城市地铁浅埋暗挖隧道穿越富水砂层施工.doc

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摘　要：结合深圳地铁1号线续建工程试验段土建2标四个过深南大道出入口通道及一个风道暗挖隧道工程实例，分析富水砾砂层的沉降特性和引起地层沉降的原因，提出了根据地表沉降控制要求适度排放地下水，允许带水作业，按地面沉降限制条件采取不同的施工措施，达到安全、经济的效果。　　
关键词：地铁；浅埋暗挖隧道；富水砂层；大管棚；水平旋喷桩；沉降

1工程概况
深圳地铁1号线续建工程试验段土建2标车站位于深南大道中央绿化带下，车站4个出入口通道及车站外伸新风道分设于车站的4个象限内，每个通道均自深圳东西向主干道深南大道下方穿越，通道平均埋深4.7ｍ。通道上方管线密布,有燃气管线、电信管线、高压电缆、路灯电缆、污水箱涵、上水管道、雨水箱涵，其中污水箱涵底部为浆砌片石结构，上水管道为混凝土承插管。本文根据本标段出入口通道成功浅埋暗成功施作的经验，分析引起沉降的主要因素，并提出富水砾砂层中浅埋暗挖隧道采取的施工措施。

2工程地质及水文地质条件
2.1工程地质
本区段上覆第四系全新统人工堆积层、海冲积层及第四系残积层，下伏燕山期花岗岩。地层从上至下依次分布情况及岩性特征如下：
①人工堆积层
素填土（粉质粘土）：坚硬，混砂砾约20%～30%。层厚3.2ｍ～6.0m。分布于出入口通道以上。
②砾砂：松散～中密，饱和，混粘性土，层厚5ｍ～10.1m，分布较广，通道穿越此层。
③砾质粘性土：可塑～坚硬。该层为场区主要地层，广泛分布，层位稳定，揭示厚度1.0m～15.5m。通道仰拱部分穿越此层。
④全风化花岗岩：岩体呈土夹砂砾状，最大揭露厚度9.0m。
2.2水文地质
本区段地下水位埋深2.7m～4.7m，水位变幅为0.5m～2.0m。地下水总的径流方向由北向南，主要补给来源为大气降水。地下水按贮存介质可分为孔隙潜水和基岩裂隙水，孔隙潜水主要贮存于砾砂层中。基岩裂隙水主要贮存于强风化花岗岩中。
2.2水文地质
本区段地下水位埋深2.7m～4.7m，水位变幅为0.5m～2.0m。地下水总的径流方向由北向南，主要补给来源为大气降水。地下水按贮存介质可分为孔隙潜水和基岩裂隙水，孔隙潜水主要贮存于砾砂层中。基岩裂隙水主要贮存于强风化花岗岩中。

图１ 　　　　　　　　科技园站出入口平面位置图

3施工方案
3.1方案选择
根据该处地质情况，通道主要在砾砂层中穿过，开挖过程极易产生坍塌和流砂、流泥。隧道开挖能否安全、顺利进行，关键在于超前支护的承载能力和止水效果。砾砂层注入浆液后强度较高，故本隧道采取如下方案：拱部采取大（小）管棚注浆共同作用形成超前支护，侧壁采用水平旋喷桩加固支挡外围砾砂和止水。隧道开挖施工采用掌子面排水，CRD法并预留核心土。
3.2超前支护措施及施工参数
3.2.1大管棚施工
（1）出入口暗挖通道大管棚环向间距400cm布设，大管棚施工钻孔方向与洞轴线1度交角，偏向洞外，管棚孔口中心距隧道开挖轮廓线外100mm布置。钢管采用Ф108mm，壁厚8mm的无缝钢管，分节安装，分节长度分为1.5m、3m两种。两节之间用丝扣连接，丝扣螺纹段长度大于150mm，相邻两根钢花管的接头要错开。在注浆钢管上钻注浆孔，孔径10mm，孔间距200mm，呈梅花形布置。钢管尾部2m不钻孔，作为止浆段。钢管内设由4根16mm螺纹钢筋和固定环组成的钢筋笼，固定环外径42mm，壁厚8mm，长60mm的短钢环，短管间距1m。管棚注浆采用水泥浆液，水灰比0.6:1～1:1，注浆压力采用0.6MPa～1.5MPa。
（2）根据施工场地地条件、工程地质、水纹地质条件，采用“有线仪器定向，一次性跟管钻进法”，即成孔和埋设管棚一次完成。
3.2.2超前小导管施工
（1）喷射砼封闭开挖轮廓面和掌子面。
（2）钻孔并安设小导管。钻孔直径大于钢管直径20mm以上，超前小导管按环向间距40cm，辅射角为15c左右，纵向留1.5m的搭接，导管用直径42mm，壁厚8mm的钢管制作，每根长3m，钢管前端加工成锥形，尾部焊接加劲箍，钢管围壁钻四排φ6mm压浆孔，径向沿开挖轮廓线外10cm处布设。
（3）注浆。注浆压力根据地质条件确定，注浆材料采用水泥水玻璃浆液，配合比为:水泥浆液:水玻璃=1:0.8（体积比）；水泥标号为425。为防压裂工作面，同时还需控制注入量，当每根导管的注浆达到设计量时即可停止，当孔口压力达到规定但注入量不足时也应停止。
（4）检查注浆效果。注浆结束后，必须钻孔检查注浆效果，未达到要求补孔注浆。
（5）格栅架设完成后，小导管的外露端与格栅焊接在一起，共同组成预支护体系。
3.2.3水平旋喷桩施工
（1）方案的选择说明
根据深圳地铁其他施工单位的施工经验，采用全断面注浆效果不理想（砂层未固结基本达不到固结和止水的目的），原因分析如下：
其一、富水砂层地段，注浆孔成孔施工困难；
其二、该地段地下水丰富，渗透系数大，流动性大，注浆效果达不到设计要求。
为保证深南大道安全，借鉴其他单位的成功开挖方案并总结部分单位类似工程失败教训，本工程采用沿开挖轮廓线局部施工水平旋喷桩与大管棚对接的措施，以阻挡侧面砂层切断通道外水源的补充；隧道掌子面内打设粗径花管（采用直径100mm钢管制作）将围幕内大部分水引出，以利砂层自稳。具体做法为：通道两侧施工双排，底部施工旋喷桩进入砾质粘性土中，与顶部的大管棚注浆和小道管注浆共同形成封闭的止水帷幕。施工示意图如图2：

（2）施工工艺及方法
施工时先从车站端施工水平旋喷桩，剩余水平旋喷桩从明挖基坑施工（必要时在洞内施工斜向旋喷桩），为保证钻机施工空间，明挖基坑围护桩局部需外移约1.5m、基坑深度比原设计加深约2m。
（3）主要施工参数
①度钻杆钻进速度：0.10m/min～0.20m/min；
②钻杆(轴) 的转速：70r/min～120r/min；
③水泥浆配合比：mc:mw=1:0.7；
④每延米水泥用量：100kg；
⑤钻杆每节长2m，外径50mm，旋喷钻头外径90mm，喷射头单孔孔径2mm～3mm；
⑥旋喷压力：25mpa～28mpa；
⑦直径550mm；外插角5c；环向间距开孔0.35m；
⑧沿开挖轮廓线双排与大管棚对接封闭。
隧道超前支护施工完成后，即可开始隧道开挖施工。本工程所有通道均采用CRD四步开挖，每步中的开挖台阶长度均控制在6m；每循环开挖进尺均控制在开挖宽度的0.1倍之内。隧道开挖完成后分段及时施工二次衬砌。

4地层沉降分析及控制措施
对施工全程进行监测，根据监测资料汇总分析，结合施工过程采用的各种施工参数及施工方法，总结富水砂层中矿山法隧道施工过程地表沉降及地层损失的原因，对其总结如下：
4.1导致地表沉降的因素分析
在富水纯砂层隧道中进行隧道开挖，隧道初期支护形成后，早期的柔性变形随喷射混凝土的强度增大而趋于稳定，而地层中的细土颗粒通过渗水通道仍缓缓涌出，施工过程地面下沉由以上两种因素叠加而成，故很明显隧道拱顶下沉值小于地面沉降值。根据施工监测资料，即使隧道结构二次衬砌施作完成，隧道拱顶及地表仍有一定下沉。这是因为二次衬砌结构混凝土浇注后，混凝土收缩导致初期支护和二次衬砌间存在空隙所致。
4.2地层沉降的原因分析
a.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。一般的隧道施工经验可以确定，隧道拱顶下沉值小于地面下沉值，尤其是在富水砂层地段隧道拱顶和地面间更易形成空洞。
b.地下水的影响
本区段通道处在地下水位内，开挖过程地层持续向掌子面补充大量的水，但局部容易突然失水崩塌，造成地面大范围沉降。
c.施工方法
城市地铁隧道开挖常用的工法中，台阶长度选择不当是造成地表较大沉降的主要因素之一。在施工的实际操作中，很多施工为了节约成本，大量采用台阶法施工，软弱围岩地带也不设置临时仰拱，台阶长度设置不合理造成工作面前方土体对工作面的挤压流动会愈大，工作面容易失稳。
d.较慢的掌子面施工速度是引起较大的地面沉降的因素之一
掌子面施工速度较慢，导致各道施工工序时间延长，隧道开挖空间较大，开挖面暴露的时间亦长。沉降具有时空效应，必然引起较大的地面沉降。
e.柔性初期支护是较大地面沉降的因素之一
一般的隧道初期支护设计采用柔性支护概念，采取格栅网喷的支护措施。众所周知，混凝土的强度是随时间逐渐增大的，早期的强度非常小，导致初期支护的整体刚度较小，此势必导致大的地面沉降。根据本标段的监测资料显示，二次衬砌施工完成，混凝土强度达到设计抗压强度后，隧道拱顶及地面才基本稳定。因此，这也印证初期支护刚度大小对地面沉降造成的影响不容忽视。
4.3浅埋暗挖隧道穿越富水砂层地面沉降的控制施工法
由上可见，地面沉降是多因素叠加的结果。在地质条件一定的情况下，合理的设计和恰当的施工是控制地面沉降的重要手段。针对上述沉降因素分析，提出以下几点控制沉降建议。
a.重视地质超前预报，及时对掌子面封闭加固，对前方软弱地层进行严格的注浆加固。根据地层情况，相对水量较小的地层，采用短台阶开挖及时实现全环封闭；相对水量较大的地层，尽量拉长台阶的长度，以减小掌子面对孔隙水的挤压，从而减小掌子面失稳的可能性。在开挖过程中，严格按照设计要求进行布点监测，及时统计出地面沉降和拱顶沉降的关系，采取有效的措施及时消除造成大面积地面沉降的不稳定因素。
b.充分分析地下水在本标段特定地层中的作用，采用试验段开挖寻找排放地下水“适度量”。很多地下工程事故均是由地下水引起，做地下工程的人“谈水色变”。很多工程实施方案中把降水、排水作为安全施工的第一手段。但实际施工中却事与愿违，捡了芝麻丢了西瓜。很多工程案例是地下安全的施工通过，地面上构筑物开裂、倾斜，造成重大的经济损失。建议结合设计，进行降水实验，寻找可以保证开挖安全和地面安全的降排水临界点，即保证地面沉降在允许范围为限。如果仍满足不了开挖安全，则须采取地下水隔断措施保证开挖安全，如可采用断面注浆，垂直旋喷桩、水平旋喷桩阻断地下水。
c.尽快完成支护结构封闭成环
仰拱施工保留合理距离紧跟上断面进行，尽早使初期支护封闭成环，以减小拱脚的沉降及收敛。
d.合理安排二次衬砌时间
软弱富水地层，随着渗排水的发生，初期支护的刚度与地层刚度的相互作用会愈来愈强，而地表沉降仍旧随时间不断发生。根据本标段监测资料显示，二次衬砌结构施作后，地面沉降逐渐趋于稳定。因此，软土隧道应及时施作二次衬砌，阻止拱顶的继续变形。

5结束语
综上所述，该出入口在富水砾砂层地层中成功开挖施工经验充分说明，正确处理适度的降排水，合理的施工安排与地面沉降容许值三者之间的关系对确保施工安全，确保交通及既有构筑物的安全至关重要；同样的，各种施工参数的控制及施工方法的选择也是决定隧道成功施工的关键。

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