富水砂层中暗挖隧道施工沉降控制技术

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　　[内容提要] 富水砂层中暗挖隧道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。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超前控制，解决隧道开挖安全的同时有效减少沉降量，在开挖过程中执行“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的方针，控制时空效应，降低沉降量，解决富水砂层中暗挖隧道的沉降过大问题。
　　[关键词] 富水砂层沉降控制暗挖隧道
　　
　　0 前言
　　在地铁暗挖隧道的施工中，地表沉降规范要求控制在30mm以内，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。从工程进度、成本控制还是从工程质量安全来考虑，都要对沉降控制有足够的重视，从各方面着手，来有效控制沉降。
　　1 沉降原因分析
　　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、自稳性差的特点，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，二是因开挖产生土体位移。
　　1.1 孔隙水压力降低导致的固结降沉
　　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，逐渐反映而引起地表沉降。
　　1.2新奥法产生的土体位移
　　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。
　　隧道开挖至初支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喷锚支护为主要手段，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，阻止围岩进入松动的状态，同时采取超前支护，加之喷射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工以喷射混凝土支护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，增强了岩层的稳定性。
　　2沉降控制关键点
　　富水砂层中暗挖隧道施工的难点及核心在于如何控制沉降，只有有效的控制沉降才能确保施工的安全，
　　城市地铁隧道施工中的难点就是水的治理，如果能有效解决了水的问题，那么隧道施工就算成功了一半。由于地铁一般埋深较浅，且多位于富水回填层中，所以如何解决水的问题就显得至关重要。
　　沉降控制应该从设计及施工两个方面来考虑，两者同样重要，并且需要根据现场实际情况不断优化设计，只有这样才能将沉降控制在一个安全范围之内。设计主要从以下几个方面来考虑：（1）降水方式；（2）支护形式：（3）超前加固方法。施工主要从以下几个方面来考虑：（1）开挖面与成环仰拱之间的距离；（2）支护的时效性、焊接、喷锚的质量；（3）初支背后注浆的及时性与质量。只有从以上六个方面着手才能真正有效的控制沉降，确保周边建构筑物、管线的安全以及后续二衬施工的质量。
　　3 超前辅助措施
　　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。
　　3.1 全断面深孔注浆法
　　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；注浆材料经济无法污染；加固效果好，能严格控制地表沉降的优点。
　　3.2 高压水平旋喷桩加固法
　　高压水平旋喷桩支护原理与管棚法类似，起到超前加固支护，水泥与土体凝固一个强度较高的硬拱，同时还有封闭地下水的作用。
　　水平旋喷桩不仅具有梁效应、拱效应和土体改良加强效应，能够起到防流沙、抗滑移，保证隧道掘进安全，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。
　　3.3 地面井点降水
　　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。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。
　　4 隧道开挖过程控制
　　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的控制沉降。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；（2）及时对初支背后进行回填注浆。由于混凝土的自重及喷射混凝土密实度等的影响，初支背后与土体之间不可避免的会出现空隙，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。
　　5 沉降控制技术在安～侨区间的应用
　　5.1工程简介
　　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闹市区，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（砼16，一层地下室）、香格丽苑住宅（砼31，两层地下室）及部队驻地的水塔（钢筋砼结构），正下穿侨香四道及其路下的3000×2500mm埋深7.0m的雨水箱涵，横穿侨香路及其路下的6600×3100mm埋深8.0m的雨水箱涵和DN500次高压燃气管。
　　5.2工程地质条件
　　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。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9.0m的人工填土层，局部有约12.0m厚的填砂层。花岗岩中、微风化强度较高，最大的达150Mpa；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。
　　5.3沉降控制方法
　　在安托山站～侨香站区间矿山法隧道，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，发现导常及时处理。通过这样地面、洞内超前控制、开挖过程控制等多种技术措施，其合力作用收到较好的效果，隧道得以顺利贯通，比较好地控制了地表面沉降和洞内沉降，保证了相关建（构）筑物的安全。
　　5.4效果分析
　　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30mm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。
　　
　　
　　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66mm，最大值162mm；在穿越燃气管段水平旋喷桩法段，地面沉降平均值45mm、最大值72mm，燃气管单点累积最大沉降25mm、不均匀沉降差5mm。沉降从数据看超出了规范要求，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。
　　6总结
　　富水砂层中暗挖施工控制沉降是一个系统的工程，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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