某城际铁路饱和砂层及全风化岩段暗挖施工塌陷原因分析

肖学仁+刘佳

中铁工程设计咨询集团有限公司

【摘 要】在施工中，地面沉降事故占总事故的30%～40%，对隧道内的直接表现是拱顶下沉或塌陷，这种塌陷产生的涌水、涌泥对施工现场的人员、设备安全构成了极大威胁，同时也影响了工程的进度、增加了工程的费用。因此，对施工中发生塌陷的原因进行分析与总结十分必要，不仅能为塌陷处理提供依据

【关键词】砂层；全风化岩；暗挖施工；塌陷原因

1 .概述

对于砂层地区，在受特殊环境限制的情况下，采用暗挖法施工时，由于地层的特殊性质，浅埋暗挖施工技术更为复杂。砂层自稳能力差，开挖极易引起地面沉陷过大，甚至塌陷，造成灾难性后果[1]。在施工中，地面沉降事故占总事故的30%～40%，对隧道内的直接表现是拱顶下沉或塌陷，这种塌陷产生的涌水、涌泥对施工现场的人员、设备安全构成了极大威胁，同时也影响了工程的进度、增加了工程的费用[2][3]。因此，对施工中发生塌陷的原因进行分析与总结十分必要，不仅能为塌陷处理提供依据，同时能为类似工程施工积累经验。

2 .工程概况

隧道拱顶埋深约17.0～21.0m。本段隧道穿越道路，地下管线密集，种类繁多，交通繁忙，隧道局部范围紧邻建筑物。隧道平面位于直线段。该段隧道施工过程中曾发生多次塌方事故。

3.地质概况

（1）岩土层岩性特征：本段区间隧道范围内上覆第四系全新统冲积层（Q4al），下伏基岩为（Pz1）混合片麻岩。第四系全新统冲积层（Q4al）主要有粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂、粗砂等。震旦系混合片麻岩（Pz1）主要为黄褐色、浅黄色、灰白色、青灰色，变晶结构，片麻状构造，主要矿物成分为石英、长石、云母，按风化程度可分为全风化混合片麻岩、强风化混合片麻岩、弱风化混合片麻岩。

（2）水文地质：场地内地下水为孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于第四系全新统冲积层、残积层及全风化混合片麻岩中，主要受大气降水及地表水侧向补给，随季节变化较大；基岩裂隙水主要赋存于强风化、弱风化混合片麻岩节理、裂隙中。主要补给来源为地表水的渗入补给。各岩土层的渗透系数：粉质黏土，混砂，渗透系数k=0.005m/d；淤泥质粉质黏土地下水含量高，呈饱和状态，具弱透水性，渗透系数k=0.001m/d；粉砂中地下水较丰富，透水性较好，为中等透水层，渗透系数k=1.0m/d；粗砂富含地下水，透水性随粘粒含量增多而变小，具中等～强透水性，渗透系数k=20.0m/d；全风化混合片麻岩具中等透水性，渗透性从上向下逐渐增大，建议渗透系数k=1.0m/d；强风化混合片麻岩具中等透水性，建议取渗透系数k=5.0m/d；弱风化混合片麻岩具中等透水性，透水性随节理裂隙发育程度改变，建议取渗透系数k=1.0m/d。

4.设计方案

本段隧道拱顶临近或局部砂层侵入，采用隧道两侧设置帷幕+帷幕内井点降水+洞內水平旋喷桩+掌子面锚固桩及注浆措施，工法采用上、下台阶+临时仰拱法。

止水帷幕：止水帷幕伸入隔水层，以阻断帷幕内外水力联系，通过帷幕内降水达到矿山法隧道无水施工的条件，降低帷幕内井点降水对周边环境的影响。止水帷幕采用地下连续墙。在隧道两侧及两线之间各设置一道平行于隧道的纵向地下连续墙，纵向30m设置一道横向地下连续墙，将地下连续墙划分为网格，以保证降水效果，提高工效。为防止地下连续墙在穿越砂层中槽段坍塌，在地下连续墙内外两侧设置水泥搅拌桩进行槽壁加固。施工时应注意地连墙接头处的止水效果，并根据实际情况采取相应的措施。

降水、回灌：降水除需有效降低帷幕范围内的地下水位标高之外，还必须有效减小帷幕内地层的含水量，增加地层的固结强度，保证隧道无水施工，提高隧道施工的安全性。根据止水帷幕外水位变化，在帷幕与建筑物间设置一排回灌井，帷幕内井点降水的同时利用回灌井向土层内回灌一定数量的水，形成一道水幕，从而减小降水以外区域的地下水流失，使其地下水位基本不变，达到保护周边建构筑物的目的。

水平旋喷桩：隧道拱部180°范围设置单排水平旋喷桩。隧道上台阶设置锚固桩，锚固桩采用水平旋喷桩。

掌子面注浆：隧道掌子面上半断面及开挖轮廓线外1m范围内采用水泥-水玻璃双液浆超前预注浆加固。

5.塌陷原因分析

第一次塌陷发生于GDZK44+275处，下台阶左侧边墙挂网立架完成，进行喷射混凝土时，拱脚处出现突水突泥，封堵未能奏效，随之发生塌陷。分析塌陷原因为：（1）根据抽芯结果结合连续墙成槽记录及混凝土浇筑记录判断连续墙墙底位于隧道下台阶范围，墙底土体仍为全风化地层，未达到设计图纸要求。（2）隧道塌方段为全风化地层，隧道上方存在砂层，全风化混合体片麻岩，遇水容易软化。总体地质条件较差。（3）塌方前该地区普降大雨，地下水位上升，导致水土压力增加。（4）塌方处处于连续墙丁字接头处，连续墙成槽会对地层造成一定的扰动。隧道开挖时连续墙外土体产生管涌通道，水土体涌入隧道，导致地面塌陷。

第二次塌陷发生于GDZK44+402处，下台阶发生涌水涌泥，现场立即进行临时封堵，但因瞬间涌水涌泥量过大，封堵未能达到预期效果，随之出现塌陷。根据涌水位置及地下连续墙钻孔取芯分析，塌陷原因为：（1）地下连续墙外侧存在较大范围软土层，隧道拱顶存在砂层，且砂层含水量高，洞身位于全风化、强风化混合片麻岩中，全风化混合片麻岩遇水易软化崩解，地质情况极为复杂。（2）地下连续墙浇筑混凝土时因成槽塌孔等原因，易造成墙身夹泥，导致墙体完整性存在缺陷，从而形成涌水通道。（3）地下连续墙质量检测不严格，涌水位置地下连续墙未进行质量检测。（4）地下连续墙混凝土浇筑过程中混凝土用量控制不严，未对实际混凝土用量超出或少于设计用量进行分析，留下了安全隐患。（5）暴雨天气较多，降雨量急剧增加导致地下水位升高，水压力增大，加大了地下连续墙外侧软化土体涌入隧道的风险。

6.结论及建议

通过对该隧道两次塌陷原因的分析总结，可得出该隧道饱和砂层及全风化岩段暗挖施工塌陷的主要原因为：

（1）复杂地质条件是引起塌陷的客观原因。

（2）施工质量未达到设计要求是引起塌陷的主要原因。

（3）降雨导致地下水压力增大是诱发塌陷事故的外部因素。

（4）建议在同类隧道施工中加强施工管理，对施工质量进行检测，确保施工质量达到设计要求，并在地下水环境发生变化时，制定相应的防排水措施，加强安全监控，从而避免塌陷事故的发生。

参考文献：

[1]顾拥武.砂层中地铁车站暗挖施工技术研究[C]. 城市地下空间开发与地下工程施工技术高层论坛论文集，2004.

[2]罗忠，陈明辉. 富水砂层中暗挖隧道施工沉降控制技术[J]. 现代隧道技术，2012（4）：125-131.

[3]方仁应. 浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析及其控制[J]. 城市建设理论，2014（35）.

[4]谭佳. 地铁浅埋暗挖施工技术分析[J]. 城市建设，2009（30）：394-395.

[5]曾英军. 浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分析与控制[J]. 科技创新导报，2015（5）：72.