合肥地区城市隧道浅埋暗挖法适应性分析

1.1 概述

　　浅埋暗挖法的技术核心是依据新奥法的基本原理，在施工中采用多种辅助措施加固围岩，充分调动围岩的自承能力，开挖后及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，是一种抑制围岩过大变形的综合施工技术。

　　浅埋暗挖法根据土体的软弱程度，通过采取不同的支护方式、开挖方式、地层加固措施。各种工法对地层适应性状况见表1.1。

　　表1.1 各工法对地层适应性比较

　　浅埋暗挖施工中应坚持“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针，这套施工要点准确地概括了浅埋暗挖施工技术。

　　“管超前”——在工作面开挖前，沿隧道拱部周边按设计打入超前小导管起超前支护作用，开挖后管与管之间的围岩有成拱效应，管棚本身形成很多简支梁对围岩起支撑和抑制围岩变形作用，以便提供一个能完成初期支护的时间。

　　“严注浆”——在打设超前小导管后注浆加固地层，使松散的砂砾等能胶结起来，以便在开挖后不引起坍塌。在导管超前支护后，立即进行压注水泥或水泥水玻璃浆液，填充砂层孔隙，凝固后将砂砾胶结成为具有一定强度的“结石体”，使周围形成一个壳体，增强围岩自稳能力。此外，严注浆还包括初支背后注浆和二衬背后注浆。

　　“短进尺”——每个开挖循环距离要短，这样才能做到开挖和支护时间尽可能短，且由于嵌制作用和纵向围岩暴露得少，确保了施工完全。

　　“强支护”——采用格棚钢架和速凝混凝土进行较强的初期支护，以限制地层变形，浅埋暗挖法的网喷支护承载安全系数取得转大，一般不考虑二次支护承力。

　　“早封闭”——开挖后初期支护要尽早封闭成环，以便改变受力条件。

　　“勤量测”——施工量测指地表沉降量测和洞内拱顶下沉与收敛量测。量测是对施工过程中围岩及结构变化情况进行动态跟踪的主要手段，是对威严和支护结构的变形监测，其信息及时而准确地反馈给设计施工主管部门，以便修改设计或采取特殊的施工措施。

　　在坚持这十八字方针的同时，浅埋暗挖隧道在设计、施工过程中要特别注意场地工程地质条件和周边环境，使施工方法和施工过程始终与工程地质条件和周边环境相适应。

　　1.1.1 一般要求

　　（1）控制围岩变形波及地面

　　变形量不仅包括由于开挖直接引起的围岩的沉降变形，而且包括由于围岩作用引起的支护体系的柔性变形和各阶段施工中基础下沉变位而引起的结构整体位移。为了避免破坏地面建筑物及地层内埋设的线路管网，保护地面自然景观，克服对地上交通的影响，更好地适应周围环境的需要，必须严格控制地中及地表沉陷变形量。

　　（2）要求刚性支护或进行地层改良

　　为了抑制地中及地面的变形沉陷，浅埋暗挖法施工时，其支护时间必须尽可能提前，支护的刚度也应适当加大；必须选用适当的开挖方法、支护方式及施工工艺。另外，还应经常采用对前方围岩条件进行改良及超前支护等基本措施。

　　（3）通过试验段来指导设计和施工

　　如果工程场地周围环境及隧道所处地段地质非常复杂，在做出结构设计、施工方案、试验及量测计划设计后，往往需要选取地质条件及结构情况有代表性的一段工程作为试验段，先期开工。施工过程中，对引起的地中及地面沉陷变形、支护结构及围岩应力状态、地面环境受影响程度等情况进行观察、量测、分析和研究。根据试验段施工中所取得数据，还可以用反分析法获得更多更符合实际的围岩力学参数，并在此基础上进行力学分析计算。

　　通过对试验段施工的研究分析，对整体施工方案进行优化设计，对量测数据管理标准进行验证。

　　1.1.2 施工原则

　　（1）根据地层情况、地面建筑物特点及机械配备情况，选择对地层扰动小、经济、快速的开挖方法。若断面大或地层较差；可采用经济合理的辅助工法和相应的分部正台阶开挖法；若断面小或地层较好，可用全断面开挖法。

　　（2）应重视辅助工法的选择，当地层较差、开挖面不能自稳时，采取辅助施工措施后，仍应优先采用大断面开挖法。

　　（3）应选择能适应不同地层和不同断面的开挖、通风、喷锚、装运、防水、二次模筑衬砌作业的配套机具，使施工程序化，为快速施工创造条件。设备投入量一般不少于工程造价的10％，否则难以满足工程质量和进度的要求。

　　（4）现场施工过程中的监控量测与反馈在浅埋暗挖法施工中非常重要，必须在施工组织设计中作为重要的工序进行规划和实施。必须采用先进的量测设备、方法和相应的处理量测资料的软件。

　　（5）工序安排要突出及时性，尤其在开挖后要认真做到及时喷射混凝土、及时量测、及时反馈、及时修正。地层较差时，应严格执行“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”十八字方针。

　　（6）提高职工素质，组织综合工班进行作业，以提高施工质量和速度。当前，许多施工队伍严重缺乏管理，施工质量差，极易造成塌方和大幅度沉降。

　　（7）在施工过程中，开挖、喷锚、装渣运输等工序将产生大量粉尘、噪音和有害气体，应加强通风、防尘措施及管理，并指定专人负责，做到文明施工，在洞内外都要处理好施工、人员、环境三者的关系。

　　（8）应采用网络技术进行工序时间调整，进行进度管理、安全技术组织措施管理、机械配套和维修管理、监控量测与反馈管理、质量检验管理、材料消耗管理、环境工程管理等，应配套容量较大的微机进行存储和分析。

　　1.2 水文与工程地质条件

　　1.2.1 地形地貌条件

　　合肥市是安徽省省会，位于安徽省中东部、江淮丘陵中部，江淮分水岭南侧，属江淮丘陵的一部分，区内地形呈微波状起伏，最大高差在40米左右。西部大蜀山孤峰突起，为本区的最高点，海拔高程282m。区内由于南淝河以及自北向南来汇的两条南淝河支流-四里河、板桥河长期的流水侵蚀-堆积作用，本区河流地貌特征明显，以河谷为中心向两侧延展。

　　合肥市地貌类型划分为如表1.2所示。

　　表1.2 合肥地区地貌类型划分

　　

　　1.2.2 地层

　　合肥市位于合肥断陷东缘中部，属华北地层区淮河地层分区。区内地层发育不全。基底仅见早元古代双山组，盖层为侏罗纪-第四纪地层。区内主要地层包括：早元古代地层、中生代地层、新生代地层、第四纪地层。

　　1.2.3 水文地质条件

　　合肥市属于中、新生界分布的波状平原区，地表分布着以粘性土为主的第四系松散沉积物，其下为侏罗系-第三系的红色碎屑岩类。第四系松散岩类所组成的冲积平原为现代河流所控制，地下水主要赋存于河漫滩相和河床相粉土夹透镜状砂层孔隙中，泥质胶结，其透水性和富水性差，地下水主要赋存于红层粗碎屑岩段、富钙层位的裂隙、断裂破碎带以及风化带中。

　　合肥地区为贫水区，地下水主要富存于新生界第四系、上第三系、下第三系松散岩类，中生界白垩系、侏罗系碎屑岩类及下元古界肥东群碳酸盐岩中。第四系分布广泛，覆盖于碎屑岩之上，含孔隙潜水和微承压水。由于中生代和新生代碎屑岩厚度大，局部结构松散，节理、裂隙发育。其富水程度受岩性、结构构造、胶结类型、胶结程度和裂隙发育程度以及断层构造等影响。在断层破碎带、构造裂隙发育地段，形成局部富水带。碳酸盐岩主要分布在区域东部及东南部低山、丘陵地带，其富水性主要受岩性、构造及岩溶发育程度等因素控制。

　　1.2.4 地层土体工程地质条件

　　合肥地区位于江淮之间，中生代断陷盆地所构成的内陆相红层的东南部，因此下伏基岩以粉细砂岩为主，第四纪晚更新世以来除古河道沉积了粘性土、少量砂类土之外，还堆积了大面积的冲洪积粘性土，之后，由于南淝河及其支流四里河、板桥河等的作用，又沉积了一套粘土类土和砂类土。

　　1.3 技术可行性分析

　　浅埋暗挖法作为城区地下隧道施工方法时，适用于不宜采用明挖施工且含水量较小的各种地层，尤其适用在都市城区地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布且对地表沉降要求严格情况下修建地下工程；对于含水量较大的松软地层采取堵水或降水措施后也能适用。目前，采用浅埋暗挖法修建城市地铁主要受到地质条件、结构断面、地形条件等因素的影响。 特别是城市地铁采用浅埋暗挖法基本是在无水条件下施工，通常情况下，城市地下水位一般较高，水的影响往往是浅埋暗挖法施工成败的关键，而大深度、大范围降水可能会对周围环境造成破坏 (如导致地面沉陷、 地下水流失等)，而且也是造价偏高的一个原因。

　　从理论上讲，只要采取适宜的辅助工法，浅埋暗挖法可以在任何地层中应用，但从经济和技术综合评价的角度出发，浅埋暗挖法对地层应有一个适用范围和条件。根据国内外的实践经验，浅埋暗挖法对地层的基本适用条件为：①无水作业。带水作业对浅埋暗挖法施工是非常困难的，开挖面的稳定性时刻受到水的威胁，甚至发生坍方。经验表明，涌水量在50L/min的隧道必须采取排除地下水或止水(灌浆)或压气等辅助工法，把地下水、尤其是上层滞水处理好是非常关键的环节，这直接影响到浅埋暗挖法的成败。大范围的淤泥质软土、含水砂层、降水有困难或经济上不合算的地层，不宜采用浅埋暗挖法。②开挖面具有一定的自立性和自稳性。工程开挖后的自稳性与围岩的力学特性有关，与围岩的物理性质有关，与坑道涌水量有关，与覆盖土厚度有关。日本土木学会曾提出开挖工作面土体稳定的定量判别标准：土壤中的细颗粒含量小于或等于1000，且均匀系数小于或等于5的土壤，不具备自立性。我国对于土壤的自立性还未作出定量规定，但从定性上提出了要求：工作面土体的自立时间，应足以进行必要的初期支护作业。我国把开挖面前方对地层的预加固和预处理，视为浅埋暗挖法的必要前提，目的就在于加强开挖面的稳定性，增加施工的安全性。

　　1.4.1 工程地质条件适应性分析

　　合肥地区为贫水区，地下水主要赋存于河漫滩相和河床相粉土夹透镜状砂层孔隙中，泥质胶结，其透水性和富水性差。从地下水角度分析，合肥地区具备浅埋暗挖的基本水文地质条件。就合肥全区而言，地下一定深度处主要分布有粘土、粉土，性质较为稳定，淤泥质土体仅在浅部区域局部分布，因此，从土层性质角度分析，合肥地区具备浅埋暗挖的基本工程地质条件。

　　与此同时，浅埋暗挖法对断面结构形状适应性强, 不但可以轻易地做成圆形、 马蹄形、 矩形、 多跨联拱等形状, 而且对不同结构断面转化, 衔接都较容易。因此，在合肥地区采用浅埋暗挖法施工时，要因地制宜，根据场地工程地质条件，采用合理的断面结构形式，以保证施工安全。

　　1.4.2 地面沉降变形分析

　　浅埋暗挖隧道开挖时，地层岩体内原有的天然应力场将重新分布以达到新的平衡状态，隧道两侧壁产生减压区，压应力消失，隧道围岩聚集的弹性能将被释放出来，造成围岩被压碎并向开挖空间内突出。同时，隧道拱顶底部产生减压区，压应力被拉应力所代替。从而引起围岩被破坏，造成地下洞室附近地层移动与变形。具体而言，施工过程中地表沉降变形的主要原因有：① 开挖时因土体应力释放产生的位移；② 支护结构封闭成环前，上方土体和支护结构的整体下沉；③ 中隔墙拆除引起的支护变形；④ 施工中因地层失水引起的土体固结。

　　为了有效控制浅埋暗挖隧道开挖时的地面沉降变形，主要采取以下措施：

　　① 开挖控制

　　控制开挖产生沉降的方法包括隧道自身措施及地层处理技术。

　　② 超前小导管注浆控制

　　超前小导管注浆加固地层技术，是通过沿隧道开挖轮廓线外纵向向前倾斜钻孔安设注浆管，并注入浆液，达到超前加固围岩和止水的目的，同时小导管还可起到超前竹棚预支护作用。

　　③ 初支背后注浆控制

　　隧道开挖后应及时进行初支背后注浆，填充初支背后的空隙，同时在注浆的过程中控制注浆压力并保持浆液凝固后仍保持一定压力，以便补充因隧道开挖而导致开挖面附近地层应力损失，以使地层能迅速实现应力平衡，缩短地层应力调整时间，即地层位移变形的收敛时间。

　　1.4.3 浅埋暗挖施工对地面建筑物的影响分析

　　城市工程浅理暗挖隧道工程施工不可避免地将扰动地下岩土体。对于浅理隧道情况，扰动范围波及到地表，形成施工沉降槽。施工沉降槽可能严重影响地面沉降和塌陷，从而导致道路路面破损，地下已有管道破坏以及其他建筑物、构筑物的损坏；地中土层的沉降和水平位移也将改变土中结构物的受力状态，引起结构物附加变形。

　　控制建构筑物影响程度的措施：

　　① 控制地下水

　　井点降水、深泵降水或注浆都可以降低地下水。无论采用哪种方法，成功控制地下水可显著减小开挖产生的土体运动。

　　② 控制施工中沉降对建构筑物的影响

　　修建隧道过程中将产生地层运动，很多方法可以用来保护受这种地层运动影响的地上及地下建筑物。最直接的方法是确保建构筑物在显著地层运动影响区范围外，因此隧道线路设计可认为是一种保护措施。另外一种用来减小地层运动对于建构筑物影响的方法是确定合理的隧道施工工序，合理的施工工序可以达到各阶段受力的合理转换，从而控制施工产生地层运动。

　　该类控制措施具体的方法包括：一是控制施上开挖产生的地层沉降；二是隔断沉降以减小开挖对建筑物的影响；三是结构自身加强措施。

　　1.4.4 浅埋暗挖工法对地下管线的影响及保护措施

　　城市地下工程要不可避免地经过客流密集的地方，因此，地下工程建设对于城市道路路面下埋设的各种市政管线的影响是不可避免的。地下开挖会使周围地层和地面产生变形，严重者会影响到管线的正常使用。因变形过大造成管线断裂、隧道涌水、基坑坍塌、道路中断、房屋倾斜等工程事故时有发生。所以，解决浅埋暗挖法施工中地下管线的安全保护技术问题已成为地下工程施工的重中之重。

　　对邻近管线的保护是一项系统的工作，包括施工前由施工、设计和业主单位组织进行的管线调查、管线受施工影响的安全性评价、管线变形监测及施工技术控制措施的运用和工程风险管理等多方面的内容。这些工作环环相扣，密切相关，每一项具体工作的开展是否落实到位，都直接影响到施工技术控制效果的成败。具体而言，地下管线的保护措施包括：

　　① 地下管线前后一定范围内格栅密排保护；

　　② 经过地下管线时，结合格栅加密范围，采用双排小导管注浆，加固开挖掌子面保护；

　　③ 经过地下管线时采用CD法施工，设置中隔壁，保证开挖土体的稳定性及对沉降的控制；

　　④ 施工期间应注意对地下管线进行保护，并应采取必要的导流、防渗措施。