1、深圳地铁某重叠隧道地表及拱顶变形浅析摘要深圳地铁某单洞双层重叠隧道采用暗挖法施工，自上而下分四步台阶开挖，本文简单分析了地表及拱顶变形的规律及原因。 关键词重叠隧道开挖沉降变化 中图分类号：U45 文献标识码： A 1 工程概况 1.1 工程地质和水文地质 深圳地铁某单洞双层重叠隧道工程范围内上覆地层自上而下依次为：第四系全新统人工堆积层（ml） 、海冲积层（m+al）及第四系残积层（4el） ，下伏侏罗系中统（J2）凝灰岩、震旦系（Z）花岗片麻岩，局部为燕山期（r53）花岗岩侵入体。区间隧道上部有厚 27.5m 富含地下水的砂层，具有强透水性，主要补给来源为布吉特河、深圳河河水及大气降水，并
2、受潮汐影响；砾砂层厚 24m，其上存在的厚 24m 流动状态淤泥质粉土为软土，稳定性极差；其下为软塑粉质粘土，遇水极易软化，特别是里程 SK1+419.7 SK1+500 段粘土层厚度仅为 02m，隧道开挖时容易出现严重浸水，使浸水软化的洞身围岩（残积土层及全风化岩层）丧失自稳能力。地下水按赋存介质可分为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和断层带水。地下水埋深 11.67m。 F5断层位于本标段里程为 SK1+486 位置。该断层发育在凝灰岩中，视厚度 4.4m。真厚度约 2.0m。断层带主要为灰绿色糜棱岩、断层泥及断层角砾。断层走向 NE55，倾向倾角约为 6075。 1.2 隧道施工情况简介 1.
3、2.1 前期施工情况 隧道上覆地层强度低，相对隔水层即残积层厚度仅为 00.5m，且其上方呈饱和流塑状，砂层厚达 6.27.8m；残积层为软塑土层且孔隙多，遇水极易软化。对 0.5m 厚的残积层作相对隔水层显然难有效果，由于水压力的作用，地下水必然通过残积层孔隙渗入工作面，从而造成隧道开挖时在工作面大量涌水，在水作用下，隧道围岩（残积土层及全风化岩）软化并失去自稳能力，导致工作面失稳。因此，前期区间隧道开挖很不顺利，辅助工法先后采用了地面旋喷止水加固（SK1+419.7SK1+429.7） 、洞内深孔注浆加固（SK1+431.9SK1+441.9）和地面垂直旋喷加固（SK1+445.5SK1+
4、473）措施，隧道开挖时在前两者的加固范围内出现了两次地表塌陷，对工期造成了很大的影响。 1.2.2 后期施工情况 为保证掌子面的稳定，保证隧道施工安全，对 SK1+473SK1+600 段暗挖隧道第一台阶掌子面进行全断面注浆止水加固辅助施工，注水泥水玻璃双液浆，采用 42 钢花管（5.0m）后退式分段注浆，每循环注浆段长 5.0m，开挖 3.0m，注浆顺序为先隧道周边后中间，隔孔交替注浆，采用渗透及劈裂注浆方式。 现场实际地表垂直旋喷加固里程为 SK1+445SK1+473，旋喷桩桩径为 1000，间距和排距为 0.8660.75m。旋喷加固范围：隧道拱部开挖轮廓线至之外 2.5m 线范围内
5、的土层和全风化岩层；墙为隧道第一台阶开挖底线下 1.0m 以上的土层和全风化岩层。 超前支护调整为 4.5m（34 榀打一次）和 2.0m（每榀都打）的42 注浆小导管，长短结合预加固，在每榀钢架拱脚处设 42 锁脚注浆锚管，长 3.5m，第一台阶每侧两根，第二、三台阶每侧一根。注水泥水玻璃浆液。格栅间距调整为 500mm，初支采用网喷混凝土(C20)与格栅钢架(主筋 22)，二衬采用模筑混凝土衬砌支护。 2 地表、拱顶纵向沉降 图 1 地表、拱顶沉降纵断面变化曲线及地质纵剖面图 从地表、拱顶沉降的纵断面变化曲线（图 1）可以看到：随着地表加固情况的不同地表和拱顶沉降关系也不同，而且规律很突出
6、，在地面旋喷止水加固（SK1+419.7SK1+429.7）段地表沉降值小于拱顶下沉值；洞内深孔注浆加固（SK1+431.9SK1+441.9）地段的地表沉降则比拱顶下沉量要大；地面垂直旋喷加固（SK1+445.5SK1+473）地段和旋喷止水加固段一样，地表沉降小于拱顶下沉；从 SK1+473 里程开始地表未作任何地层加固措施，隧道开挖在天然的地层中进行（不考虑失水失砂固结） ，地表沉降量一般比拱顶下沉大 30mm 左右。由此可见：（1）地层的预加固措施对地表沉降的控制起到了很大的作用，但对拱顶下沉的作用相对较小，拱顶下沉最主要的是受开挖影响；（2）地表加固段地层条件很差，砂层离拱顶很近，部
7、分的砂层甚至侵入隧道，两种加固措施实施后出现地表和拱顶不同的沉降关系，表明地表旋喷止水加固对地表和拱顶沉降控制都有效果，但对地表沉降的控制效果较好；而隧道洞内深孔注浆则对拱顶下沉的控制效果较明显，其作用主要是形成有效的加固止水环，而对地表沉降控制效果则一般。可见，不同的辅助工法对控制地表和拱顶沉降的效果是不同的。 从图 1 中可以看到，SK1+487 里程的地表沉降最大，是其他地段的 2倍左右，从地质纵剖面图看该位置的地层条件很差，隧道上覆的砂层汇水槽正好位于该里程，且隔水层厚度只有 1.5m，从布设测斜孔和分层沉降孔时的现场钻孔情况看砂层中有一层卵石层，大小不均，从地面垂直旋喷加固（SK1+
8、445.5SK1+473）地段的取样效果看，卵石层的加固效果极差，地表旋喷后这一层基本上没有和水泥浆凝固为一体，仍为松散体；该里程恰好有一个断层斜穿隧道。因此，隧道开挖过程中水量比较大，掌子面容易滑动，开挖有一定的危险，也是造成地表沉降过大的原因。 从对地表和拱顶的沉降量观测结果表明，对地层加固的效果还是不错的，前三段地层加固后其沉降控制在了 90mm 内，地层未加固段随地层条件沉降变化很大，随着埋深增加和隔水层增厚，地表、拱顶沉降迅速减小，可以控制在 60mm 以内，当然这是在施工质量有保证的前提下才能实现的。 3 地表横向沉降 单洞双层重叠隧道四个台阶均通过观测布点断面需要 2 个月，故主
9、观测断面的观测时间历时较长，加上隧道开挖的超前影响、稳定阶段以及隧道施作二次衬砌，观测时间达四个多月。选择断层通过地带和地层条件较差的位置 SK1+490 布设了地表观测横断面，地表横断面观测结果如图 2 所示。 图 2 中的曲线分别表示一台阶开挖（11 月 22 日）前后一天、二台阶通过（12 月 11 日）前后、三台阶通过（1 月 3 日）后、四台阶通过（1月 16 日）当天以及稳定后的沉降槽，曲线的基本变化趋势是一致的，都可以用 2 次多项式或正态曲线拟合，从图中可以看出： 图 2 地表横断面累计沉降曲线 （1) 各个台阶开挖的沉降量占最终地表沉降量的26.2、36.2、23.6、9.7
10、，四台阶开挖完后的沉降量很小，仅为4.7，可见一台阶开挖后，二台阶开挖前的沉降量所占的比重最大，这是因为现场施工由于实际中对施工进度的要求，一台阶投入更多的人力开挖，故一、二台阶的间距较长，一般有 20 多米，而二、三、三四台阶则一般在 15m 以内，且隧道一、二台阶穿越粉质粘土，强度相对较低，隧道初期支护渗水量较大，地层失水固结较大。从分步开挖的百分比可以看出，施工扰动对地层的影响很大，而浅埋暗挖法的实质就是在允许的范围内最小程度地控制地表沉降，因此，只要掌握合理的开挖顺序、台阶长度、超前预加固等施工要素都可以合理控制地表沉降。 （2) 隧道开挖的横向影响范围为离隧道中线左右各 40m，从沉
11、降槽可以看到，隧道左侧的影响范围要大，隧道左侧道路交通繁忙，存在车辆的动荷载，而右侧虽然也是行车道，但车辆较少，而且天安国际大厦的桩基础就在旁边，地表沉降相对较小；横向影响范围内地表变形比较大的位置是隧道中线两侧各 15m 的范围，隧道中线左侧 18.1m 处最终沉降 76.1mm，右侧 12.8m 处最终沉降 60.1mm，均超过了 30mm 的标准，可见欲将隧道上方地表沉降控制在 30mm 以内，对地层的改良和完善施工工艺都是必须的。 4 地表和拱顶沉降资料的关连分析 选取 SK1+480 和 SK1+487 两个位置的地表和拱顶下沉沉降资料做关连分析，见图 3、4，从图中可以分析得到：
12、1) 图中两条曲线有着极其相似之处，反映了地表和拱顶下沉的同步关系，随着隧道开挖拱顶和地表同步沉降，其历时曲线基本平行，说明隧道开挖引起地层的塑性变形； 2) 曲线表现的是地表沉降大于拱顶下沉，但由于拱顶下沉的超前沉降部分无法观测，因此两者的关系不能直接下定论，还要结合其他的观测结果共同分析，以期得到真实的结果； 3) 从曲线中可以清晰看出，二台阶通过后上台阶停工 3 天，但沉降发展很快，地表沉降 14mm，拱顶沉降 17mm，说明掌子面通过观测断面前后是沉降发展的主要阶段，因此，控制每榀初期支护的开挖支护时间是控制地表沉降和拱顶下沉的关键，这也是浅埋暗挖法“早支护”的实质，掌子面通过后仍要及
13、时对前方掌子面周围做一定加固措施，保证一台阶的稳定； 4) 从沉降曲线的趋势看有一个明显的稳定值，隧道开挖引起的地表变形有一个限度。如果能够把曲线向上平移，则最终沉降将会减小，至少可以将超前沉降量去掉一部分。这涉及到超前预加固的加固效果是只保证掌子面附近小范围的安全，还是掌子面附近大范围内地层的强度，两者的效果是显然不同的，这可以从上述各段的地层加固比较得到，也就是说不同辅助工法的选择对控制超前沉降和开挖中的沉降作用不同。但从经济角度则又是另一个问题，在工程施工安全允许变形的基础上尽量降低造价是投资者所希望的； 5) 从沉降曲线图中可以看到开挖中 4 个台阶之间的间距较长，特别是一、二台阶，开
14、挖进度本身比较慢，每一步开挖都不同程度扰动地层，且地下水在开挖过程中不断流失，这些都加速了地表的沉降，因此，尽早使结构成型，实现 4 步台阶封闭成环才能从根本上控制地表沉降。 图 3 SK1+490 地表、SK1+487 拱顶沉降与掌子面间距关系 图 4SK1+480 里程地表、拱顶沉降与掌子面间距关系曲线 5 几点体会 地表沉降受到多种因素的影响，主要包括地层结构及强度、含水状况、预加固措施、施工工艺参数、支护参数及支护时机等，即施工技术和地质条件两个方面的因素。因此控制地表沉降也应从改良地层条件和提高施工技术水平两个方面考虑。 从地质图上看，地质条件除 SK1+420 左右的洞门位置隧道穿
15、越砂层外，SK1+487 里程地质情况最差，但塌方却没有出现在该位置，这说明浅埋暗挖法施工中施工方法的掌握是十分重要的，即现场技术人员和施工人员对地层的了解和掌握程度及贯彻浅埋暗挖法的 18 字方针就能顺利完成隧道的开挖。做好地质超前预报和掌子面的超前加固后，提高开挖的进度，使开挖支护控制在最短的时间内；加强隧道监控量测的力度，特别是在特殊地层、较差地层和特殊断面，要及时有效地做好地表、拱顶和其他项目的量测，并辅以若干个断面进行研究，以便指导后续的开挖。 在隧道横向影响范围内，开挖对地表的影响很大，现场对地表的观察发现在隧道左右两侧都有不同程度的破坏，地表形成了一个凹槽，这在下雨后可以明显看出。隧道开挖造成了地表的变形，而地表的变形对周边的环境没有太大的影响，建筑物沉降和倾斜非常微小，只是对一些普通的路面和台阶有较大影响，没有影响交通，可以在隧道施工完成后做一定的修复，若投采用地表旋喷预加固则工程成本较大。因此，制定措施时，应进行综合技术经济比较。 参考文献 1 施仲衡主编. 地下铁道设计与施工.西安：陕西科学技术出版社,1997 2 李晓红. 隧道新奥法及其量测技术.北京：科学出版社，2001 作者简介：刘明新，男，1974 年 5 月生，工程师，国家一级注册结构工程师，主要从事隧道及地下工程科研工作。
