泥岩地层下的浅埋隧道沉降控制措施

孙庆旭

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司, 浙江杭州 310000)

泥岩地层下的浅埋隧道沉降控制措施

孙庆旭

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司, 浙江杭州 310000)

泥岩地层下的浅埋隧道拱顶沉降控制难度很大，经常超出规定允许的控制值，影响施工进度。文章通过对成都地铁18号线试车线隧道的工程案例分析，通过对支护措施和沉降监测控制预警值的优化调整，使沉降得到了有效控制，保证了施工的顺利进行。

浅埋隧道； 沉降控制； 监测预警值； 泥岩地层； 铁路隧道

由于泥岩强度比较低，具有膨胀性，遇水又极易软化，所以在泥岩地层地质条件下进行地下隧道工程施工，隧道会很容易发生变形，既耽误施工工期，又增加施工成本。特别是在浅埋隧道富水地段，开挖后的地层应力都作用于拱架之上，由于地层遇水软化，导致钢架拱脚的支撑作用急剧降低，造成拱顶沉降超出预警值。根据现行的监控管理制度，沉降一旦超过预警值，必须加固加强初期支护和稳固支护结构，减缓沉降速率，必要时甚至停工整改。一般情况下沉降刚超出预警值时还是安全可控的，但必须采取有效措施加强施工过程管控，加强安全化管理，通过对沉降控制监测预警值和支护措施的优化调整来控制沉降。

1 工程项目背景

成都地铁18号线试车线隧道位于合江车辆段，长度2 060 m，采用2 ‰的单面上坡，设计时速为140 km/h。为保障工期，兼顾运营通风及防灾救援，尽头设置一长度为83 m的斜井，斜井坡度12.64 %。隧道洞身采用单车道马蹄形断面，复合式衬砌结构，隧道断面内轮廓面积49.06 m2。隧道最大埋深为260 m，穿越地层主要为泥岩及砂岩，全隧分布有浅层天然气地层，设计全隧为高瓦斯隧道。实测隧道进口岩层层理产状为N30°E/12°NW，节理产状为N52°E/85°SE、N83°W/90°，视倾角10°。隧道进口存在仰坡顺层，对隧道开挖影响较大。

试车线隧道从开工以来，一直发生沉降，根据《铁路隧道施工监控量测技术规程》要求，地表沉降及拱顶沉降的累计变化预警值和控制值及变化速率的预警值的设置如表1所示。

表1 隧道地表沉降与拱顶沉降监控量测数值

经过长时间的监测统计，隧道进口地表沉降最大值已达到103.9 mm，超过累计变化预警值100 mm的报警条件，已进行黄色预警。其他各测点的地表沉降变化曲线见图1。

图1 试车线隧道进口地表沉降变化曲线

从图1中可以看出，进口地表沉降在支护措施施加之后依旧没有停止的趋势，随着开挖的不断进行，地表沉降一直在发展，并超过设定的预警值。根据监控量测技术管理规程，超限后需停工整改，加强现场管控。

2 沉降控制的基本原理

2.1 浅埋暗挖法隧道支护的基本原理

浅埋暗挖法又称矿山法，是在借鉴新奥法的某些理论基础上，针对中国的具体工程条件开发出来的一整套完善的浅埋隧道修建理论和操作方法。与新奥法的不同之处，它是适合于城市地区松散土介质围岩条件下，隧道埋深小于或等于隧道直径，以很小的地表沉降修筑隧道的技术方法。新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称，以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，并通过对围岩和支护的监控量测，通过调整支护措施来指导隧道施工的一种施工方法。

浅埋暗挖法是一项边开挖边浇注的施工技术。其原理是利用土层在开挖过程中短时间的自稳能力，采取适当的支护措施，使围岩或土层表面形成密贴型薄壁支护结构的不开槽施工方法，主要适用于黏性土层、砂层、砂卵层等地质。采用浅埋暗挖法进行隧道施工，通过施作支护措施以稳固围岩，运用爆破技术或机械挖掘等方式进行断面开挖施工，形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初次柔性支护，并在初支结束后施作二次衬砌形成复合式衬砌隧道支护体系。由于埋深较浅，尤其在遇到软弱围岩时，围岩的自承作用无法发挥，导致沉降不能得到有效控制，有时多个监测点的累计值都超过100 mm。根据实践经验，在泥岩地层中，浅埋暗挖法隧道利用“新奥法”调动地层的自身承载的作用不能得到有效的发挥。

2.2 沉降机理

隧道沉降主要包括拱顶沉降和地表沉降两部分，其主要成因从两个因素去分析，地质和水文地质变化做为沉降的客观条件，人为的施工活动是沉降的主观条件。地面沉降是在不良地质及水文地质条件下，采用不适当方法进行施工活动的结果，其中客观条件占主导地位。在比较好的地质及水文地质条件下，即使施工方法不妥，还不至于酿成大祸。反之在不良地质及水文地质条件下，施工方法稍有疏忽，就可能造成灾难性事件。

2.3 沉降控制机理

通过注浆堵塞泥水进入隧道的通路，同时锚固掌子面，增强掌子面前方土体抗剪能力。施工时应尽快封闭掌子面，形成临时的、完整的支护体系，缩短掌子面开挖的自由面暴露时间，减小围岩的变形时间，增强钢拱架的刚度。钢拱架安装时应紧贴围岩面，使其能尽快发挥支撑作用，有效的减小围岩变形量。

3 沉降控制措施

3.1 超前注浆

隧道进口主要通过泥岩，并含有一定的砂岩，涌水较多。通过该地段时，在拱顶150°范围内施作4.5 m小导管，超前支护兼顾超前探水探土，若遇成股水流，则立即采用小导管注浆加固围岩，堵塞流水通道，防止地层水土流失和沉降加剧。

3.2 初支背后注浆及二衬背后回填注浆

在拱顶沿纵向每隔2 m布置回填注浆孔，初期支护完成3 d后立即回填注浆，防止空顶造成地面塌陷。在完成二次衬砌30 d后及时回填注浆，填充二次衬砌与初期支护之间的空隙，加强复合式衬砌的整体性，防止地面塌陷。

3.3 严控洞内用水

泥岩遇水易软化，丧失自承能力，造成施工危险系数增高。泥岩地层下的隧道施工应严控洞内施工用水，及时梳排掌子面流水，必要情况下用水泵抽吸掌子面附近积水，防止水软化围岩，加重地表沉降。

3.4 采用三台阶工法及时封闭成环

考虑到浅埋隧道施工为了降低对土体扰动，采用三台阶施工工法，将开挖断面分成上中下三个更小的断面，及时施作钢拱架。在沉降较大地段，采用扩大拱脚法，在上台阶，架设斜支撑，扩大拱脚与地层的接触面积，增大拱脚的支撑应力。在拱脚处，设置锁脚注浆锚管，并将钢架与锁脚锚管连接牢固，控制钢架沉降。必要情况下，增设临时仰拱，及时将上台阶封闭成环，控制沉降非常有效。

3.5 合理调整沉降的监测控制值

隧道穿越泥岩地层时，由于泥岩地层为全风化泥岩，泥岩较破碎，隧址区又紧靠龙泉驿断层，属于挤压破碎岩，在该地层下的矿山法浅埋隧道，沉降控制难度较大。为节约施工成本，加快施工进度，控制施工工期，合理调整地表沉降和拱顶沉降的预警控制值是非常有必要的。调整地表沉降报警控制值的前提：

(1)地表无建筑物，地表的沉降对周边构筑物无影响。

(2)隧道初期支护和二次衬砌表面形态完整，表面无裂缝等影响安全的情况。

(3)沉降预警控制值的调整是在采用上述沉降控制措施之后沉降继续发生才可以进行调整的。调整不可一次到位，应根据实际情况逐次逐级调整。

(4)沉降预警控制值的调整应伴随着隧道预留变形量的调整而进行。

(5)沉降控制值的调整应依据相应类似工点的数据进行分析比选后调整。

4 措施采用后沉降效果分析

地表沉降控制措施是否有效应结合现场的监控量测数据进行分析，地表沉降值的调整也应以现场的施工安全为前提。调整后的隧道进口拱顶沉降变化曲线如图2所示。

图2 调整后的试车线隧道进口拱顶沉降变化曲线

从图2可知，采用临时仰拱后，地表沉降得到了有效控制，临时封闭成环可以有效的控制拱顶沉降。在上下台阶转换时，即拆除上台阶临时仰拱施作下台阶时，沉降会急剧扩大，日速率甚至会超过10 mm/d，但下台阶仰拱封闭之后的速率会立即得到控制。沉降控制的措施有效，且沉静控制预警值的调整也是适合的。

5 结束语

浅埋暗挖法隧道在施工过程中，为控制地表和拱顶沉降，确保工程施工安全，降低工程成本，应综合采用多种措施。如小进尺、小断面开挖，超前注浆、控制爆破、及时封闭成环、扩大拱脚、二次衬砌的提前施作等，目的均是为了加强拱脚的支撑力，控制钢架自重引起的沉降。锁脚锚杆的采用也是加强围岩的支撑力，进而控制钢架沉降，继而控制拱顶沉降和地表沉降。泥岩地层条件较差，遇水极易软化，如地下水较多时应加强水的抽排力度，避免软化拱脚围岩，降低围岩的支撑力。只有多种措施的综合采用，才可以有效的控制泥岩地层下的隧道沉降。结合类似工程的案例，对沉降控制预警值的调整也非常有必要，可以使得工程管控更加合理，进度更有保障。

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[定稿日期]2017-11-29

孙庆旭(1985～)，男，硕士研究生，工程师,从事BIM技术工作及隧道相关技术工作。

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