摘 要 富水砂层中暗挖隧道施工是地铁施工中的一大难点， 常常因沉降过大而引发安全事故。 在深圳地铁安-侨区间隧道工程中，通过洞内帷幕注浆 、水平旋喷桩 、地表井点降水等辅助措施做到了超前控制 ，在解决隧道开挖安全问题的同时有效地减少了沉降量；施工过程中严格执行了“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的方针，控制了时空效应，解决了富水砂层中暗挖隧道沉降过大的问题。 文章重点分析了沉降原因及控制沉降的关键技术和有效措施。

关键词 富水砂层 沉降控制 暗挖隧道

 

      在地铁暗挖隧道的施工中， 按规范要求地表沉降应控制在30 mm 以内，但在富水砂层中却难以做到，常常因沉降过大引发诸多沉降事故。 在施工中，地面沉降事故占总事故的30％～40％，对工程周围的建筑物以及地下管线产生的影响主要表现为地面开裂、建筑物基础下沉、管线断裂，有的甚至危及主体结构的安全； 同时隧道内的直接表现是拱顶下沉或坍塌，而这种塌陷产生的涌水、涌泥对施工现场的人员、设备安全构成了极大威胁，同时也影响了工程的进度，增加了工程的费用。 所以，不论从工程进度和费用的控制方面考虑， 还是从工程质量安全方面来考虑，都要对沉降控制有足够的重视，要从各个方面着手，来有效控制沉降。

 

      富水砂层砂粒含量达30%以上， 孔隙比大，含水量大，具有流动性大、承载力小、自稳性差等特点。砂层中开挖隧道是相当困难的，必须采取如地表降水、地层加固等复杂的措施来保证开挖过程中的安全。隧道以上的土层在自然状态下，一般处于应力平衡的稳定状态，但在地下工程施工中，要通过人工或机械等方式进行土方开挖， 开挖过程中地下水位的下降也会导致土层的压缩变形。 富水砂层中沉降主要存在于两个方面： 一是孔隙水压力降低产生的沉降，二是因开挖产生的土体位移。

      一般土层是由土颗粒、孔隙水、气体组成的三相体系，而富水砂层中气体含量较少，主要是由土颗粒和孔隙水组成。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担， 即为孔隙水压力； 另一部分则由土骨架承担，即为有效应力，对引起压缩和产生强度有效。 在隧道开挖过程中，因为地面井点降水、地下排水等使地下水流失，地下水位降低。 随着孔隙水压力降低，作用在上部的载荷则转移到土粒骨架上， 颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动，因此产生土体压缩、固结而引起地表沉降。

      造成地下水位下降有两个因素：一是开挖过程中洞内流出的水从竖井中抽走，称为“被动降水”；二是隧 道开挖前地表井点降水，称为“主动降水”。被动降水是开挖隧道过程中不可避免的。 主动降水的目的是降低地下水位，减少水头压力，避免开挖过程中水压过大导致涌水、坍塌等事故，是保证富水砂层中隧道成功开挖最有效的保障；虽然会导致沉降，但是水位下降造成的沉降相对较小， 且沉降较均匀而缓慢，对建（构）筑物影响相对较小。

 

      土方的移除、土层孔隙水的排出，必然会改变地层的应力状态，使之处于非平衡状态。这种状态可以在短时间内或者经过较长的时间效应变化之后显现出来，出现坍塌、变形等现象，进而导致地面沉降。

      隧道开挖至初期支护完成之间存在时间差，在这段时间内地层中的土体变形会向隧道内位移而产生位移变形。 新奥法的设计原理是采用锚喷支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，利用开挖施工面的时空效应， 以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动状态；同时采取超前支护，加之喷混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。在土体挖除后立即施作喷混凝土支护可以有效地制止岩层变形的发展， 并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载， 从而增强了岩层的稳定性。

      新奥法原理允许并控制岩体的变形， 一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它， 使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时砌筑又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、 刚度及其参与作用的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。 为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，使其成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能地圆顺，以避免拐角处的应力集中。

      由地层的收敛约束特性可知， 随地层位移的增大， 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。 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而换取最佳支护，地层预加固与及时支护且封闭成环是超浅埋暗挖隧道的关键。

 

      超前辅助开挖措施有很多，主要有两大类。第一大类为稳定掌子面法： 掌子面的稳定是施工的前提条件，对于粘聚力小的土砂围岩，可采用超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等。开挖面超前支护是在开挖面前方的围岩内插入钢筋、 钢管和钢板作为辅助性支护构件， 用以防护开挖面及拱部以及防止围岩松弛。

      第二大类为特殊工法：有管棚法、挡墙施工法、从地表打锚杆法、麦塞尔插板法、注浆法和冻结法等。管棚法，是先在开挖断面外钻孔，然后在管子的内外注浆，以加固开挖断面。挡墙施工法，是在隧道的两侧(或一侧)设置挡墙 ，控制隧道开挖时产生的松动范围，有混凝土连续墙法和钢管、H型钢和钢插板等挡墙施工法。从地表打锚杆法，是在隧道开挖之前，先从地表大致垂直地打入锚杆，四周用砂浆固结起来，这种方法能有效地防止地表下沉。麦塞尔插板法，是采用特殊加工的钢插板，用千斤顶将其顶入围岩中，加固开挖面前方的围岩，防止围岩松动。

      对富水砂层比较有效的方法是洞内全断面注浆加固法、高压水平旋喷桩、地面井点降水法。

      洞内全断面注浆加固法属于撑子面稳定法的一种，全断面帷幕注浆法有TSS 管注浆法和深孔注浆法等，通过试验对比深孔注浆法效果较好。

      洞内帷幕注浆法是采用二重管钻机实施 “钻注一体化，分段后退式”注浆施工方案。 二重管钻机注浆就是在普通水泥和水玻璃双液浆基础上加入一定比例的外加剂， 同时利用专用二重管钻机实现钻进并及时注浆。 二重管钻机注浆适用任意角度注浆孔注浆，其钻杆为特制二重管，钻杆头部有混合器，可实现钻进至设计位置后，立即利用钻杆实施注浆。深孔二重管钻机注浆有以下特点 ：

      （1）适用于各种土层条件，浆材混合液和注浆的方向性可随时调节， 浆材的凝胶时间可以从瞬结到缓结。

      （2）可用电子监控技术实现定向、定量、定压注浆施工，浆液分布较锚杆均匀，能有效地提高土体的整体强度和止水效果。

      （3）注入系统设备简单，具有很高的可靠性、经济性。

      （4）瞬结性一次喷射和浸透性二次喷射的复合比率，在土层改良时可以自由地设定，从粘性土、砂质土到地下水非常多的砂砾层， 以及更加复杂的复合地层都可以适用。

      （5）二次喷射材料是低粘性浸透性浆材，可以用压力喷射到均匀的土质颗粒之间， 这样的操作方法减少了对周围建筑物的影响。

      （6）由于一次喷射是限制喷射，二次喷入是渗透喷射，浆材不会向喷入范围外溢出，从而有利于保护地下环境而不被污染。

      掌子面注浆孔布置如图1 所示。

      二重管水平深孔注浆法注浆孔孔深达12～20m，由工作面向开挖方向呈辐射状布置，钻孔布置成圆形圈。二重管水平深孔注浆能处理各种各样的复杂地质条件，对裂隙水丰富、透水性较强的地段具有更大的优势，且施工灵活，能适应隧道窄小环境；注浆材料经济无污染；加固效果好，能严格控制地表沉降。

      深孔注浆纵剖面如图2 所示。

      高压水平旋喷桩支护原理与管棚法类似， 可起到超前加固支护作用， 水泥与土体凝固成一个强度较高的硬拱，同时还有封闭地下水的作用。

      水平高压旋喷桩采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拔出钻杆，且同时通过水平钻机、钻杆、喷嘴以大于 35 MPa 的压力把配制好的浆液喷射到土体内，借助流体的冲击力切削土层，破坏喷流射程内土体； 与此同时钻杆一面以一定的速度（20 r/min）旋转，一面低速(15～30 cm/min) 徐徐外拔，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成直径比较均匀、具有一定强度（0.5～8.0 MPa）的桩体，从而使地层得到加固；当旋喷桩相互咬接后，便以同心圆形式在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体。

      水平旋喷桩具有梁效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移、防渗透等作用，可保证隧道掘进安全。

      水平旋喷桩不仅具有梁效应、 拱效应和土体改良加强效应，还能够起到防流沙、抗滑移，保证隧道掘进安全的作用；同时水平旋喷桩在旋喷过程中，水泥浆液能沿着地层的缝隙渗透扩散， 尤其在涌水量较大的地层中，水泥浆液扩散填充缝隙后起到止水的效果。

      水平旋喷桩孔位布置如图3 所示。

      当前解决水的问题主要是采取地面降水和洞内止水两种，两种方法各有优缺点。 洞内止水成本高、对周边建筑物影响小、不受周边环境限制；地面降水费用低、对周边建筑物影响大、受周边环境制约大、效果明显。 结合安-侨区间的经验来看，在具备地面降水的条件下可以采取地面降水， 但如果穿越重要建筑物及房屋时尽量不要采取地面降水， 否则失水沉降造成的影响比隧道开挖对建筑物造成的影响还要大。即使具备地面降水条件，也必须采取多种回灌措施而不能一味降低水位、越低越好，这样造成的地面沉降是相当可怕的。地面降水必须设置回灌井及监测井，随时了解水位的变化及周边建筑物的沉降，随时用监测数据指导施工。

      降水井井孔直径0.8 m，井管直径 0.5 m，滤水层厚度0.15 m； 降水井钢筋笼外侧采用两层铁丝网， 靠地面采用粘土回填夯实。 井深至隧道底以下3.0 m，滤水层材料采用碎石，以防将泥砂带走。 降水井管井结构如图4 所示。

      降水施工中应该注意的问题：

      （1）降水井施工前应探明地下管线实际情况，确保管井避开管线。

      （2）降水过程中应加强水位、管线、建（构）筑物观测及其他监测，如有异常，采取必要的措施（如采用跟踪注浆或回灌井等措施）来确保管线及施工安全。

      （3）严格控制降水对周围环境的影响，降水井井壁采取特殊措施（投泥法）封闭砂层，隔离砂层中的地下水，使降水井不至于成为排水井，而将砂层中的水全部抽出。

      （4）降水井应在隧道掘进前20 天左右或超前30 m 左右提前降水， 隧道初期支护完成后约 50 m可停止降水。

      （5）区间隧道工程竣工后，做好降水井的后期处理，如灌注水泥砂浆回填，以恢复原地貌。

      （6）降水范围内可根据实际情况，设置一定数量的水位观测孔，以随时监控地下水的变化情况；为保证降水持续进行，至少配备 2 台备用水泵。

 

      对于是土层的原因引起的沉降， 施工方案的选择原则为：进行正确的、可靠的支护是十分重要的。当支护方法不当或者失效的时候， 难以使土层处于稳定状态， 土层将失去稳定性， 进而会导致地层沉降。资料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：地层和地下水条件；隧道埋深和直径；施工方法。其中，施工方法的影响更为明显。

      暗挖施工主要是充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以锚喷为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。隧道设计时应考虑地质条件、埋深及直径，采取环形台阶开挖法， 这是当地质条件特别差时所采用的一种方法， 也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。 开挖之前所采取的降水及掌子面加固是施工过程中的重点。

      隧道施工18 字方针是砂层中控制沉降的指南及法宝：“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”，只有落实每一个细节才能有效地控制沉降。 以下几点对控制沉降也意义重大：

      （1）严格控制上下台阶之间的距离，施工中做到快封闭、早成环。

      （2）在上台阶开挖时，切实做好拱架、拱脚处理，保证锁脚锚管及注浆的质量，拱脚连接板下放置木板方木垫实，保证拱架拱脚密实。

      （3）及时对初期支护背后进行回填注浆。 由于混凝土的自重及喷混凝土密实度等的影响，初期支护背后与土体之间不可避免地会出现空隙，使初期支护与围岩分离，不能一起承受荷载，这样对结构的安全性和控制地表沉降很不利。 因此，当结构全断面初期支护封闭并达到设计强度后，及时对初期支护混凝土实施回填注浆，对止水、加固结构、改善结构受力条件和控制地层沉降有很重要的意义。

      富水砂层中施工的另一个要点就是每一道工序必须快，因为此段围岩自稳时间非常短，必须在其失稳过程前将其及时封闭，否则一旦塌方后果不堪设想。所以要求从开挖到架设拱架再到喷射混凝土，必须尽最快速度完成。控制沉降除了采用一些先进的施工方法及仪器设备外， 施工中每一道工序施工的好坏也直接影响到沉降控制的效果， 比如纵向连接筋的布置及焊接、拱架各细部的焊接、锁脚锚管的打设、 台阶法开挖时台阶留置长度以及隧道内引排水等， 任何一项工作没有做到位都有可能使沉降量加大，甚至酿成险情。

 

      深圳地铁2 号线东延段安托山站—侨香站区间位于深圳市福田区，大致呈东西走向，区间隧道周边环境和地质条件复杂。沿线隧道穿越的各种地下管线和建（构）筑物较多，主要有隧道侧穿的鸣泉居住宅（混凝土16，一层地下室）、香格丽苑住宅（混凝土31，两层地下室）及部队驻地的水塔（钢筋混凝土结构），正下穿侨香四道及其路下的 3 000 mm×2 500mm、埋深 7.0 m 的雨水箱涵，横穿侨香路及其路下的6 600 mm×3 100 mm、埋深 8.0 m 的雨水箱涵和DN500 次高压燃气管。

      区间隧道所在位置原始地貌为台地及其山间沟谷，地势西高东低。 隧道沿线地质非常不均匀，除中间段（长度约占总长度的 40%） 全断面位于花岗岩的中、微风化岩石层外，其余地质条件异常复杂：以西段的隧道上半断面主要位于冲、洪积的砾砂层，下半断面位于花岗岩的全、强风化带，隧道拱顶为较厚的人工填土、填石、填砂层；以东段的隧道上半断面主要位于冲、洪积的砾砂层和较厚的人工填石层，下半断面位于花岗岩风化的残积层和全风化带，隧道拱顶有约9.0 m 的人工填土层，局部有约 12.0 m 厚的填砂层。 花岗岩中、 微风化强度较高， 最大的达150 MPa；花岗岩残积层均匀性较差 ，强度不一 ，具有遇水软化、强度急剧降低的特点，甚至产生坍塌、流土等变形现象。区间隧道地下水位较高，第四系孔隙潜水主要赋存于冲洪积砂层及沿线砂（砾）质粘土层中，岩层裂隙水较发育，广泛分布在花岗岩的中—强风化带的构造节理裂隙密集带中。 砂质地层和填石层、填砂层含水丰富，且局部地段具有微承压性。冲洪积砾砂层、 中砂层、 填砂层的渗透系数分别为25 m/d、10 m/d、15 m/d。

      在安托山站—侨香站区间矿山法隧道原设计为盾构法， 因为此区间段中部有 200 m 长的硬岩，两端还有填石层，盾构施工风险大，后改为矿山法。 矿山法施工同样面临安全风险，经过不断探索，富水砂层段矿山法经历了多次变更，全段地面井点降水，一般砂层段采用洞内TSS 管全断面帷幕注浆，穿越燃气管道段采用冻结法。经过试验和专家论证对比，一般砂层改为全断面深孔注浆法， 穿越燃气管道段改为高压水平旋喷桩法。在开挖过程中贯彻“隧道施工18 字方针” 的施工理念， 每一个工序尽可能做到“快”，加密监测点，加快监测信息反馈，发现异常及时处理。通过对地面、洞内超前控制、开挖过程控制等多种技术措施的共同作用，收到了较好的效果，隧道得以顺利贯通，比较好地控制了地表沉降和洞内沉降，保证了相关建（构）筑物的安全。

      本区间隧道已成功顺利贯通， 在多种技术措施的合力作用下，地面沉降、建筑物沉降均得到较好地控制，虽然没有达到规范要求的 30 mm 以内，隧道还是平安无事地顺利贯通，周边建筑物、燃气管道、箱涵均未见结构性损坏。

      沉降控制效果如图5、图 6 所示。

      根据监测报告， 本区间富水砂层段采用深孔注浆法的地面沉降平均值为66 mm， 最大值 162 mm；在穿越燃气管段水平旋喷桩段， 地面沉降平均值为45 mm、最大值为 72 mm，燃气管单点累积最大沉降为25 mm、不均匀沉降差为 5 mm。 从数据看沉降超出了规范要求，但是在冲洪积砾砂层、中砂层、填砂层地层中进行浅埋暗挖， 沉降量控制到如此效果实属不易。

 

      富水砂层中暗挖施工控制沉降是一个系统工程，必须做好每一个环节才能有效控制沉降事故的发生。采用地面井点降水、超前深孔全断面注浆加固及高压水平旋喷桩加固等多种相结合的辅助措施，较好地确保了在富水砂质等复杂地层中的施工安全；上下台阶法施工中严格执行“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”方针也是隧道施工安全的技术保障。

 

 

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