地铁暗挖隧道地裂缝段穿越建筑物施工技术

刘苗

西安市建设工程质量安全监督站（710000）

地铁暗挖隧道地裂缝段穿越建筑物施工技术

刘苗

西安市建设工程质量安全监督站（710000）

以西安地铁一号线太吉暗挖隧道区间在地裂缝区域穿越建筑物为例，介绍了在地裂缝特殊地质条件下，采用浅埋暗挖CRD工法及其辅助措施的条件暗挖隧道下穿建筑物，控制建筑物沉降变形的施工技术，以期相同或相近工况条件下对地铁建设起到借鉴作用。

地铁；地裂缝；CRD工法；建筑物；沉降

0 前言

在地铁区间隧道施工中目前国内广泛采用盾构法施工,但是由于受到地质等建设条件的限制,浅埋暗挖法仍被采用。在西安地铁建设过程中由于地裂缝的存在，区间隧道在该区段一般采用浅埋暗挖法（矿山法）施工,以便扩大该部位结构断面,并在隧道二衬结构上采用特殊构造，以消除因地裂缝变形引起的后期隧道结构变形。地铁暗挖区间隧道在穿越或邻近地面建筑物施时，施工降水、对土体的扰动、水土流失将造成地面沉降和地裂缝活动等，过大危及地面建筑物，产生施工安全风险和环境风险。如何采取设计、施工技术措施控制沉降是矿山法隧道施工的关键点，也是防止上部建筑物变形的基础[1]。

1 工程概况

西安地铁某线太吉区间隧道在里程YDK19+ 865～YDK20+050之间先后穿越西安机械探矿厂混3层和中交二公局两栋混4层房屋建筑；区间YDK19+881～YDK19+971为f7地裂缝范围。此段历程范围区间隧道和上部建筑物位于f7地裂缝强烈影响区。暗挖隧道与建筑物、地裂缝关系见图1。

图1 暗挖隧道与建筑物、地裂缝关系

根据地质剖面显示，本区段自上而下的地层为：素填土、新黄土、古壤土、中砂、粉质黏土，其中中砂层埋深13.20～15.70 m。该区段隧道暗挖初期支护拱顶埋深约14.4 m，开挖断面主要位于砂层和粉质黏土层内。本区段水文地质：场地内地下水属潜水类型，稳定水位埋深9.69～12.60 m。

本区段因设置减震道床和预留地裂缝沉降变形隧道初支开挖为马蹄形断面，最大尺寸8 333 mm×8 020 mm；初支格栅间距500 mm，喷射C20混凝土厚度250 mm。洞外降水,降水井打设深度40 m,降水深度30 m。

2 相邻区段暗挖施工采用不同施工措施沉降监测结果和沉降因素分析

2.1 相邻区段已完工程不同施工技术措施条件下地面沉降监测对比

通过收集和整理已完成的相邻施工区段在不同开挖施工技术措施条件下的地面沉降监测数据，得到如下不同措施条件下的主要断面的沉降值：

采用全断面WSS注浆止水加固、台阶法开挖：地下水丰富地段，注浆压力0.4～0.7 MPa，地表沉降值累计-23.8 mm；采用大管棚超前支护、CRD法开挖，地裂缝位置，监测断面最大沉降值为-62.3 mm；测点差异沉降-30.7 mm；采用小导管超前注浆加固、台阶法开挖，非地裂缝位置、土层含水量较小，监测断面最大沉降值为-39.3 mm；测点差异沉降-28.7 mm。

通过监测数据对比，采取超前注浆加固措施能够有效控制地面沉降。

2.2 沉降产生因素和对地面建筑物的影响

1）施工降水引起的沉降

由于该区间隧道埋深较深，地裂缝段地下水较高,土体含水丰富。根据经过论证的施工降水方案在隧道两侧打设深度40 m、井间距为10 m、孔径60 mm的施工降水井,在施工前期和施工过程主动降水，并存在开挖以及初期支护完成后的洞内渗漏被动降水。降水周期较长，一般在6个月以上，施工降水期间含水层失水压缩变形和黏土层失水固结引起地表沉降。通过监测数据分析，降水引起的沉降主要集中在施工前期，沉降值一般5 mm以内较小、均匀缓慢，对建筑物影响较小。

2）特殊地质条件下引起的沉降

通过监测，本区域地裂缝活动趋缓，但该部位在2011年～2014年地裂缝沉降槽内沉降仍达10 cm,地表沉降值较大，不过总体为均匀沉降，对建筑物变形短期影响较小。

3）施工引起的土体位移产生的地面沉降

暗挖施工过程中洞内土体移除、土层空隙水排出、砂层开挖可能形成的塌方等，必然会改变地层的应力状态，使之处于非平衡状体，这种状态可能在一定时间内体现出来导致地面沉降。在施工过程中，地裂缝地段土体较为松散，隧道顶部为含水砂层、含水量大，同时受地裂缝段影响该区域内断面设计为7 200 mm土体极易坍塌。此原因产生的沉降一般为非均匀沉降、沉降值不容易控制，对建筑物变形影响较大。

如何控制地表沉降是暗挖隧道的施工难点，也是减少对周边环境影响的关键。矿山法隧道施工过程中土体固结、土体位移是引起地面沉降的主要因素,保持或加强原有地层的稳定性是控制沉降的基础，对开挖中渗漏水的控制和防止掌子面塌方是成败的关键。

3 穿越建筑物区段设计、施工方案的选择

3.1 建筑物情况及控制要求

西安机械探矿厂3层商铺楼和中交二公局家属区4层住宅楼均修建于上世纪六、七十年代,均为砖混结构、条形浅埋基础，结构刚度和抗变形能力差，结构健康程度差。本区间建筑物要求累计沉降量报警值为20 mm。

3.2 相邻施工段洞体开挖方案优缺点

洞体断面采用台阶法+小导管注浆施工措施，施工方法简单，有利于提高施工进度，能够有效地控制地面沉降。当暗挖区间上部存在建筑物时，对沉降要求较高，无法确保建筑物安全。

洞体断面采用CRD+大管棚注浆施工措施，能够较好地控制沉降，大管棚一次施工可达40 m，有利于提高施工进度。当暗挖区间上部存在建筑物，同时地质条件恶劣时,无法确保建筑物安全;CRD开挖施工工序较多,对施工水平要求较高,对施工工期也有一定影响。

洞体断面采用洞内全断面WSS注浆+CRD施工措施，洞内注浆对掌子面附近的土体加固范围较大，对建筑沉降控制效果尤为显著。WSS注浆完成后，会在隧道外围形成一个闭合圈，对隧道止水和沉降都非常有利。CRD开挖施工工序较多，对施工水平要求较高，对施工工期也有一定影响。因注浆范围较大，成本花费较高，可减少降水时间，同时可有效封闭地下水通道间隙，减少地下水流失[2]。

3.3 措施方案确定

通过对建筑结构可抵抗变形能力、不同方案对地面沉降的影响、施工安全性、施工工期和经济性分析，结合相邻区段和西安地铁的施工经验，确定采用洞内全断面WSS注浆加固、CRD工法开挖施工的穿越建筑物施工方案。

4 施工参数选择及方案实施控制

4.1 建筑物沉降监测点布设及监测频率

监测控制点须满足规范规定的精度要求；所用仪器经校验满足精度和误差要求;用闭合水准路线，观测时应满足变形监测路线固定、仪器固定、人员固定的“三定”要求。

建筑物沉降监测点按以下要求设置：建筑四周、沿外墙每10～15 m处或每个根柱基上，每侧不少于三个检测点,离地面不得小于20 cm,且避开雨水管、窗台线、电路开关等有碍设标与观测的障碍物。在不同地基或基础的分界处，变形缝、抗震缝或严重开裂处的两侧布设监测点。

为保证高程基点的可靠性，每次观测前应对基准点进行检测，并作出分析判断，以保证观测结果的可靠性。在掌子面开挖前的降水期，每天监测一次，开挖期间每天监测不少于2次。

图2 建筑物监测点布置图

4.2 WSS洞内注浆加固参数的选择[2]

注浆长度每10 m一循环，打设时最外侧三排间距为1.0 m,沿开挖面轮廓环向布置,按照14°、12°、9°外插角施做，加固开挖轮廓线外2 m范围内的土体，其余垂直打设间距为1 m×1 m梅花型布置，搭接长度2 m。注浆管采用DN52的PVC管和φ18镀锌管作注浆内管，长度10 m，预测注浆扩散半径按照0.5 m。

为减小注浆对地面建筑物的影响，注浆压力严格控制在0.8～1.0 MPa。每立方米土体注浆量为36～42 m3。采用水泥水玻璃浆液，体积比为1∶1，水玻璃浓度为35Be,水泥浆水灰比采用1∶1。

注浆顺序由外向内，并间隔注浆，严格控制注浆压力和注浆量，过程中采取双控措施。注浆完成后封堵注浆孔，保证注入的浆液不跑不溢。

为保证注浆止水和加固效果在下穿建筑物前施做试验段，根据试验确定注浆参数。

4.3 掌子面开挖施工过程控制

CRD法施工应遵循“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行。各台阶断面开挖均预留核心土，以发挥掌子面的三维支撑作用。台阶长度控制在2～3 m,严格控制上下台阶之间的距离，施工中做到快封闭、早成环。

上台阶开挖时严格拱架拱脚处理，保证锁脚锚管的打设深度和注浆质量。隧道左右线对于工作面的施工纵向间距保证在30 m以上,开挖面不得欠挖，超挖时用C25混凝土回填，做好施工安排保证工序衔接。

严格控制每循环进尺长度在0.5 m以内，及时对初支背后进行回填注浆，填充初支背后出现的空隙。

为减小后期初支沉降，在达到二衬施工条件后及时施工二衬并进行回填注浆。二衬施工完成后减少或停止降水作业。

5 效果分析

通过施工监测数据分析，剔除因地裂缝原因产生的区域性沉降因素，前期降水产生的建筑物沉降大约在6 mm、开挖阶段建筑物最大沉降值为小于14 mm，两者叠加沉降值小于20 mm。两栋建筑物监测点最大不均匀沉降为8.5 mm，达到了控制要求（如图3和图4）。通过对楼体的直接观察和专业房屋鉴定机构在施工前和施工后的鉴定，建筑物的变形不大，施工过程对建筑物影响较小。

图3 西安探矿厂3层商铺沉降历时曲线图

6 结语

为使地表沉降变形得到控制,保证建筑物安全，地面沉降控制必须从支护设计和施工质量控制两个方面考虑，并应根据现场实际不断优化、调整来实现，防止建筑物安全事故的发生。在设计方面应考虑降水方案、初期支护形式、超前加固措施、开挖方式。在施工控制中应控制掌子面与封闭环的间距、初期支护的及时性和质量、初期支护背后注浆的及时性和有效性以及二衬施工的时间安排等施工工序衔接。

[1]王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要求点[J].隧道建设, 2006-10.

[2]范增国,冯超,等.WSS工法注浆止水在富水黄土隧道中的应用[J].城市轨道交通,2011-3.