地铁隧道埋暗挖法施工工艺对地层变形的影响
【摘 要】 以正在建设中的深圳地铁I期工程暗挖隧道为例，通过分析深圳特殊地层条件下单洞结构双线隧道台阶法韵施工工艺，洞悉浅埋暗挖正台阶法施工中超前预加固、开挖时空顺序、台阶长度等工艺对地层变形的影响程度，并辅以现场调研和量测数据优化各工艺的合理参数，以确定不同施工工艺对地层大变形的影响程度。分析结果对同类工程有一定的借鉴和指导作用。
【关键词】地层变形；浅埋暗挖法；影响因素；台阶长度；错距
1 浅埋暗挖法的应用
1987年北京地铁首次采用暗挖法建成了复兴门车站折返线工程，由于其灵活多变、适用复杂多变的地层及隧道断面结构、设备简单、不干扰交通及周边环境等众多优点，“隧道及地铁浅埋暗挖工法”在全国广泛推广应用。目前已成功应用于北京、广州、南京和深圳等已建成或在建地铁工程，同时也广泛适用过街道、污水处理管道及铁路、公路浅埋隧道工程。实践表明，与明挖法、盾构法相比，浅埋暗挖法有明显的优点，基于该工法的可适用性，刘施工工艺即预注浆加固、开挖时空顺序、台阶长度等方面提出了更高的要求。
本文针对浅埋暗挖工法在深圳特殊地层单洞双线隧道中的成功运用，分析超前励D固、开挖时空顺序、台阶长度等工艺在保证施工安全、质量和控制地层沉降中发挥的作用，确定同类地层中的工艺参数，完善浅埋暗挖的理论体系，更好地应用工程实践。
2 暗挖施工引起地层变形的影响因素分析
浅埋暗挖法最初应用北京地铁是在第四纪地层、无水、地表无建筑物的条件下，采用了管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测、速反馈的施工原则成功应用的。在超前小导管注浆加固等辅助措施的配合下，不断完善得到一系列辅助施工措施，目前运用的广州、深圳地铁都是非第四纪地层，且富含地下水，伴有砂层，地表密集民房、埋深最小达0．8m、暗挖车站跨度达26m等复杂条件，因此，对暗挖法的施工工艺和辅助工法提出了更高的要求，以此保证地铁施工对周边环境的环保和安全要求。
选取深圳地铁I期工程6标段为例剖析不同施工工艺对地表沉降的影响程度，确定合理的工艺参数。
2．1 工程概况
6标为双线单洞隧道，马蹄形断面(6．2mx6．7m)，正台阶法开挖，区间隧道范围内上覆第四系全新统人工堆积层，海积冲积层及第四系中统残积层，下伏燕山期花岗岩，地下水丰富；隧道埋深较浅，部分位置上覆砂层，开挖面土质强度较低，上覆砂层地段条件极差。
2．2超前预加固辅助工法
从最初的超前小导管注浆预加固到现在应用广泛的各种浅埋暗挖辅助工法都以适用不同的地层条件及隧道周边环境要求为标准。从6标的工程实践来看，针对不同的地层条件，特别是在地下水丰富地区施工地铁隧道(大部分标段不能采取前期降水处理)，在不同的地质条件下，超前预加固方法和参数的选择相当重要。
6标一般地层条件下，隧道上覆粘土或粉质粘土，且土层较厚，故水量较小，因此采用超前小导管注浆预加固(参数见表1)；一般地层到富水砂层地段之间的过渡段水量逐渐变大，采用长短结合的小导管注浆预加固，达到双层的加固效果，短导管外插角比长导管大，管径和间距增大；在富水砂层地段采用长短结合的小导管注浆预加固或小管棚加固，后者对改善开挖面条件和控制地层变形效果显著。同
表1 6标不同地层超前预加固方式及参数
时，注浆压力及注浆量的控制对预加固效果有影响，地层较好的情况下可以不注浆。
管棚与小导管分布如图1所示。管棚拱部180度范围布置，环向间距40cm，孔口位置沿隧道拱部开挖轮廓线外布置，外插角4-6度；管棚每次施作长度12m，开挖10m；注浆采用水泥-水玻璃浆液，水泥浆水灰比0．6：1-0．8：1，水玻璃波美度控制在30-35Be’，注浆压力拟采用0．6～1．0MPa，浆液扩散半径0．6-0．8m。管棚施作后地层条件明显改善，但其造价高施工进度慢，能用小导管预支护尽量不用管棚。
图1 富水砂层地段管棚设计示意
从施工情况看，超前预加固和地质超前预报息息相关，且其加固效果的好坏对开挖进度有很大影响，作为掌子面前方的小范围加固其对地层变形的影响相对较小，即砂层地段的地表沉降量是一般地段的2倍左右。此外，超前预加固的好坏对掌子面的开挖状态影响很大，即开挖进尺及开挖过程中的稳定性都随预加固的好坏改变，而开挖进度则直接影响地层的塑性变形，因此，超前预加固对地层变形的影响是双重的，必须做好地层的预加固处理。
2．3开挖时空顺序
地铁隧道开挖在土中进行，开挖扰动使原始地层应力重分布，而土的自稳能力较差，暗挖法开挖不象盾构法施工有足够的抗力支撑扰动地层，只能以超前预加固和“短开挖、早支护”保证地层的稳定。因此掌握开挖和支护的时空效应对稳定地层，保证施工安全，控制地层变形都有很大帮助，对于掌子面而言要把握开挖进尺、分步开挖顺序；对双线隧道则要确定左右线的间距。
2．3．1施工进度的基本情况分析
施工进度的快慢与开挖进尺及每一个开挖循环所用的时间有关，因此，考虑在预加固前提下土体的自稳时间及地层的塑性变形发展确定工序。现场每个工序循环耗时如表2，每个班做1．5个循环，开挖进尺为1mm／循环，无支护时间为4小时；而当地层条件较差时，开挖进尺减小为0．75或0．6m／循环，超前预支护长短结合需要更多时间，而开挖土方减少开挖时间减少，即预支护强度提高和无支护时间减少，地层变形减小。
表2开挖每循环所用时间
隧道通过含水砂层地段时，施工进度慢则掌子面裸露时间长，而上台阶没有施作临时横撑或临时仰拱，且上台阶拱脚容易积水，土的强度又低，虽然用钢板或木板支撑，拱部结构仍产生整体下沉，隧道结构不及时封闭成环，对沉降的发展不易控制。因此施工过程中工程技术人员应当及时做好超前的地质预报，随时改变顶支护参数，保证安全、快速施工。六标一般情况上、下台阶2～3m／d(下台阶机械施工，相对进尺快，有时隔天开挖)砂层地段开挖进尺小，开挖困难进度慢，甚至不时停工，其沉降大。
当然在地层条件极差位置，土体易失稳，6标边墙曾出现喷混凝土前大面积土体滑落(片帮)，相当危险，现场采用三台阶开挖，缩短每步开挖的时间，保证了施工的顺利进行。这也是对地层变形的有效控制。
2．3．2左右线错距分析
6标段为左右并行双线单桐隧道，左右线间距13．2m，隧道净空宽度5．1m，隧道上覆土层厚度9．9-14．3m，属超浅埋暗挖隧道，左右线的开挖对相邻隧道有很大的影响，超前掘进的隧道对另一线隧道
的前方地表沉降值有影响，而滞后开挖的隧道则影响超前掘进隧道的后方沉降值。超前开挖隧道对地表沉降的影响范围要大于滞后开挖的隧道，相应地其地层沉降收敛稳定所需时间亦较长。
从2001年12月29日到2002年3月14日，区间隧道科学馆方向的左右线间距变化明显(见表3)，2001年12月29日左线开挖滞后右线11．15m，左线施工进度加快，2001年1月19日左线超前(几乎并行，甲程SK4+599．8)，到2002年2月8日左线超前右线最大里程为12．2m(里程SK4+584．1)，此
后左线减缓施工进度，左右线间距又变小，到2002年3月4日左右线又齐头并进，施工方及
表3 6标4个工作面台阶长度及东向作用线错距
时调整左线进度，2002年3月14日左线开挖滞后右线13．3m。施工后期调整四个工作面的进度后左右线间距绝大部分大于15m，最大值59．15m，最小值12．9m，一般在20m左右变化。从地表沉降纵向曲线可以看出后期地表沉降(图2中左右两侧)较前期地表沉降(图2棚分)小，这与后期调整施工工艺参数有直接关系，后期采用的长短结合小导管注浆和小管棚预加固效果及合理的左右
由20、32的沉降历时曲线图3(图中夙嫌分别表示左右线上下台阶掌子面通过时间)看到，在右线未开挖的条件下，随着左线的向前掘进，右线地表下沉明显，沉积量从-7．8mm变化到-58．1 mm，因此，左右线开挖必须间隔一定的距离，严禁齐头并进；同时，随着隧道左右线间距的减小，地表沉降增幅变大，而同步开挖时沉降最明显。
图3 20、32号点地表沉降历时曲线
左线32测点的累计地表沉降值较同一里程的右线20测点大，特别是在左右线间距调整期间32测点的沉降值普遍较20测点大，即超前开挖隧道较滞后开挖隧道的地表沉降值大，这一点可以从实测资料得到验证。
2．4 台阶长度
台阶长度是浅埋暗挖施工工艺中一个重要因素，对于跨度、高度不大(6、7m)的隧道结构，一般采用正台阶法开挖，由于没有施作临时仰拱，台阶长度以控制在1D—1．5D(D为隧道开挖跨度)为宜。
根据6标现场调研及对施工方资料的统计(见表3)可以发现，施工单位在施工前期(4月中旬前)对台阶长度的把握不到位，台阶时小时大，最大值为14．5m，最小值为2．75m，而且变化比较频繁，波动幅度较大；施工后期台阶长度最大值为13．5m，最小值为5m，但长度控制得比较均匀，一般都在7-9m(1B～1．5B)。前期地表沉降明显比后期大。
结合沉降资料分析，台阶长度对沉降有较大的影响。台阶长度过短则不能保证杨b土稳定留设，对掌子面的稳定性起不到很好的支撑作用，掌子面向已开挖隧道内移动变形，从而掌子面前方地层变位加剧，导致超前影响范围增大，地表沉降变大，施工安全存在隐患，对地下水丰富或含砂、淤泥地层则易出现涌砂、涌泥等小面积坍塌现象，危险更大；台阶长度过长也不合理，施工过程中搬运钢格栅、喷混凝土很不方便，而且上下台阶钢格栅的封闭成环时间受台阶长度影响，显然台阶长度越长钢格栅封闭成环时间越长，更严重的是上台阶钢格栅拱脚处地层较弱，拱部容易下陷，特别是拱脚积水时位移更大，因而台阶过长地层沉降加剧。
由施工后期开挖进度知，封闭成环时间控制在6～8d，台阶长度7-9m，当施工中遇不良地层(如砂层、软土层等)或出现其它特殊情况时，施工速度减慢，拱顶下沉及地表(道路)沉降明显加大。
3小结
在深圳富水含砂特殊地层中采用暗挖法施工，工程的施工安全、工程质量及施工进度都与现场的施工工艺密不可分，在对隧道所处地层条件准确认识和理解暗挖法的实质基础上，施工技术人员合理安排工序，因地制宜调整施工工艺参数，确保工程顺利竣工。通过上文的分析，得到以下几点认识：
(1)超前预支护在—般地层、过渡地层和富水含砂地层其支护形式和支护参数不同，小导管粗细，长度及是否采用小管棚施工都与掌子面及前方土体性质及对地层塑性变形的要求有关，做到经济和环境控制的统一。
(2)根据超前预报、预支护效果及开挖掌子面情况适当调整开挖进尺，有效缩短无支护时间，既保证开挖进度又能有效控制地层变形。
(3)正台阶法施工中左右线间距不宜过小，严禁齐头并进，左右线间距宜控制在3D(D为隧道开挖跨度)左右。 (4)正台阶法开挖中由于没有施作临日刊中拱，台阶长度以控制在1D～1．5D(D为隧道开挖跨度)为宜。
(5）富水砂层的存在对开挖进度和开挖步骤有不同要求，进度由一般的1m/循环减为0．75或0．61m／循环，为防止隧道边墙片帮，下台阶改为两步开挖。
参考文献
【1】 刘招伟，王梦恕，浅埋暗挖法修建地下工程中几个问题的探讨.铁道部隧道工程局科技大会论文集，1999
【2】 刘宝琛，急待深入研究的地铁建设中的岩土力学课题铁道建设技术，2000(3)：1—4
【3】关宝树，国兆林 隧道及地下工程 .成都：西南交通大学出版社，2000
