復(fù)合地層條件下城市軌道交通暗挖工程問(wèn)題分析與對(duì)策

1、復(fù)合地層條件下城市軌道交通暗挖工程問(wèn)題分析與對(duì)策趙文強(qiáng)（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）摘 要 為解決上軟下硬復(fù)合地層條件下暗挖工程施工遇到的諸多問(wèn)題，以青島地鐵工程實(shí)例為載體，結(jié)合設(shè)計(jì)方案及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)工程遇到的坍塌及沉降問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)介紹和具體分析，指出了設(shè)計(jì)、施工中尚應(yīng)優(yōu)化、完善的地方，提出了主要以支護(hù)時(shí)效、地下水及爆破控制等方面的管控對(duì)策，并在具體工程實(shí)施中驗(yàn)證其有效、合理、可行。吸取教訓(xùn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為工程類(lèi)比提供參考。關(guān)鍵詞 復(fù)合地層；暗挖工程；工程風(fēng)險(xiǎn)；管控對(duì)策Analysis and Countermeasures of Common Problems o

2、n Compound Formation ConditionsZhao Wenqiang（China Railway Fifth Survey And Design Institute Group CO.,LTD.）Abstract In order to solve the problems of subsurface excavation method in the Compound formation conditions. This paper take the Qingdao subway engineering as an example to systematic introdu

3、ce and Specific analyze the common problems about the collapse and settlement problems of the surrounding rocks, referring to the design project and construction situation, and then point out the deficiencies about the design and construction and the countermeasures mainly about supporting aging, un

4、derground water and blasting control, which was verified in the practical engineering. Suming up experience and lessons and providing a reference for similar engineering.Keywords compound formation conditions; underground excavation; engineering risk; control measures 趙文強(qiáng)（1980-），男，河南濮陽(yáng)人，本科，2004年畢業(yè)于石

5、家莊鐵道學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)，主要從事地下工程方面的設(shè)計(jì)與研究。E-mail：wqzhao_2201 引言隨著城市化進(jìn)程的加快，交通問(wèn)題日益嚴(yán)重，城市軌道交通得以迅速發(fā)展。截止目前，國(guó)家發(fā)改委已批準(zhǔn)了36個(gè)城市的線(xiàn)網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)規(guī)劃，并且批復(fù)了其中28個(gè)城市部分項(xiàng)目的可行性研究報(bào)告。截止2012年末，全國(guó)約有1740km地鐵線(xiàn)路投入運(yùn)營(yíng)，位居全球第一1。根據(jù)目前的建設(shè)形勢(shì)，地鐵發(fā)展速度將比以前更快，建設(shè)難度將更大，單位造價(jià)將更高。軌道交通建設(shè)作為一個(gè)城市的重點(diǎn)基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，關(guān)系國(guó)計(jì)民生。軌道交通工程通常設(shè)置在城市中心繁華地帶，周邊建（構(gòu)）筑物多，城市管網(wǎng)密布，環(huán)境復(fù)雜，施工控制要求高。張昊就北京地鐵

6、暗挖工程中常見(jiàn)的超前小導(dǎo)管傾角，加工制作及臺(tái)階高度，背后注漿等問(wèn)題做了分析說(shuō)明2。謝明對(duì)深圳地鐵某暗挖區(qū)間地表沉降進(jìn)行了分析并提出了對(duì)策3，姚宣德等人就淺埋暗挖沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并提出了暗挖工程沉降控制建議值4。涉及上軟下硬復(fù)合地質(zhì)條件下暗挖工程的研究與文獻(xiàn)相對(duì)較少，本文以青島地鐵實(shí)例為依托，就復(fù)合地質(zhì)條件下暗挖工程遇到的問(wèn)題做典型介紹，主要通過(guò)對(duì)工程坍塌風(fēng)險(xiǎn)事件及沉降超限實(shí)例進(jìn)行分析，借以吸取教訓(xùn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。2 暗挖工程坍塌2.1 工程概況青島地鐵某礦山法區(qū)間為左右線(xiàn)分修的單洞單線(xiàn)隧道，左右線(xiàn)間距13m，開(kāi)挖跨度6.2m，左右線(xiàn)從中間豎井由小里程向大里程方向施工。該隧道拱頂埋深約1

7、4m，根據(jù)地勘報(bào)告自上而下為2.5m厚填土層，5.1m厚粉質(zhì)粘土層，4m厚粗砂層、2.9m厚中風(fēng)化花崗巖，綜合評(píng)定為五級(jí)圍巖，如圖1所示。隧道上方周?chē)謩e有DN600污水管1根（埋深約3.5m）、電信360×250、TV300×300、DN1200給水管1根（埋深約2m）、DN300污水管1根、DN600給水管2根、DN400煤氣1根。其中距隧道最近的為DN600污水管，距離隧道拱頂約10m。本段區(qū)間按五級(jí)圍巖設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，噴射混凝土250mm厚，超前小導(dǎo)管環(huán)向間距0.4m，L=3m,縱向間距1.5m，格柵鋼架每0.75m設(shè)置一榀，邊墻設(shè)置砂漿錨桿，L=3m,縱橫向1m間距

8、布置。圖1 隧道地質(zhì)剖面圖2.2 風(fēng)險(xiǎn)事件掌子面施工至左線(xiàn)ZK21+598處時(shí)，某日晚22：30左右發(fā)現(xiàn)拱部出現(xiàn)局部洞內(nèi)小坍塌，掉塊并且伴隨大量滲水，施工方立即采取封堵措施。次日凌晨1點(diǎn)掌子面拱部由于滲水太大，無(wú)法封堵，且水量越來(lái)越大，坍塌越來(lái)越嚴(yán)重，決定撤出施工人員，同時(shí)封閉路面交通，防止次生災(zāi)害。凌晨5：40地面塌陷，形成約15m2坑洞，并造成污水管斷裂，現(xiàn)場(chǎng)狀況如圖2、圖3所示。圖2 坍塌隧道內(nèi)照（一）圖3 坍塌隧道內(nèi)照（二）2.3 過(guò)程處治(1)砂袋封堵坍體，防止塌方加劇；(2)對(duì)臨近塌方段已施工初支加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)，避免因拱頂水土壓力增大而繼續(xù)坍塌，連鎖反應(yīng)加大損失；(3)打設(shè)抗滑錨管，

9、穩(wěn)定坍體；(4)地表注漿（結(jié)合洞內(nèi)補(bǔ)充注漿）加固隧道內(nèi)及拱頂坍塌下來(lái)的淤泥，取芯檢驗(yàn)注漿效果；(5)清理坍渣，打設(shè)密排長(zhǎng)導(dǎo)管超前支護(hù)，架設(shè)型鋼鋼架初期支護(hù)，加密沉降、管線(xiàn)、水位、收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，開(kāi)挖坍塌段，繼續(xù)向前施工。2.4 原因分析事故發(fā)生當(dāng)天下午勘察、設(shè)計(jì)單位還進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘，施工方未反映地質(zhì)、地下水等問(wèn)題，本段若無(wú)地質(zhì)突變和不規(guī)范施工，按上述五級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)事施工，不應(yīng)有坍方事故的發(fā)生。究其原因，初步分析有以下幾點(diǎn)：(1)由地勘資料揭示，該處拱頂中風(fēng)化花崗巖層厚度約2.5m，但塌方地段處于兩個(gè)地勘鉆孔（間距48m）的中間位置，有一定的不確定性。后期的補(bǔ)勘更證明了這一點(diǎn)，拱頂巖層厚度約1.2

10、m，圍巖破碎，裂隙發(fā)育。(2)該區(qū)域地勢(shì)低洼，前期的強(qiáng)降雨曾淹沒(méi)該處地面，致使地下水位升高，砂層飽和，巖土體抗剪強(qiáng)度大大降低。(3)隧道拱頂有DN600污水管一根，凈距10余米。污水管本身有可能漏水，通過(guò)強(qiáng)透水砂層源源不斷地供給，通過(guò)破碎巖體進(jìn)入隧道，爆破施工更加劇了這方面的影響，風(fēng)化巖遇水，大大降低圍巖自穩(wěn)時(shí)間。(4)爆破振動(dòng)使上覆巖層（1.2m）更松散，細(xì)砂（土）粒在滲流作用下進(jìn)入隧道，地面沉降加劇，污水管破裂，砂粒又隨污水、上層滯水進(jìn)入隧道，形成漏斗狀基坑。 (5)據(jù)了解，本工程爆破施工后數(shù)小時(shí)未進(jìn)行初期支護(hù)施工，支護(hù)嚴(yán)重滯后，圍巖過(guò)度松弛，大大降低其承載力。3 暗挖工程沉降超限3.1

11、工程概況青島地鐵某站位于十字路口下方，為單拱大跨暗挖車(chē)站，開(kāi)挖跨度20.6m，結(jié)構(gòu)高度18m，雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工工法。施工采用風(fēng)井作為施工豎井，局部加高風(fēng)道斷面，由風(fēng)道側(cè)壁開(kāi)馬頭門(mén)進(jìn)主體結(jié)構(gòu)正洞開(kāi)挖。風(fēng)道加高斷面開(kāi)挖跨度13.3m，拱頂埋深約5.4m，風(fēng)道上方有DN600，DN800給水管各一條。頂拱上部覆土為雜填土和粉質(zhì)粘土，拱部大部分處于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中亞帶和下亞帶，隧道洞身及仰拱圍巖多為中、微風(fēng)化花崗巖。隧道拱頂圍巖分級(jí)為級(jí)，風(fēng)道及加高段采用“CRD”工法施工。青島地鐵一期工程工程（3號(hào)線(xiàn)）還有四個(gè)單拱大跨暗挖車(chē)站，拱蓋法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，拱頂上覆巖（土）715m,均為上軟下硬的復(fù)合地層，本

12、文旨在分析工程實(shí)例，故不再一一贅述。3.2 沉降問(wèn)題風(fēng)道上導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，側(cè)壁開(kāi)馬頭門(mén)施工車(chē)站主體結(jié)構(gòu)左上、右上側(cè)導(dǎo)洞（左右導(dǎo)洞縱向錯(cuò)開(kāi)），在工序轉(zhuǎn)換上方發(fā)生了較大沉降，約80mm，沉降危及管線(xiàn)安全，進(jìn)而對(duì)土建工程安全構(gòu)成威脅。3.3 主要影響因素分析暗挖隧道開(kāi)挖引起地層應(yīng)力釋放，造成周邊圍巖松弛、變形及位移，淺埋地段影響到地表，造成地面下沉。地面變形主要與結(jié)構(gòu)埋深、上覆圍巖、地下水、結(jié)構(gòu)斷面形狀及支護(hù)方案等因素有關(guān)。就上軟下硬復(fù)合地層而言，我們就上述工程實(shí)例做如下分析：(1)大斷面結(jié)構(gòu)：風(fēng)道加高斷面開(kāi)挖跨度13m，拱頂埋深5.4m，為超淺埋暗挖隧道，CRD工法開(kāi)挖風(fēng)道斷面，上臺(tái)階完成后破壁開(kāi)

13、馬頭門(mén)施工車(chē)站主體結(jié)構(gòu)，隧道多步爆破開(kāi)挖擾動(dòng)圍巖，地層應(yīng)力多次重分布，造成地表沉降。(2)地質(zhì)條件差：風(fēng)道拱頂上覆雜填土，粉質(zhì)粘土，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，地層較差，隧道開(kāi)挖引起大量地下水流失，土中空隙水排出，土體產(chǎn)生壓縮，造成固結(jié)沉降。(3)初期支護(hù)滯后：有的施工現(xiàn)場(chǎng)爆破后即出渣，初噴工藝缺失，從爆破到初期支護(hù)間隔數(shù)小時(shí)，對(duì)地表沉降的延續(xù)無(wú)快速應(yīng)對(duì)措施。(4)爆破施工：就上軟下硬復(fù)合地層而言，爆破施工引起超挖，超挖回填的時(shí)效性影響地表沉降，另外，大跨車(chē)站開(kāi)挖導(dǎo)洞時(shí)要求臨時(shí)中隔壁與圍巖密貼，后期爆破時(shí)對(duì)中隔壁及背后圍巖振動(dòng)影響大，加劇地表沉降。(5)初支背后回填注漿滯后：部分施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面后50m尚未進(jìn)

14、行初支背后回填注漿，背后孔洞促進(jìn)圍巖松弛。(6)就淺埋暗挖而言，初期支護(hù)承受上部巖土柱壓力的全部荷載，地下水情況、支護(hù)剛度及時(shí)機(jī)均影響地表沉降。3.4 沉降控制措施綜上所述，暗挖工程施工過(guò)程中將不可避免產(chǎn)生沉降，但是對(duì)可控制的部分，須采取設(shè)計(jì)、施工措施控制沉降在限制范圍內(nèi)。結(jié)合目前地鐵設(shè)計(jì)、施工現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為沉降控制措施主要有以下幾點(diǎn)：(1)對(duì)大跨度暗挖工程而言，在上部圍巖破碎，裂隙發(fā)育，地下水豐富情況下，在隧道開(kāi)挖完成后二襯施工之前進(jìn)行徑向圍巖固結(jié)注漿：充填噴射混凝土與圍巖之間空隙，加固松散破碎巖體，形成承載拱，同時(shí)起堵水作用，減少施工失水。此注漿工藝在青島地鐵某工點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，效果明顯，較

15、好地控制了地表沉降。(2)控制開(kāi)挖進(jìn)尺，優(yōu)化施工順序。隧道爆破開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺宜控制為一榀格柵鋼架間距，開(kāi)挖完成后即刻進(jìn)行初噴作業(yè)，扒渣后及時(shí)架立鋼架，因噴射混凝土強(qiáng)度需要一段時(shí)間，鋼架架立時(shí)利用墊塊使之與圍巖局部接觸，確保受力，而后復(fù)噴混凝土完成初期支護(hù)，后期實(shí)施出渣作業(yè)，做到早支護(hù)，早受力。(3)加強(qiáng)光面爆破和預(yù)裂爆破，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，控制鉆孔精度和裝藥量，保證起爆順序，控制對(duì)圍巖固有支護(hù)能力的損傷和超欠挖。(4)初支背后注漿緊跟掌子面，一般距離掌子面35m，隨開(kāi)挖隨注漿。注漿時(shí)清理預(yù)埋注漿管中噴射混凝土，防止阻塞，保證注漿效果。(5)合理的施工組織設(shè)計(jì)。對(duì)大跨車(chē)站而言，加強(qiáng)工序轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)處初期

16、支護(hù)的支護(hù)，在風(fēng)道破壁進(jìn)正線(xiàn)施工前完成風(fēng)道的二襯施工，對(duì)區(qū)間而言，地層較差時(shí)采用初支早閉合的短臺(tái)階法施工，同時(shí)控制左右線(xiàn)掌子面間距，一般不低于2D（開(kāi)挖跨度）。(6)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與信息化設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)施工，本為地下工程必要的輔助手段，是常規(guī)的作業(yè)要求，本文不再贅述。青島地鐵一期工程（3號(hào)線(xiàn)）暗挖車(chē)站及區(qū)間主體結(jié)構(gòu)開(kāi)挖已基本完成，采取上述主要措施后地層沉降及變形基本得到控制，施工措施合理可行。4 暗挖工程問(wèn)題處理原則與對(duì)策暗挖工程修建過(guò)程中最主要的問(wèn)題仍然是沉降變形及變形發(fā)展未得及時(shí)控制產(chǎn)生的管線(xiàn)破裂，建筑物受損甚至塌方等問(wèn)題，輕則影響市民生活與出行，重則危及人民群主生命財(cái)產(chǎn)安全。就上軟下硬復(fù)合地層而

17、言，解決上述問(wèn)題重點(diǎn)考慮以下幾點(diǎn)：(1)深刻理解 “管超前，嚴(yán)注漿，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)，早封閉，勤量測(cè)”淺埋暗挖十八字方針的精髓，并在實(shí)際工程中做到具體落實(shí)。就復(fù)合地層而言，還需重點(diǎn)把握“弱爆破，早支護(hù)”的施工組織原則，減小對(duì)圍巖擾動(dòng)，控制超欠挖，支護(hù)提前受力，約束圍巖抑制松弛。做到以上幾點(diǎn)，地下工程風(fēng)險(xiǎn)是基本可控的。(2)水是生命之源，而對(duì)于地下工程而言，乃萬(wàn)惡之首?？v觀(guān)近年的軌道交通工程多起事故：北京地鐵十號(hào)線(xiàn)某區(qū)間工程塌方、地鐵七號(hào)線(xiàn)某風(fēng)道工程塌方、地鐵六號(hào)線(xiàn)某站主體涌水突泥，十號(hào)線(xiàn)二期某站風(fēng)道基坑涌水，青島地鐵某區(qū)間的掌子面坍塌以及本文上述的工程事故，均與地下管線(xiàn)滲漏水有著直接或間接的關(guān)系

18、。工程設(shè)計(jì)、施工前務(wù)必調(diào)查清楚工程周邊管線(xiàn)情況，施工現(xiàn)場(chǎng)展板標(biāo)示平、剖面關(guān)系，說(shuō)明管線(xiàn)材質(zhì)、接頭、使用年限，調(diào)查清楚滲漏情況。施工期間建立日?qǐng)?bào)制度時(shí)刻警示，同時(shí)每日交底一線(xiàn)工人掌子面與有水管線(xiàn)的具體位置關(guān)系。另外，展板在緊急情況下能及時(shí)提供分析素材，為搶險(xiǎn)準(zhǔn)備贏(yíng)得寶貴時(shí)間。另外，對(duì)臨近泄洪區(qū)、雨水暗渠、暗河、排污隧道的地下工程，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)施工的風(fēng)險(xiǎn)，采取隔水措施避免水進(jìn)入基坑，同時(shí)盡量避開(kāi)雨季施工，回避風(fēng)險(xiǎn)。(3)注漿是地下工程的靈魂，改良地層，加固圍巖，改善地下水對(duì)工程的侵害。注漿方式、方法是否合理有效客觀(guān)上決定著整個(gè)工程的成敗。對(duì)復(fù)合地層中上部砂層、強(qiáng)風(fēng)化巖，破碎帶而言，選擇合理的注漿方式

19、、方法，合適的注漿材料，適當(dāng)?shù)淖{工藝是工程成功的關(guān)鍵。對(duì)上覆富水砂層的復(fù)合地層，半斷面帷幕注漿或周邊半封閉預(yù)注漿均不失為較好選擇。當(dāng)然，注漿經(jīng)驗(yàn)是在多工程實(shí)踐、多工程類(lèi)比，多次的試驗(yàn)、摸索中總結(jié)出來(lái)的，注漿方案是綜合地質(zhì)水文特點(diǎn)，隧道施工方法及周邊環(huán)境要求等多方面選擇確定的。鑒于注漿工程的重要性、專(zhuān)業(yè)性及經(jīng)驗(yàn)性，建議使用專(zhuān)業(yè)注漿公司實(shí)施作業(yè)，確保質(zhì)量。(4)改進(jìn)大斷面結(jié)構(gòu)中臨時(shí)中隔壁與圍巖密貼增大整體剛度的理念。在軟弱地層中此觀(guān)念合理可行，但對(duì)需爆破開(kāi)挖的工程來(lái)說(shuō)，圍巖與型鋼臨時(shí)中隔壁密貼，爆破振動(dòng)對(duì)臨時(shí)中隔壁影響很大，瞬間產(chǎn)生拉力下拉節(jié)點(diǎn)處格柵鋼架，造成安全隱患。比較可行的辦法，導(dǎo)坑開(kāi)挖時(shí)

20、超挖0.5m左右?guī)r體，通過(guò)型鋼背后（圍巖側(cè)）放置石棉瓦作為“模板”噴射混凝土，背后預(yù)留臨空面，同時(shí)優(yōu)化爆破方案，減小爆破對(duì)中隔壁的影響，此方法已在青島地鐵某些工地使用，效果較好。(5)強(qiáng)化施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管，重點(diǎn)控制關(guān)鍵工序，切實(shí)做到“四密實(shí)”5，即混凝土密實(shí)、噴射混凝土密實(shí)、初期支護(hù)與圍巖密實(shí)、二次襯砌與初期支護(hù)密實(shí)。重視噴射混凝土初噴，填平圍巖凹面，覆蓋弱層，防止應(yīng)力集中，同時(shí)具有防止圍巖風(fēng)化，止水和微顆粒流出等效果。重視初支背后、二襯背后的回填注漿，隧道襯砌背后和圍巖之間存在空洞時(shí)都會(huì)促進(jìn)圍巖松弛，使襯砌產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，損失襯砌功能，降低其承載力，加大地表沉降，并且也對(duì)工程防水造成了隱患，運(yùn)營(yíng)

21、期間的列車(chē)振動(dòng)更加劇了這一影響。(6)改進(jìn)超前小導(dǎo)管支護(hù)設(shè)計(jì)。常規(guī)超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度3m或3.5m，每?jī)苫蛉駯配摷懿贾靡画h(huán)，超前小導(dǎo)管鉆孔施工時(shí)切割巖體，由于小導(dǎo)管較長(zhǎng)且有一定外傾角，形成小導(dǎo)管下部的較大超挖。對(duì)掌子面穩(wěn)定性較差的地段，采取每榀格柵鋼架打設(shè)一環(huán)超前小導(dǎo)管，相應(yīng)縮短小導(dǎo)管長(zhǎng)度至1.82m，短小導(dǎo)管在狹窄空間更易鉆孔，安裝，更易控制外傾角，能大幅降低超挖，降低圍巖松弛和工程防水隱患，復(fù)雜地質(zhì)條件下具有推廣價(jià)值。(7)清楚認(rèn)識(shí)隧道計(jì)算中的參考意義。隧道計(jì)算一般采用有限元軟件建立地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果取決于地層參數(shù)的選取，而地層參數(shù)存在很大不確定性。必須說(shuō)明，隧道模擬計(jì)算

22、結(jié)果重點(diǎn)在于說(shuō)明各施工工況中的沉降或變形趨勢(shì)和各工況在總變形量中所占的大約比例，并根據(jù)此結(jié)果提示施工中應(yīng)重點(diǎn)控制的工況，分步控制變形和位移。(8)商榷現(xiàn)行沉降限值要求的必要性、合理性。國(guó)內(nèi)地鐵暗挖工程對(duì)地表沉降限值一般要求30mm以?xún)?nèi)，多家單位或個(gè)人就國(guó)內(nèi)車(chē)站、區(qū)間暗挖工程的沉降值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，一般認(rèn)為車(chē)站、區(qū)間的地表控制限值分別為60mm、30mm比較合理，此問(wèn)題不再贅述。5 結(jié)語(yǔ)(1)對(duì)隧道坍方等工程事故的搶險(xiǎn)而言，應(yīng)遵循安全，快速，不產(chǎn)生次災(zāi)害的原則；遵循“治坍先治水，治坍先加強(qiáng)”原則，對(duì)控制沉降而言，科學(xué)設(shè)計(jì)，規(guī)范施工是重中之重。(2)水威脅地下工程的安全，封堵外來(lái)水源，避免其對(duì)地下工程的侵害，是地下工程最重要的一環(huán)。對(duì)地下水而言，堵、排處理與地表沉降關(guān)系