉降问题风道上导洞开挖完成后，侧壁开马头门施工车站主体结构左上、右上侧导洞（左右导洞纵向错开），在工序转换上方发生了较大沉降，约80mm，沉降危及管线安全，进而对土建工程安全构成威胁。3.3 主要影响因素分析暗挖隧道开挖引起地层应力释放，造成周边围岩松弛、变形及位移，浅埋地段影响到地表，造成地面下沉。地面变形主要与结构埋深、上覆围岩、地下水、结构断面形状及支护方案等因素有关。就上软下硬复合地层而言，我们就上述工程实例做如下分析：(1)大断面结构：风道加高断面开挖跨度13m，拱顶埋深5.4m，为超浅埋暗挖隧道，CRD工法开挖风道断面，上台阶完成后破壁开马头门施工车站主体结构，隧道多步爆破开挖扰动围岩，地层应力多次重分布，造成地表沉降。(2)地质条件差：风道拱顶上覆杂填土，粉质粘土，强风化花岗岩，地层较差，隧道开挖引起大量地下水流失，土中空隙水排出，土体产生压缩，造成固结沉降。(3)初期支护滞后：有的施工现场爆破后即出渣，初喷工艺缺失，从爆破到初期支护间隔数小时，对地表沉降的延续无快速应对措施。(4)爆破施工：就上软下硬复合地层而言，爆破施工引起超挖，超挖回填的时效性影响地表沉降，另外，大跨车站开挖导洞时要求临时中隔壁与围岩密贴，后期爆破时对中隔壁及背后围岩振动影响大，加剧地表沉降。(5)初支背后回填注浆滞后：部分施工现场掌子面后50m尚未进行初支背后回填注浆，背后孔洞促进围岩松弛。(6)就浅埋暗挖而言，初期支护承受上部岩土柱压力的全部荷载，地下水情况、支护刚度及时机均影响地表沉降。3.4 沉降控制措施综上所述，暗挖工程施工过程中将不可避免产生沉降，但是对可控制的部分，须采取设计、施工措施控制沉降在限制范围内。结合目前地铁设计、施工现状，笔者认为沉降控制措施主要有以下几点：(1)对大跨度暗挖工程而言，在上部围岩破碎，裂隙发育，地下水丰富情况下，在隧道开挖完成后二衬施工之前进行径向围岩固结注浆：充填喷射混凝土与围岩之间空隙，加固松散破碎岩体，形成承载拱，同时起堵水作用，减少施工失水。此注浆工艺在青岛地铁某工点进行了试验，效果明显，较好地控制了地表沉降。(2)控制开挖进尺，优化施工顺序。隧道爆破开挖每循环进尺宜控制为一榀格栅钢架间距，开挖完成后即刻进行初喷作业，扒渣后及时架立钢架，因喷射混凝土强度需要一段时间，钢架架立时利用垫块使之与围岩局部接触，确保受力，而后复喷混凝土完成初期支护，后期实施出渣作业，做到早支护，早受力。(3)加强光面爆破和预裂爆破，优化设计参数，控制钻孔精度和装药量，保证起爆顺序，控制对围岩固有支护能力的损伤和超欠挖。(4)初支背后注浆紧跟掌子面，一般距离掌子面35m，随开挖随注浆。注浆时清理预埋注浆管中喷射混凝土，防止阻塞，保证注浆效果。(5)合理的施工组织设计。对大跨车站而言，加强工序转换节点处初期支护的支护，在风道破壁进正线施工前完成风道的二衬施工，对区间而言，地层较差时采用初支早闭合的短台阶法施工，同时控制左右线掌子面间距，一般不低于2D（开挖跨度）。(6)超前地质预报与信息化设计动态施工，本为地下工程必要的辅助手段，是常规的作业要求，本文不再赘述。青岛地铁一期工程（3号线）暗挖车站及区间主体结构开挖已基本完成，采取上述主要措施后地层沉降及变形基本得到控制，施工措施合理可行。4 暗挖工程问题处理原则与对策暗挖工程修建过程中最主要的问题仍然是沉降变形及变形发展未得及时控制产生的管线破裂，建筑物受损甚至塌方等问题，轻则影响市民生活与出行，重则危及人民群主生命财产安全。就上软下硬复合地层而言，解决上述问题重点考虑以下几点：(1)深刻理解 “管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”浅埋暗挖十八字方针的精髓，并在实际工程中做到具体落实。就复合地层而言，还需重点把握“弱爆破，早支护”的施工组织原则，减小对围岩扰动，控制超欠挖，支护提前受力，约束围岩抑制松弛。做到以上几点，地下工程风险是基本可控的。(2)水是生命之源，而对于地下工程而言，乃万恶之首。纵观近年的轨道交通工程多起事故：北京地铁十号线某区间工程塌方、地铁七号线某风道工程塌方、地铁六号线某站主体涌水突泥，十号线二期某站风道基坑涌水，青岛地铁某区间的掌子面坍塌以及本文上述的工程事故，均与地下管线渗漏水有着直接或间接的关系。工程设计、施工前务必调查清楚工程周边管线情况，施工现场展板标示平、剖面关系，说明管线材质、接头、使用年限，调查清楚渗漏情况。施工期间建立日报制度时刻警示，同时每日交底一线工人掌子面与有水管线的具体位置关系。另外，展板在紧急情况下能及时提供分析素材，为抢险准备赢得宝贵时间。另外，对临近泄洪区、雨水暗渠、暗河、排污隧道的地下工程，应充分认识施工的风险，采取隔水措施避免水进入基坑，同时尽量避开雨季施工，回避风险。(3)注浆是地下工程的灵魂，改良地层，加固围岩，改善地下水对工程的侵害。注浆方式、方法是否合理有效客观上决定着整个工程的成败。对复合地层中上部砂层、强风化岩，破碎带而言，选择合理的注浆方式、方法，合适的注浆材料，适当的注浆工艺是工程成功的关键。对上覆富水砂层的复合地层，半断面帷幕注浆或周边半封闭预注浆均不失为较好选择。当然，注浆经验是在多工程实践、多工程类比，多次的试验、摸索中总结出来的，注浆方案是综合地质水文特点，隧道施工方法及周边环境要求等多方面选择确定的。鉴于注浆工程的重要性、专业性及经验性，建议使用专业注浆公司实施作业，确保质量。(4)改进大断面结构中临时中隔壁与围岩密贴增大整体刚度的理念。在软弱地层中此观念合理可行，但对需爆破开挖的工程来说，围岩与型钢临时中隔壁密贴，爆破振动对临时中隔壁影响很大，瞬间产生拉力下拉节点处格栅钢架，造成安全隐患。比较可行的办法，导坑开挖时超挖0.5m左右岩体，通过型钢背后（围岩侧）放置石棉瓦作为“模板”喷射混凝土，背后预留临空面，同时优化爆破方案，减小爆破对中隔壁的影响，此方法已在青岛地铁某些工地使用，效果较好。(5)强化施工现场的监管，重点控制关键工序，切实做到“四密实”5，即混凝土密实、喷射混凝土密实、初期支护与围岩密实、二次衬砌与初期支护密实。重视喷射混凝土初喷，填平围岩凹面，覆盖弱层，防止应力集中，同时具有防止围岩风化，止水和微颗粒流出等效果。重视初支背后、二衬背后的回填注浆，隧道衬砌背后和围岩之间存在空洞时都会促进围岩松弛，使衬砌产生弯曲应力，损失衬砌功能，降低其承载力，加大地表沉降，并且也对工程防水造成了隐患，运营期间的列车振动更加剧了这一影响。(6)改进超前小导管支护设计。常规超前小导管长度3m或3.5m，每两或三榀格栅钢架布置一环，超前小导管钻孔施工时切割岩体，由于小导管较长且有一定外倾角，形成小导管下部的较大超挖。对掌子面稳定性较差的地段，采取每榀格栅钢架打设一环超前小导管，相应缩短小导管长度至1.82m，短小导管在狭窄空间更易钻孔，安装，更易控制外倾角，能大幅降低超挖，降低围岩松弛和工程防水隐患，复杂地质条件下具有推广价值。(7)清楚认识隧道计算中的参考意义。隧道计算一般采用有限元软件建立地层-结构模型进行模拟计算，计算结果取决于地层参数的选取，而地层参数存在很大不确定性。必须说明，隧道模拟计算结果重点在于说明各施工工况中的沉降或变形趋势和各工况在总变形量中所占的大约比例，并根据此结果提示施工中应重点控制的工况，分步控制变形和位移。(8)商榷现行沉降限值要求的必要性、合理性。国内地铁暗挖工程对地表沉降限值一般要求30mm以内，多家单位或个人就国内车站、区间暗挖工程的沉降值进行了统计分析，一般认为车站、区间的地表控制限值分别为60mm、30mm比较合理，此问题不再赘述。5 结语(1)对隧道坍方等工程事故的抢险而言，应遵循安全，快速，不产生次灾害的原则；遵循“治坍先治水，治坍先加强”原则，对控制沉降而言，科学设计，规范施工是重中之重。(2)水威胁地下工程的安全，封堵外来水源，避免其对地下工程的侵害，是地下工程最重要的一环。对地下水而言，堵、排处理与地表沉降关系尚无明确结论，和地域、地质关系密切，必要时做抽水试验，工程实施中不能教条照搬。(3)爆破是上软下硬复合