復(fù)雜地質(zhì)條件下超淺埋高大斷面過街暗挖風(fēng)道沉降分析及施工技術(shù)

王炳華

(中鐵三局 廣州分公司，廣州 510630)

城市軌道交通線路大多要穿過城市中心區(qū)域，人口聚集、客流集中、地面道路狹窄、周邊高層建筑物林立。車站風(fēng)道或通道大多要橫穿道路并需采用暗挖法施工。由于部分結(jié)構(gòu)斷面大，埋深淺，地質(zhì)情況復(fù)雜，工程難度非常大。需在施工過程中進(jìn)行綜合的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和工況分析，全面了解隧道結(jié)構(gòu)變化，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，及時(shí)提出應(yīng)對(duì)措施。本文在工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，充分分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在總結(jié)復(fù)雜地質(zhì)條件下超淺埋過街高大斷面暗挖風(fēng)道的沉降特性的基礎(chǔ)上，提出了以后類似工程在設(shè)計(jì)施工方面的建議。

1 工程概況

廣州市軌道交通五號(hào)線區(qū)莊站土建工程位于環(huán)市東路與農(nóng)林下路交叉的丁字路口處，為五號(hào)線與六號(hào)線換乘站。

C風(fēng)道為五號(hào)線車站東端風(fēng)道，采用暗挖法施工。暗挖段長度為43.18 m，雙層隧道，下穿環(huán)市路，通過2號(hào)豎井分Ⅷ部開挖，開挖斷面總寬度為14.20 m，總高度為17.15 m，拱頂覆土厚度為4.60～5.60 m。

C風(fēng)道開挖Ⅰ、Ⅲ部穿越的地層主要為〈3-1〉沖積～洪積粉細(xì)砂層、〈4-1〉沖積 ～洪積土層、〈4-2〉河湖相淤泥質(zhì)土層、〈4-3〉坡積土層;Ⅱ、Ⅳ部穿越的地層主要為〈4-3〉坡積土層、〈5-1〉可塑或稍密 -中密狀殘積土層、〈5-2〉硬塑或密實(shí)狀殘積土層、〈6〉紅層巖石全風(fēng)化帶;風(fēng)道下半部分隧道Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ部穿越的地層為〈6〉紅層巖石全風(fēng)化帶、〈7〉紅層巖石強(qiáng)風(fēng)化帶。

2 施工情況

C風(fēng)道從2006年12月23日開始施工上面Ⅰ、Ⅲ部，至2007年3月8日，隧道上半部分Ⅰ ～Ⅳ部開挖初支施工完成;至2007年7月1日，隧道下半部分Ⅴ～Ⅷ部開挖初支施工完成。分部開挖尺寸及開挖順序詳見圖1、圖2。

圖1 Ⅰ～Ⅳ部分部尺寸及開挖順序(單位:mm)

圖2 Ⅴ～Ⅷ部分部尺寸及開挖順序(單位:mm)

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及沉降特性

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿隧道縱向共分為6個(gè)斷面，每個(gè)斷面橫向3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn);拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)分Ⅰ、Ⅲ部同一斷面分別布置，縱向分9個(gè)斷面共計(jì)18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體見圖3。

圖3 C風(fēng)道地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

3.2 隧道沉降特性

C風(fēng)道整體位于環(huán)市東路車道下方，分Ⅷ部開挖，地層及隧道結(jié)構(gòu)沉降具有以下特性。

3.2.1 同一斷面位置地表沉降值大于隧道拱頂沉降值

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，選取最具代表性的隧道中線位置縱向地表及拱頂沉降值繪制沉降曲線圖，拱頂沉降值由Ⅰ、Ⅲ部拱頂沉降值換算為隧道中線位置沉降值。隧道地表最終沉降值一般為 -100～-300 mm，而隧道拱頂最終沉降值大體為-90～-250 mm，最大沉降值距洞口8 m處為-244 mm，見圖4。

3.2.2 沉降變化較大位置為靠近洞口段，主要集中在Ⅰ～Ⅳ部開挖過程中

由圖4可知沉降較大的位置在進(jìn)洞0～35 m范圍內(nèi)，其中Ⅰ～Ⅳ部開挖過程中沉降量與最終沉降量對(duì)比詳見表1(表1沉降為Ⅲ部進(jìn)洞8 m時(shí))。

表1 Ⅰ～Ⅳ部開挖沉降與總沉降對(duì)比分析

由表1可知，沉降量主要來自于Ⅰ～Ⅳ部開挖過程中的變化。選取有代表性斷面進(jìn)洞8 m處(地表約為C2-1點(diǎn)，拱頂為1～8點(diǎn))監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，風(fēng)道各分部開挖與進(jìn)洞8 m處沉降關(guān)系見圖5。

從圖5可以看出，C2-1點(diǎn)在Ⅰ、Ⅲ部，Ⅱ部，Ⅳ部三次進(jìn)洞施工期間的兩個(gè)階段沉降值都有較大的變化，第一階段為C風(fēng)道Ⅰ、Ⅲ部從2006年12月23日到2007年1月3日，即從進(jìn)洞到開挖至13 m期間，C2-1點(diǎn)在10 d內(nèi)累計(jì)沉降 -59.04 mm，沉降速率為-5.9 mm/d。第二階段為C風(fēng)道Ⅱ、Ⅳ部從2007年1月13日到2007年2月6日，即進(jìn)洞到開挖至(Ⅱ部27m、Ⅳ部15 m)期間，C2-1點(diǎn)在23 d內(nèi)累計(jì)沉降達(dá)到-167.05 mm，沉降速率可達(dá)-7.26 mm/d;同一階段，拱頂沉降點(diǎn)1～8累計(jì)沉降了-129 mm，沉降速率為-5.61 mm/d。

圖5 C風(fēng)道各分部開挖與進(jìn)洞8 m處沉降關(guān)系

從兩個(gè)階段的沉降量分析可以看出，C2-1點(diǎn)在這兩個(gè)階段內(nèi)累計(jì)沉降了 -226.09 mm，占最終沉降累計(jì)值的61.8%。而1～8點(diǎn)則占最終累計(jì)值的53.3%。而這兩個(gè)階段的時(shí)間僅占開挖開始至監(jiān)測(cè)穩(wěn)定后終值總時(shí)間的14%。

從早上6點(diǎn)到晚上9點(diǎn)，幾乎排滿了各類課程和修行任務(wù)，天天如此，年年如此。寺院全年有兩次假期，春節(jié)放假后，2月10日得準(zhǔn)時(shí)回寺；6月1日放暑假后，25日得回寺。

3.2.3 開挖對(duì)地表的影響范圍大［5］

根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，橫向由隧道中線附近向兩側(cè)沉降逐漸變小，明顯呈現(xiàn)沉降槽特性，隧道開挖引起地表沉降范圍大，而且縱向影響范圍大于橫向，縱向影響范圍應(yīng)超過開挖邊緣約30～40 m的地面;橫向應(yīng)超出開挖邊緣約7～20 m的地面。

3.2.4 初期支護(hù)封閉成環(huán)后拱頂及地面沉降繼續(xù)發(fā)展從C風(fēng)道每部開挖情況看，初期支護(hù)封閉成環(huán)后拱頂及地面沉降繼續(xù)發(fā)展，經(jīng)過處理后，沉降速率雖明顯降低，但仍然繼續(xù)下沉，直至全部開挖完成，隧道初期支護(hù)全部完成后，其拱頂及地表仍有少量下沉。

3.2.5 隧道開挖超前影響范圍小于其滯后影響范圍［5］從圖6可以看出，開挖超前影響范圍一般約為開挖洞徑寬度的 1～2倍，以 1～8、1～15、1～20、1～25

點(diǎn)較為明顯。而對(duì)后方影響范圍較大，唯有開挖初期支護(hù)全部完成后，隧道結(jié)構(gòu)才趨于穩(wěn)定。

圖6 C風(fēng)道各分部開挖與拱頂各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降關(guān)系

4 地層沉降影響因素分析

4.1 覆跨比太小，拱頂上的土體不能形成自然拱

C風(fēng)道覆跨比在0.32～0.39之間，拱頂上方地層不能形成自然拱，在隧道開挖過程時(shí)，拱頂上方土體及地面動(dòng)荷載全部作用在隧道初支上，增大了初支荷載，而Ⅰ ～Ⅳ部處于〈4-1〉、〈5-1〉、〈6〉等地層，抗剪能力弱，地基承載力不足，造成隧道每部初支土封閉成環(huán)后還繼續(xù)下沉。另外，當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)沉降槽后，車輛經(jīng)過時(shí)，沖擊力加大，更加劇了沉降的發(fā)展，這也是隧道在Ⅰ～Ⅳ部開挖時(shí)沉降量比值大的原因。

4.2 地層土體特性及地下水的影響［6］

4.3 分部開挖隧道相互作用的疊加影響

C風(fēng)道分Ⅷ部開挖，不可避免存在多個(gè)斷面同時(shí)施工的局面，對(duì)圍巖多次擾動(dòng)，多條隧道相互影響作用使地表及拱頂沉降有疊加效應(yīng)，隧道會(huì)出現(xiàn)大的和持續(xù)不斷的沉降。

4.4 開挖進(jìn)尺的影響

開挖進(jìn)尺的大小實(shí)質(zhì)上是工作面無支護(hù)空間的大小，其值決定地表下沉及拱頂沉降，也影響開挖面的穩(wěn)定性。當(dāng)進(jìn)尺適當(dāng)時(shí)，工作面需支撐的壓力并不大，僅適量預(yù)留核心土就足以使工作面短期內(nèi)自穩(wěn)，保證開挖順利進(jìn)行;如果無支護(hù)空間過大，會(huì)造成工作面失穩(wěn)，地面沉降過大。

4.5 工作面的開挖速度

沉降具有時(shí)空效應(yīng)。工作面推進(jìn)速度的加快，意味著各工序時(shí)間的縮短，隧道開挖裸露的空間亦小，其存在的時(shí)間亦短，利于控制地層沉降，符合“早封閉”的隧道施工原則。

5 體會(huì)與總結(jié)

5.1 隧道支護(hù)參數(shù)要充分考慮地面荷載的影響，確保隧道初支的剛度

C風(fēng)道施工中，雖然拱頂沉降了200～300 mm，但結(jié)構(gòu)沒有破壞，結(jié)構(gòu)整體下沉，保證了施工安全。

5.2 對(duì)開挖周邊及拱頂?shù)貙舆M(jìn)行注漿改良

在C風(fēng)道沉降速率過大時(shí)，停止施工將系統(tǒng)錨桿變更為系統(tǒng)錨管，對(duì)開挖周邊地層進(jìn)行注漿改良，加強(qiáng)周邊地層的抗剪能力，對(duì)控制沉降速率起到了明顯的效果。同時(shí)對(duì)初期支護(hù)背后及拱頂進(jìn)行了注漿加固，使初支結(jié)構(gòu)滲水現(xiàn)象減輕，對(duì)失水以及擾動(dòng)后的地層孔隙進(jìn)行了填充，有效地緩解了上覆地層的劇烈變化。

5.3 每分部多設(shè)置鎖腳錨管，加強(qiáng)拱腳支墊

分部開挖，左右兩側(cè)初支拱腳位置由原來的2根鎖腳錨管增加到4根，長度由原來的2.5 m變?yōu)?.5 m，同時(shí)在開挖初支施工，支立格柵鋼架過程中，拱腳下采用鋼板墊實(shí)。并在施工時(shí)注意排水，隧道內(nèi)組織排水，防止水浸泡拱腳及仰拱。這些都有效控制了隧道的沉降。

5.4 保持開挖面間距，控制開挖循環(huán)進(jìn)尺

在Ⅱ、Ⅳ部開挖中，保持分部開挖面之間的距離在10 m以上;在Ⅴ、Ⅵ部及Ⅶ、Ⅷ部上下導(dǎo)坑之間臺(tái)階距離保持在5～8 m以內(nèi)，Ⅴ、Ⅶ部左右導(dǎo)坑間距根據(jù)要求控制在10 m以外?？刂崎g距，減弱左右導(dǎo)坑開挖的疊加效應(yīng)。在Ⅱ、Ⅳ部及Ⅵ、Ⅷ部這些采用機(jī)械開挖的較大斷面分部施工中，適當(dāng)采用分短臺(tái)階或預(yù)留核心土對(duì)掌子面進(jìn)行支護(hù)，確保開挖面安全穩(wěn)定。城市地鐵尤其是軟弱地層隧道，開挖進(jìn)尺應(yīng)盡量小。根據(jù)C風(fēng)道施工經(jīng)驗(yàn)，建議每循環(huán)進(jìn)尺取斷面開挖寬度的0.10～0.15倍。

5.5 超前管棚支護(hù)采用整體式長管棚

淺埋暗挖施工高大斷面的城市地鐵隧道，超前支護(hù)中多采用管棚加超前小導(dǎo)管聯(lián)合支護(hù)。管棚支護(hù)分為整體式長管棚、搭接式短管棚，經(jīng)過多年的地鐵施工經(jīng)驗(yàn)積累及切身體會(huì)，本文認(rèn)為整體式長管棚的超前支護(hù)效果在多方面優(yōu)于搭接式短管棚。C風(fēng)道管棚支護(hù)即為長度50 m整體式長管棚，一次性施作完成。

整體式長管棚在開挖初支前一次性施作，采用先進(jìn)的“有線儀器定向，一次性跟管鉆進(jìn)法”進(jìn)行施工，能有效保證施工精度。使整個(gè)C風(fēng)道隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，呈現(xiàn)整體下沉特性，且從現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)情況看，在沉降變化過程中，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有破壞，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。而且整體式長管棚在隧道開挖初期支護(hù)前一次性施工完成，不需在開挖初期支護(hù)施工過程中進(jìn)行搭接循環(huán)施工，大大縮短了開挖初期支護(hù)的工期，使隧道能夠及早封閉成環(huán)，對(duì)控制沉降非常有利。

5.6 地面出現(xiàn)的沉降槽要及時(shí)進(jìn)行回填處理

在地面出現(xiàn)明顯沉降槽后，槽內(nèi)積水會(huì)加劇沉降槽的發(fā)展以及加重洞內(nèi)初支結(jié)構(gòu)滲水現(xiàn)象，而且地面車輛經(jīng)過沉降槽時(shí)沖擊力加大，更加加重了沉降槽的沉降及車輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，而且較大的沖擊力對(duì)下方暗挖施工造成安全隱患。因此需及時(shí)對(duì)沉降槽位置的路面采用瀝青混凝土進(jìn)行回填修復(fù)，確保隧道結(jié)構(gòu)以及行車安全。

5.7 預(yù)留足夠外放量，確保二次襯砌結(jié)構(gòu)凈空

根據(jù)C風(fēng)道的施工經(jīng)驗(yàn)，覆跨比在0.4以內(nèi)的軟弱地層中，拱頂沉降值較大，因此在開挖初支時(shí)，預(yù)留足夠的外放量。

5.8 管線保護(hù)

施工前充分掌握隧道上方管線資料，建議提前將對(duì)沉降敏感的管線(如煤氣管、混凝土給水管等)進(jìn)行遷改或懸吊保護(hù)，并需密切注意，定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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