地铁隧道施工对地层变形的影响

地铁隧道施工对地层变形的影响——浅埋暗挖法对地层变形的影响摘 要:进入21世纪，我国地铁建设步入了快速发展的阶段，各大城市地铁建设项目竞相开工。正确选择有效的地铁施工方法是地铁建设快速、安全、有效的有力保障。施工技术的不断发展提高，已初步形成专门的学科体系，极大地推动了地铁建设事业的快速发展。本文主要引用深圳地铁的案例进行分析浅埋暗挖法对地层变形的影响。关键词：地层变形 浅埋暗挖法 影响因素1.浅埋暗挖法简介 施工方法对地铁车站和区间隧道结构型式的确定以及地铁土建工程造价有决定性影响。施工方法的选择，受沿线工程地质和水文地质条件、周围环境条件、线路平面位置、隧道埋置深度等多种因素的制约，同时对施工期间的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工程的难易程度等产生直接影响。 地铁区间隧道采用矿山法施工是近年来为适应城市浅埋隧道的需要而发展起来的一种施工方法，也称浅埋暗挖法。目前在我国地铁区间隧道建设中已广泛采用。浅埋暗挖法施工，工艺简单、灵活，并可根据施工监控量测的信息反馈来验证或修改设计和施工工艺，以达到安全与经济的目的。 浅埋暗挖法认为浅埋隧道按松散荷载计算，超浅埋隧道则按全土柱加地面动、静换算荷载计算，并提倡采用岩柱理论和太沙基公式进行结构分析计算。隧道施工时，由于承载拱效应，原始地层应力并非全部转化为作用在结构上的荷载，作用在隧道衬砌上的压力小于初始应力（这已被大量的工程测试资料所验证），这是由于隧道开挖后洞室周围地层应力释放，隧道的拱形形状及地层内部摩擦力等导致的承载拱发挥作用，使周围地层应力重分布并产生两种变化，即一部分被释放，另一部分向深部和其它方向转移。当施设衬砌支护后，地层应力释放过程受到抑制，一部分释放荷载作用于衬砌结构上，这部分荷载的大小正是需要计算的。2.浅埋暗挖施工技术2.1地铁隧道的主要施工技术 通常在地面条件允许的情况下，地铁区间隧道宜采用明挖法，但对社会环境影响很大，仅适合在无人、无交通、管线较少之地应用。随着我国工程建设法规、法制的完善、对大型工程建设项目综合效益的要求和环境保护意识的提高，在城市地下铁道的建设中，因埋深条件、周边环境条件等因素的限制，在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地形区段普遍要求采用暗挖法施工。浅埋暗挖法是一种适合不同断面、造价偏低、灵活多变的施工方法，是今后应推广的施工方法。2.2浅埋暗挖设计理论 浅埋暗挖设计理论的特点是运用量测信息，反馈于设计和施工，同时采取超前支护、改良地层、注浆加固等配套技术来完成隧道及地下工程的设计与施工。隧道深埋或浅埋并非单纯指洞顶与地面之间的厚度，还应结合上覆地层的水文地质与工程地质特征、松散状况，围岩结构特征及风化、破碎程度，断层影响的程度，结构强度以及地下水等因素综合判定。通常，深埋隧道荷载按塌落拱计算；浅埋隧道按松散荷载计算；超浅埋隧道则按全土柱加地面动、静换算荷载计算。3.浅埋暗挖法的应用3.1浅埋暗挖法的应用 近几年来随着城市轨道交通的发展, 许多的地铁乘客出入口与人行地下通道规划在一起, 但其施工方法大多采用明挖法, 然而在既有道路改造中, 采用明挖法和盖挖法施工占地多、交通干扰大、地下管线拆迁量大、容易造成环境污染。如果在上海引进浅埋暗挖法就克服了上述缺点, 减少了对环境的影响, 能保证交通畅通和地下管线的正常使用。3.2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。4.深圳地铁案例分析 本文选取深圳地铁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。4.1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。4.2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；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。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。4.3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，暗挖法开挖不像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。4.4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1，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。 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，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。5.努力方向 我国已有近40年的地铁修建史，尤其是近十多年来的快速发展，丰富和创新了我国地铁规划、设计、施工、管理运用、防灾救灾设备维修的技术方法及工作制度。由于我国地域广大、地质情况多样，地铁修建技术也必然极具复杂性和高难度。就目前来讲，我们已有的技术手段可以应付除西部和东北地区以外的大部分区域的城市地铁修建任务，更为可贵的是我们已经锻炼和造就了一大批有经验的、有高度责任感的地铁建设工作者和能吃苦耐劳、有风险精神及创新智慧的设计、施工队伍。展望未来，为使我国地铁修建技术日臻完善，保证地铁工程质量，实现地铁的社会经济效益最大化，我国尚需在以下几个方面努力。 5.1尽快统一地铁和轻轨修建的设计、技术标准、施工技术规范和工程验收技术标准，以便使我国地铁和轻轨工程设施和设备产品规范化、系列化,对国产化也十分有利. 5.2组织力量对地铁施工设备进行系统研制开发。 5.3加强地下工程施工辅助工法的研究开发和创新。 5.4在地下工程防水施工工艺、新材料、新技术方面加大研究的力度和进程。 5.5强化环保意识，地铁的修建较大地改变了城市区域地层的地应力和水文地质的原始状态，尤其是水土流失会造成生态环境的改变,甚至会形成灾害隐患。