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地铁暗挖隧道特殊地层段的施工风险及管控措施王旭

发表时间：2020/5/21 来源：《基层建设》2020年第3期作者：王旭张新运

[导读] 摘要：随着社会经济水平的持续发展和人们对生活质量要求的不断提高，中国的交通运输及工程建设规模与数量在总体上呈现出不断增长的趋势。

        中国水利水电第十一工程局有限公司河南郑州 450000
        摘要：随着社会经济水平的持续发展和人们对生活质量要求的不断提高，中国的交通运输及工程建设规模与数量在总体上呈现出不断增长的趋势。由于我国经济的迅速发展、城市人口的急剧增长，为解决人口流动与就业点相对集中及交通环境带来的压力，满足国家环境和局势变化需求，地铁隧道工程成为必然趋势。特别是在沿海城市，地铁隧道工程不仅可以减少地面用地，更能减少对现行公共设施的影响，具有重大的社会、经济效益。但在隧道工程的施工过程中受地质、水文条件的影响，依然存在一些问题，这就需要对地质、水文条件制定针对性管控措施，严控施工风险，提高施工管控的整体安全质量意识，做好隧道施工的环节控制，在隧道过程安全的基础上，顺利保障隧道贯通，以达到经济和社会效益双向收获。
        关键词：地铁暗挖隧道；上软下硬地层；针对性管控措施；施工风险
        一、前言
        地铁暗挖隧道工程作为城市轨道交通地下段的重要组成部分，不仅承载着地面的交通、建筑物，更受地层应力、地下水的双重影响，故隧道的线路走向从围岩地质构造、地下水分布和公共交通辐射等方面都需要综合优化布置，但隧道施工不可不免的需要穿越特殊地层。隧道施工过程最优化的工法选择、最针对性的工艺措施就成为地铁隧道工程管控的重点，不仅能够最大限度的提升隧道施工过程的质量安全，更对提升我国地铁施工管控水平，提升地铁规划适应性能力有着重要意义。
        二、黄田站~机场东站区间概况
        黄田站~机场东站区间为深圳市城市轨道交通12号线工程第23个区间隧道工程，线路呈“S”型，沿南-北走向布置，南起于黄田站，北止于机场东站。区间线路出黄田站后，沿广深公路转入机场路，侧穿空港加油站、侧穿机场信息大楼地下车库、下穿宝安大道下沉隧道，下穿地铁1号线既有后-机区间高架桥墩，沿航站五路到达机场东站。区间左线设计起点里程为ZDK25+723.664，左线设计终点里程为ZDK26+984.540，长1261.481m（长链0.605m），右线设计起点里程为YDK25+723.664，右线设计终点里程YDK27+053.182，长1329.518m，设置两处联络通道和两个临时竖井。区间隧道拱顶覆土约15m～29m，穿越地层主要为第四系全新统人工堆积层、全新世海路交互相冲积层、残积层和加里东期混合花岗岩，土层包含素填土、淤泥、含有机制砂层、填（碎）块石，粉质黏土、中砂、硬塑状砂质黏性土、全-微风化片麻状混合花岗岩，区间线路全部采用矿山法施工。
        三、区间暗挖隧道环境特性
        1、地面道路、建筑物敏感，管线冗杂；
        本工程地表环境敏感：（1）区间隧道下穿广深公路为特级管控道路，日车流量超过10万辆，车流量大地面荷载重；而机场路更是深圳机场辖区的为一级安保迎宾道路，保护道路畅通的社会、经济效益重大；矿山法隧道施工过程中的各项控制指标均远超同类型隧道（2）区间隧道侧穿机场加油站和机场信息大楼，建筑物敏感程度高，暗挖隧道施工中的爆破振速、噪音影响均需要严格控制；（3）区间隧道轴线长，下穿区域多，管线冗杂，机场通信主线、中高压燃气管线、加油站输油管线等敏感管线的保护工作，成为暗挖隧道施工的又一管控、监测重点。
        2、区间隧道地质潜水、岩间裂隙水（微承压）发育
        本工程区间隧道穿越地层褶皱的向斜位置，（1）地层潜水集聚在隧道轴线开挖范围之内，加之大断面开挖，形成汇水区段，隧道开挖过程中渗流水情况严重，且隧道在强风化砂土状混合花岗岩、强风化块状混合花岗岩段多粉细砂层，粉细砂透水性和流动性加剧地下水径流；（2）本区间线路穿越地区范围内下伏加里东期混合花岗岩，其中多为中粒结构、片麻状结构，岩石破碎节理发育，蕴含在围岩中的微承压水在岩石裂隙中形成裂隙水网络，隧道开挖不仅加固围岩裂隙的发育，更为微承压水的流动提供了流动方向，加快推进隧道围岩地下水汇集。且地下水汇集区域位于广深公路范围内，隧道开挖范围内的集中降排水会影响道路的通行，且不具备施做降水井的条件，制约隧道按照常规方法施做。
        3、地质围岩“上软下硬，多粉细砂地层”
        本工程在下穿广深公路段，以2%的坡度进行爬升，在黄田站完成接收。随着隧道坡度的爬升，隧道埋设深度不断减小，拱顶覆土减少，隧道围岩逐步减弱，逐步由坚硬的Ⅲ级、Ⅳ级围岩转入Ⅴ级、Ⅵ级围岩；（1）隧道上半导洞以强风化砂土状混合花岗岩、强风化块状混合花岗岩为主，岩石风化发育，裂隙极发育，块状手折可断，且遇水软化（含大量粉细砂），上半导洞需要注浆后，人工开挖；隧道下半导洞岩石以中等风化混合花岗岩为主，片麻状构造，围岩裂隙较发育，但即使是破碎发育的岩石，其强度也较大，下半导洞仍需要爆破开挖。上半导洞岩石自稳定性较差，且遇水易软化，核心土无法正常预留，加之下半导洞的爆破开挖，极易扰动拱顶软弱围岩，制约施工；（2）本工程区间在强风化砂土状混合花岗岩、强风化块状混合花岗岩段，由于全新世海路交互相残积层影响，围岩内部多粉细砂介质，裂隙发育较大，一般工法的水泥水玻璃双液注浆，浆液无法对土层内的粉细砂和裂隙形成填充、挤密加固，且由于裂隙发育较强，双液浆与外界土体形成串流，浆液流失严重，无法固化隧道开挖范围内的土体，无法形成隧道开挖支护要求的自稳效果。
        四、区间暗挖隧道施工风险
        1、塌方
        本工程塌方是常见的风险，（1）由于强风化砂土状混合花岗岩、强风化块状混合花岗岩围岩稳定性较差，遇水易软化；且隧道开挖围岩体内的粉细砂层作用，双液注浆加固无法在隧道拱顶形成硬壳体；在隧道开挖过程中，加之拱顶掌子面的渗流水、软弱围岩的双重作用下，造成隧道塌方现象极易发生。（2）在施工过程中，由于季节性的降水，地面降水补给地下潜水的同时，使得土体被水浸泡，加剧土体含水量，致使土体松软的同时自身重量增加，抗剪能力变弱，发生塌方现象。（3）隧道开挖施工盲目追求进度，隧道支护拱架未及时封闭，并存在拱脚悬空等隧道支护体系滞后现象，致使隧道支护体系存在薄弱点，由于隧道顶部的应力集中，会造成隧道塌方；（4）隧道软弱围岩的支护钢架网片，没有按要求进行搭接，未形成完整的支护受力体系，致使在隧道每个支护循环搭接位置，发生应力集中作用某个区域，使得土体的应力、地表的荷载在隧道支护面上，得不到安全完整的释放，导致隧道发生塌方现象。（5）在隧道上面繁重的交通运输荷载或拱顶堆积荷载，集中作用在隧道拱顶硬壳体的软弱位置，造成隧道局部受力集中，破坏隧道受力体系的平衡，致使隧道拱顶发生塌方。（6）在隧道开挖支护循环中，在未能满足隧道拱架施工强度和刚度需求的同时，存在严重超挖冒进，隧道支护体系不完善加之超挖部分应力集中，严重超出隧道临时支护体系的承载极限，造隧道支护结构破坏，并发生隧道坍塌。

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        2、涌水、涌砂现象
        涌水和涌砂也是本工程常见的风险，主要包括以下几个方面：（1）隧道开挖范围内的地质加固措施不足，地下水相互串联，形成联通的地下水系，隧道开挖过程破坏水系平衡，形成突涌水，加之隧道地质成粉细砂布置，流动性强。地下水和流动性强的砂共同作用，形成涌水、涌砂，致使隧道掌子面前端土体大量流失，导致拱顶土体坍塌。（2）隧道开挖过程的超前探孔或超前地质预报结果不准确，未发现隧道前方的水包、流砂层，在隧道开挖过程中，未做好软弱地质的超前处置，在开挖过程中发生造成围岩稳定失稳，围岩受力体系失衡，土层水包或流砂裹挟软弱土层，冲破掌子面的临时支护体，发生集中的涌水、涌砂现象，涌水涌砂严重的会造成隧道拱顶土方脱空，形成地表塌陷。
        3、地表不均匀沉降
        地表沉降是本工程发生频率最高的风险，主要表现在以下几个方面：（1）隧道开挖范围内的地质围岩软弱，在隧道开挖完成后，隧道的支护喷射砼滞后，隧道临空面长时间留置，造成拱顶围岩应力集中，支护滞后位置的隧道拱顶发生沉陷，造成隧道拱顶影响范围内雨污水等流动介质的管线发生错位或类似脆性破坏，发生液体渗漏。管线周围的土体在液体作用下，形成流体，由于流体的持续作用，形成漏斗状地层，形成地下空腔。在地表应力的持续作用下，发生地面沉降甚至地面塌陷；（2）隧道开挖前的超前地质加固不到位，隧道开挖范围内存在严重软弱层或者水包，在开挖过程中，施工管控不到位，发生隧道塌方、涌水涌砂等现象，造成隧道拱顶地层脱空，形成空腔结构，在应力集中的情况下，发生地面沉降甚至地面塌陷；（3）隧道穿越地层构造的向斜位置，围岩裂隙发育，岩间裂隙水发育，在隧道的早期支护过程中，喷射砼质量不佳，造成隧道持续性渗漏水，并由于时间的作用下，隧道渗漏水漏斗作用加强，岩间裂隙水相互串联，并与地层潜水贯通，形成补给体系，隧道内渗漏水持续发展，造成隧道渗漏水段的地表发生持续性沉降；（4）隧道穿越富水地层，且多为岩间裂隙水，渗漏水点分布相对分散，隧道初支背后回填注浆无法形成良好的封堵效果，造成隧道持续性渗漏水，隧道周围土体由于失去了水体的悬浮作用，加剧土体固结，造成隧道周围地势较高的土体发生不规则沉降，对隧道周围建筑物基础、承台会造成侧向应急集中，情况严重的会造成建筑物局部桩基倾斜，甚至破坏，影响周边建筑物的正常使用；（5）隧道在开挖过程中，由于隧道施工中存在超挖现象，致使隧道开挖轮廓不标准，破坏围岩整体的受力平衡，在支护过程或者后期回填注浆过程中未达到理想效果，由于开挖过程的震动，造成隧道超挖位置发生二次挤压、密实，造成地面突发性的沉降塌陷。
        五、施工管控针对性措施
        1、地层加固，控制施工影响
        综合考虑隧道工程穿越的地质、地下管线、周边建（构）筑物的关系、建（构）筑物的地下基础形式，（1）在受隧道施工影响范围，易发生地表不均匀沉降、施工扰动的部位，提前施工间距密集的袖阀管注浆管，在隧道施工前，采用袖阀管隔一注一的原则，进行超前地质加固，形成水泥土隔离桩，利用水泥浆的注射压力在土层形成连续加固体（水泥土隔离墙），减少隧道施工对地表建（构）筑物的影响；（2）做好施工中的过程监控，超出施工控制指标的隧道施工时，及时对提前预留的袖阀管进行跟踪注浆，进行水泥土隔离桩再次补强，提高结构强度的同时，改善土体的孔隙率，减少地层内地下水的串流，控制隧道失水造成的隧道周围土体失水固结，改善隧道施工周边环境，提高隧道施工对特殊地质环境的适应能力。
        2、超前地质预判
        根据矿山法地下隧道工程开挖过程的不确定性，为提高隧道施工开挖进尺、炸药使用量、炮孔间距布置的合理性，通过“超前地质雷达预判和超前探孔”双向控制进行隧道地质围岩的超前预判，（1）超前地质雷达利用电磁波在有耗截至中的传播特性：在遇到不均匀介质或者界面时会反射一部分回来，其反射常数主要取决于地下介质的介电常数，通过对反射电磁波的收集、分析，对隧道开挖掌子面前方围岩的破碎程度、介质均匀性、岩石强度有一个提前预判，便于提前控制隧道开挖的炮孔间距、炮孔深度、爆破炸药使用量的控制，控制隧道开挖的合理性；（2）超前地质钻孔是地质预判最直观、最有效的观测方法，对于地质雷达的超前地质预报进行实地的再校核，利用YT-28手风钻机进行掌子面成孔，检测成孔的进尺，在微风化、中等风化混合花岗岩中开挖时，超前地质探孔长度不宜小于5米。在已经注浆加固的强风化砂土状和块状混合花岗岩中开挖时，超前地质探孔长度不宜超过3米。为保障施工的合理有效和安全性，超前地质钻孔一般至少搭接1m；（3）为防止地层因地下水流失造成脱空现象，定期组织地质雷达探测单位进行地表道路、建筑物周边的雷达扫描，及时发现问题进行解决，提高问题发现的及时性，并加强隧道施工的过程控制；（4）根据超前地质预报的结果，不断优化隧道施工参数，加密隧道开挖轮廓的爆破周边孔间距，合理装填炸药，避免隧道局部超挖。
        3、工艺优化，提高围岩自稳性
        结合本工程隧道地质围岩破碎发育，且多粉细砂层，围岩自稳定性差，遇水易软化的特点，加之隧道内地下潜水发育，为提高隧道施工安全系数，综合整治隧道开挖过程的拱顶塌方、掌子面涌水涌砂和地面不均匀沉降的，主要针对破碎围岩进行高效加固。相较于一般的水泥水玻璃双液注浆加固，本地区的粉细砂层制约着地层加固的注浆效果，为提高施工安全，保障施工进度，结合工程特点，对区间隧道的超前加固工艺进行了优化：利用“水泥浆+磷酸”渗透能力强，固结粉细砂层效果良好，一般土体固结效率高的特点，通过注浆加固形成一道有效的帷幕止水固结带，首先完成对隧道开挖加固范围内围岩的渗透、扩散，再采用“分级升压法”进行水泥+水玻璃浆间歇式注浆加固，完成隧道开挖范围内的填充、挤密。通过分步骤的“水玻璃+磷酸”的渗透、扩散和“水泥+水玻璃”的填充、挤密四个作用，达到隧道开挖范围内土体的有效加固，提高软弱围岩的自稳定性；针对围岩破碎发育较严重的部位，通过注浆网之间的浆液脉络填充固结，利用水硬性胶凝材料的特性，形成网状固结体，达到破碎围岩的改善效果，提高隧道稳定性和支护效率。
        4、多措并举，合理控制地下水
        结合区间隧道地质情况和地下水文情况，通过多重控水措施，综合管理隧道范围内的地下水：（1）首先根据场地条件，进行隧道开挖轴线范围内的降水井布设，在两条隧道轴线中间位置，间距6m设置降水井，水井深度控制在隧道底板以下10m或入强风化岩石6m的位置，利用管井内外水位差，使土层或破碎岩层里的地下水通过渗透流入井管，且深井抽排水可以有效控制控水漏斗，控制两条隧道的开挖渗漏水；（2）在隧道开挖过程中，不断优化隧道施工参数，控制隧道开挖的震动，减少围岩裂隙的持续发展，减少岩间裂隙水渗漏点增加；并且不断优化隧道支护喷射砼配合比，提高隧道初支结构喷射砼的抗渗性能。（3）在区间暗挖隧道穿越围岩较破碎、围岩内断层分布段或地层富水段位置时，加强隧道初支背后注浆管的预埋，并采用“分级升压法”注浆填充初支背后空隙，封堵岩间裂隙水渗漏点，完成初支背后渗漏水的综合治理。
        六、结束语
        综上所述，地铁暗挖隧道穿越软弱围岩，特别粉细砂地质、富水地段的隧道，隧道开挖围岩“上软下硬”段，工程管控要点多，控制难度大，成为地铁施工管控的重中之重，所以需要对施工中存在的风险源、质量隐患点，做好针对性防范和措施控制，这样不仅可以保障隧道工程质量安全目标的实现，更能从根本上保障工程项目节点工期的落成，切实有效的做到提质增效，有效提高地铁矿山法隧道在特殊围岩地段的适应性。