城市地铁浅埋暗挖隧道地层沉降分析与控制

结合深圳地铁一期工程第六标段科华区间暗挖隧道工程实例,分析了软弱富水地层的沉降特性和引起地层沉降的原因,根据沉降原因提出了严格执行“十八字方针”、适度排放地下水、讲究开挖施工方法等控制对策,为软土地层进行城市地铁暗挖隧道有效控制沉降提供借鉴。

关键词 地铁 浅埋隧道 暗挖隧道 沉降控制 1 引言 随着城市建设的迅猛发展,地面空间压力越来越大,为解决城市交通、停车、贸易、通讯、供水、供电等工程项目占地的重大难题,城市隧道及地下空间将被大力开发与利用。任何地下工程的开挖施工,无论其埋深大小,均将扰动地下土体,地表面必将发生或大或小的沉降。而城市地铁隧道其埋深均较浅,如不根据地表环境保护要求,分析引起沉降的主要因素,并采取适当措施加以控制,则将危及地面建筑物的安全,危及城市道路、管线的安全。现根据深圳地铁一期工程施工情况,分析城市浅埋暗挖隧道沉降的主要特性、引起沉降的主要因素,提出采取的控制措施,供类似地质暗挖隧道参考。 2 地层沉降的特性 深圳地铁一期工程全长19.47双正线km,共设车站17座,除4个区间采取盾构施工外,其余区间均为暗挖施工,根据监测资料汇总分析,区间隧道开挖对地层沉降的影响具有以下特性。 (1) 地表沉降值大于隧道拱顶下沉值 在深圳地铁一期工程施工中,沿线地表沉降值普遍较大,特别是洞顶有砂层的地段,沉降值一般为100～200mm,个别点达250mm以上;而洞内拱顶沉降值相对较小,最大100mm左右,洞内周边收敛值不超过10mm。 (2) 开挖对地表影响范围大 隧道开挖引起地表沉降范围大。从监控量测资料看,开挖引起地表沉降纵向、横向范围较大,一般超过开挖两侧边缘约30～40m的地面出现沉降裂缝,在砂层地段甚至更远。 (3)支护成环后土体达到稳定所需的时间较长 从深圳地铁施工情况看,隧道初期支护闭合成环后,其拱顶及地表仍有一定下沉,一般持续40d左右沉降基本结束。待结构二次衬砌施作完成后,才完全稳定。 (4)隧道开挖超前影响范围小于其滞后影响范围 按可比下沉值比较,开挖超前影响范围一般约在30m左右;而对后方影响范围较大,唯有二次衬砌完成后,隧道结构才趋于稳定。 3 地层沉降的原因分析 (1) 地层土体特性的影响 隧道力学理论认为,浅埋暗挖隧道上覆地层已无自承载能力,荷载应全部由隧道结构来承担。但实践表明,不仅土层,即使是干砂,地层仍能形成自然载拱。深圳地铁隧道上覆土是海冲击层,空隙比较大,若保持最优含水量时,为极硬土性质,失水后易造成超固结,引起较大沉降;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大,地表下沉值大于隧道拱顶下沉值,特别在砂层、砾砂层段表现更为突出。 (2) 地下水的影响 地铁隧道一般处在地下水位以下,开挖排水后地下水不断渗出,形成多道渗水通道,使地层持续失水,土层空隙及节理裂隙固结收缩,引起地表超前、超大范围沉降。从深圳地铁施工监测情况看,地层持续失水是引起地表沉降最根本、最主要的原因。 (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,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。 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,伴随着地表大范围下沉,沉降槽宽度及下沉量均较大。可见,控制地层应力释放度是解决下沉及波及范围的关键。 (4) 隧道作用的叠加影响 实践表明,已衬砌的隧道,当两隧道的中心线距>2.5D(D为隧道宽度)时,两隧道之间的相互作用减弱,但若中心线距≤2D时,则其相互作用明显。对未衬砌隧道,当两隧道中心线距为5D时,可不考虑相互作用,但中心线距≤3D时,则必须考虑其相互作用影响。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,会造成地层的突然松弛,出现大的和持续不断的沉降。两隧道的相互作用会使地表沉降有叠加效应,因此在左右线间距一定的情况下,增大两隧道的相对开挖距离是减少其叠加作用影响的关键。 (5) 施工方法 城市地铁隧道开挖常用的工法中,台阶法是引起地表下沉最为严重的一种施工方法,但因其操作简单,成本低,只要措施得当,一般可满足地表沉降要求。国内外区间单线隧道施工多采用台阶法。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。软弱地层尤其是渗水较大的地层,台阶长度不可过短。此外,尚需采取环形开挖留核心土,并施加辅助工法等措施。 台阶法的理论与实践表明,软弱地层台阶长度不宜小于5～6m,若涌水严重,山岭隧道普遍采用的2～4m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。

(6)开挖进尺的影响 开挖进尺的大小实质上是工作面无支护空间的大小,其值决定着地表下沉及拱顶沉降,也影响开挖面的稳定性。 软土隧道工作面难以自稳,因而必须支撑。研究表明,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,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有什么关系,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。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,有目的地控制。 (7)工作面的推进速度 沉降具有时空效应。工作面推进速度的加快,意味着各工序时间的缩短,隧道开挖裸露的空间亦小,其存在的时间亦短,利于控制地层变位的调整。 (8)初期支护刚度 大刚度支护是控制地表下沉的有效措施,尤其是对浅埋暗挖隧道。在总刚度一定的条件下,地层刚度小,势必要增大初期支护的刚度。复合式衬砌结构,根据设计的荷载分配,一般结构二次衬砌不承担施工期荷载,但根据实际施工及有关监测资料,初期支护后至地表达到稳定的时间较长,唯有二次衬砌后,隧道及地表才完全稳定。因此,适当提高初期支护刚度对稳定地层是有好处的。 4控制地层沉降的对策 地表下沉是多因素的综合作用。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。针对上述原因分析,提出以下控制对策供参考。 (1) 领会并严格执行“十八字方针” 浅埋暗挖法是在城市地铁隧道施工历经多地区实践基础之上提出的具有我国特色的软土隧道施工方法。它的精神实质及要领都融合在这十八字方针里———“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。 “管超前”不仅仅是简单地利用小导管等进行超前预加固支护,其加固效果与小导管直径、长度、间距、安设角度、搭接长度以及浆液等都有关系;“短开挖”不是指台阶长度短,而是指控制循环进尺,少扰动地层,开挖范围小且留核心土;“快封闭”不仅仅是指全断面及早封闭,在分部开挖中,每一分部开挖面也应能尽快封闭。 总之,城市地铁隧道施工,要很好地控制地表下沉,必须深入领会十八字方针,在施工中认真贯彻落实。 (2)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,反而引起地表大范围沉降。因此,在能保证工作面稳定、能保证正常开挖的条件下,应尽量减少地下水的抽排,可根据情况采取止水帷幕或旋喷桩等阻断地下渗水通道,采取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,掌子面开挖过后及时停止;采取断面注浆、喷混凝土等措施稳定工作面;根据具体地层条件,及时调整小导管、格栅支护参数、注浆参数,确保注浆效果。

(3)确定适合地层条件的施工方法 为有效控制地表沉降,台阶法应预留核心土,台阶长度应根据地层条件确定,地层愈软,台阶长度愈长;为使开挖各分部早闭合,上台阶一般应增设临时仰拱,特殊地段上台阶拱脚处应架设钢支撑喷混凝土作托梁,实践表明,采用该方法施工,拱顶及地表下沉明显减缓。 (4)拉开左右线隧道的开挖距离 两隧道的中心线距≤3D时,两隧道的开挖对地层沉降会有叠加影响。软弱围岩其沉降影响范围大,建议两工作面的开挖距离控制在30m以上。 (5)缩短开挖进尺 城市地铁尤其是软弱地层隧道,开挖进尺应尽量小。根据实践经验,建议每循环进尺取断面开挖宽度的0.1倍。 (6)加快工作面的推进速度 工作面速度的加快,意味着各工序施工时间的缩短,地层应力的释放得到有效控制,地层内部的变位调整也将减小。 (7)增大初期支护刚度 初期支护施作后,本身有一个徐变过程。超前支护,一般采取增大小导管直径、减小布置间距、严格注浆等措施加强;钢格栅,在间距一定时,宜增大主筋直径,增大支护初期刚度,以控制沉降。 (8)合理安排二次衬砌时间 孔隙水的调整所产生的附加应力是一个漫长的递增过程。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,软土隧道应及时施作二次衬砌。深圳地铁隧道的实践表明,二次衬砌施作后,地层变位趋于稳定。 5 结论 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。 软弱围岩条件下进行地铁暗挖隧道施工,水是施工的大敌,如何有效地控制地下水,处理好降排水、施工与地表沉降三者的关系,尚需作更深入的研究。 地表沉降问题目前仍是困扰城市地铁暗挖隧道施工的难点,其所带来的环境问题以及由此引发的负面社会效应不容忽视。