地铁施工中的地表沉陷控制方法与工程实例.docx

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地铁施工中的地表沉陷控制方法与工程实例

摘要我国许多城市正在考虑修建或已经在修建地铁以解决城市的交通拥挤问题。

而地铁建设会引起地面沉陷，这有可能引发严重的安全及社会问题。

因此，地铁施工引起的地表沉陷对地表的影响程度及控制方法，是地铁建设者十分关注的问题，为此介绍了这一问题的有关工程实践与经验。

关键词地下工程，地铁，新奥法，地面沉陷，控制方法

分类号U231文献标识码A文章编号1000-6915（2004）增2-5111-07

CONTROLMETHODSOFSUBSIDENCEOFGROUNDSURFACEINSUBWAYCONSTRUCTIONANDENGINEERINGEXAMPLES

LiYou1,LiXiaoqiang2,PengYi1

（1SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,CentralSouthUniversity,Changsha410004China）

（2InstituteofRockandSoilMechanics,TheChineseAcademyofSciences,Wuhan430071China）

AbstractSubwaysareinconstructionortobeconstructedinmanyChinesecitiestomitigatetrafficjam.However,thesubwayconstructionmayleadtosubsidenceofgroundsurface,whichmayinturnleadtoeconomicandsafetydamage.Consequently,thecontrolmethodsofthesubsidencearekeyproblemsinsubwayconstruction.Inthispaper,someengineeringcasesofsubwayconstructionareintroduced,andexperienceisconcludedonsubsidenceofgroundsurfaceandthecontrolmeasures,whichmayserveasreferencestosubwaybuilders.

Keywordsundergroundengineering,subway,NATM,groundsurfacesubsidence,controlmethod

1引言

近年来，我国许多城市正在考虑修建或已经在修建地铁以解决城市的交通拥挤问题。

地铁隧道穿梭于各种建筑物之下，而隧道施工将引起地表沉陷，这将对有关建筑物及地下管网产生不利影响，严重时将危及人员的安全。

因此，了解地铁隧道施工引起地表沉陷的规律及其控制方法，是地铁建设者十分关注的一个问题[l—3]。

在对武汉市地铁修建中的有关问题进行论证时，作者对地铁隧道施工引起地表沉陷的规律及其控制方法进行了调研，现将有关研究结果及工程经验作一简单介绍，供大家参考。

2施工方法与地表沉陷及其控制

资料表明，地铁隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：

（1）地层和地下水条件；

（2）隧道埋深和直径；（3）施工方法。

其中，施工方法的影响更为明显。

同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。

因此，对地铁的施工方法进行对比分析是建设者必须首先论证的问题。

地铁的施工方法主要有3种：

明挖法、新奥法和盾构法。

明挖法由于对地面交通干扰大，且因敞开作业对周围环境千扰、污染严重，现在已经较少使用。

新奥法和盾构法对环境干扰小，是主要的施工方法。

下面结合地表沉陷的产生与控制措施对这2种施工方法进行概述。

2.1新奥法

所谓新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。

采用新奥法时主要的施工方法有：

（1）全断面开挖法，原则上是一次完成设计开挖断面，是在稳定的围岩中采用的方法；

（2）台阶开挖法；（3）侧壁导坑环型开挖法[3，4]，这是当地质条件特别差时所采用的一种方法，也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。

采用新奥法施工时，地面沉陷主要取决于开挖的方法、初期支护及永久支护的时间和强度，有以下防止地面下沉的措施[3，4]

（1）改变施工方法：

缩短开挖进尺，如计划1个循环1.5m，可缩短为1m或0.8m；不用全断面开挖方法，而用环型开挖方法．

（2）稳定掌子面法：

掌子面的稳定是施工的前提条件，对于粘聚力小的土砂围岩，应选用辅助施工方法，如超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等。

开挖面超前支护是在开挖面前方的围岩内插入钢筋、钢管和钢板作为辅助性支护构件，用以防护开挖面及拱部以及防止围岩松弛。

插入的角度应尽可能地小，以减少超挖量。

开挖面喷射混凝土应尽早进行，对于土砂围岩，一般喷射3cm厚的混凝土就能防止开挖面的局部塌落。

（3）特殊施工法：

有管棚法，挡墙施工法、从地表打锚杆法、特殊钢板施工法（麦塞尔插板法）、注浆法和冻结法等。

管棚法，是先在开挖断面外钻孔，然后在管子的内外注浆，以加固开挖断面。

这种方法，可以加固堆积层和断层破碎带等不稳定围岩，能有效防止开挖的围岩松动。

但此法需要大量的设备。

挡墙施工法，是在隧道的两侧（或一侧）设置挡墙，控制隧道开挖时产生的松动范围。

有混凝土连续墙法和钢管、H型钢和钢插板等挡墙施工法。

从地表打锚杆法，是在隧道开挖之前，先从地表大致垂直地打入锚杆，四周用砂浆固结起来，这种方法能有效地防止地表下沉。

特殊钢插板施工法又称麦塞尔插板法，可以加固开挖面前方的围岩，防止围岩松动。

这种施工方法是采用特殊加工的钢插板，用千斤顶将其顶入围岩中。

但岩层中夹有鹅卵石时，施工困难，在砂岩和泥岩中效果显著。

（4）动态施工力学法，这种方法是由朱维申教授总结完善的，这种方法强调勘察、设计、施工、科研各环节的紧密配合，能有效减少围岩的松动区，抑制地表沉降量[5，6]。

2.2盾构法

盾构法是在地下暗挖隧道的一种有效方法。

施工中，先在隧道的某一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。

盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向着另一竖井或基坑的设计孔洞推进。

盾构推进中所受的阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。

盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具，它是一个既能支承地层压力又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构。

在钢筒结构的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳状体，在盾尾可以拼装1～2环预制的隧道衬砌环。

盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装l环衬砌，并及时地向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉[7~10]。

盾构施工中引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。

2.2.1地层损失

地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。

周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地面沉降。

引起地层损失的施工及其他因素是：

（1）开挖面土体移动。

当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力，开挖土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；当盾构推进时，如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力，则正向土体向上、向前移动，引起地层损失（欠挖）而导致盾构前上方土体隆起。

（2）盾构后退。

在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。

（3）土体挤入盾尾空隙。

由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不恰当，使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。

（4）改变推进方向。

盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。

（5）盾构移动对地层的摩擦和剪切。

（6）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。

2.2.2受扰动土的固结

盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区（正值或负值）。

当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。

在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。

此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区。

其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。

土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。

在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达35％以上。

从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。

3工程实例

在国内的地铁建设中，为有效地减小施工引起的地面沉陷，已有不少工程实例可以借鉴。

下面就对一些例子进行简要的介绍。

3.1新奥法在沿海富水地层中的应用——深圳世界之窗隧道工程[11]

3.1.1工程概况

深圳世界之窗隧道工程位于深圳华桥城深南大道东路口，人行隧道、车行隧道分设，轴线间距为31.4m，隧道正交穿过深南大道，暗挖长度84m，深3.73～3.92m。

其中，车行隧道宽10.66m，高7.60m：

人行隧道宽10.50m，高6.96m。

该隧道属超浅埋隧道，隧道上方有电力、通讯、污水、给水、雨水等多路管线路通过。

隧道穿越地段岩性北口段为第四系冲洪积粉质砂粘土，至南口段隧道起拱线以上为池塘填土，起拱线以上及墙角为淤泥质粘土，下部为粉细砂。

根据铁路隧道围岩分类标准，该地段围岩类别属I类。

场地内地下水类型属于第四系孔隙型潜水，主要赋存于第四系冲洪积砂层，靠大气降水补给，地下水稳定水位埋深3.62～7.14m，标高为6.47～7.14m，水质对钢混凝土无侵蚀性。

3.1.2施工步骤

（1）开挖：

人工正台阶分步开挖，台阶长度10～12m，南口侧67m，采用单侧壁导坑法施工。

开挖过程中，采用小导管超前予注浆，预留核心土，施工每循环进尺0.5～1.0m。

（2）支护：

1次支护采用喷混凝土+钢筋网+网构钢架，隧道贯通后进行2次支护。

为确保安全，采用人工开挖，有效地控制地表下沉，北口侧17m采用模注钢筋混凝土。

10~12m一循环，1次支护与2次支护衬砌之间铺设全封闭聚氯乙烯防水板。

（3）监测：

采用地表下沉、拱顶下沉、周边水平收敛等量测项目监控施工安全。

3.1.3采取的关键施工技术

（1）超前予注浆加固地层

由于隧道埋深浅，跨度大，且通过的岩层为砂粘土、淤泥质粘土和粉细砂，洞室开挖后自稳时间很短，为保证洞室安全和深南路及上部管线的安全，经多种方案比选，决定对大跨线以上进行予注浆以达到稳定地层的目的。

（2）施工期间防排水措施

隧道工程所处地段围岩为砂粘土、淤泥质粘土和粉细砂，开挖经水浸泡后变成了泥浆，经开挖扰动极易造成坍塌。

为此，采取了一系列防排水措施以保证施工的顺利进行。

3.1.4地表变形及分析

据量测结果，地表最大下沉为210mm，拱顶最大下沉为237mm，结构最大收敛值为11mm，地表最大沉陷坡度为2.1％。

经过综合分析得出了以下结论：

地表变形值过大，引起多种不良结果。

首先上部结构被破坏，并已基本丧失承载能力，作为荷载作用在支护结构上；其次，由于变形过大使得隧道扰动范围增加，造成2个隧道之间地表下沉形成叠加区，互相影响。

3.2新奥法在北京地铁折返线工程中的应用[12，13]

3.2.1工程及地质概况

北京地铁折返线工程，全长358m，折合单线隧道1058m，由南北2条正线和1条折返库线所组成，隧道断面变化繁多。

隧道开挖跨度为6.96～14.86m，拱顶至路面的覆土厚度9～12m，覆跨比0.67，属非常浅埋型，地下水位在隧底以下2～3m。

工程主体结构处于第四系冲积洪积层中，主要由粉细砂及砂砾石所组成，该地层松散，无自稳，没有粘聚力。

工程位于复兴门大街西嘉祥里至闹市口国宾大道之下，该段地面每天来往车辆5～7万辆，地下管道纵横密布，必需严格控制地面沉降。

3.2.2为防止地面沉降而采用的施工方法

工程采用浅埋暗挖法施工。

考虑到工程位置极为重要，施工中必需确保安全；再考虑到浅埋暗挖和地层软弱的特点，采用较强的初期支护手段。

在围岩变形稳定后，进行2次模筑衬砌；同时，采用了以下方法来减小地面沉陷：

（1）小导管超前予注浆：

小导管采用直径40mm，长3.5mm的钢管钻孔后焊接而成，导管沿上断面周边布设，排管间距0.2～0.3m，仰角5°～10°。

浆材选用水泥——水玻璃双液浆。

水泥浆水灰比控制在0.8：

1～1：

1，水玻璃浓度35～40Be'，水泥浆与水玻璃的体积比为1：

0.6～1：

l，凝胶时间在1min左右。

经过注浆，在浆液扩散范围内，砂石均被胶结，7d抗压强度达5～15MPa，在隧道轮廓线外围形成了一个0.6～1.2m厚的硬壳。

（2）长管深孔前进式劈裂予注浆：

在大断面处，小导管注浆由于加固范围有限，受上部地表车辆动载的影响将会产生较大的下沉。

为此，施工单位在渡线和单线向双线过渡的较大断面处采用了长孔前进式充填、劈裂予注浆。

一般70～100m2的断面所布钻孔数为12～18个。

其中，17m的长孔6～11个，8m左右的短孔6～7个，采用隔孔钻注的原则施工。

注浆采用水泥-水玻璃浆液，水玻璃模数3.3～3.5，浓度40Be'，水泥浆配比酌情调整，采用深孔围岩劈裂注浆新工艺，可节约浆材70％左右。

对控制地表下沉、防止塌陷有很大作用。

（3）采用环型开挖，留核心土，可防止工作面挤入，核心土的尺寸在纵向要保持4m以上，使之开挖后土体损失系数最小。

（4）严格控制每循环的进尺长度0.5～0.75m，不允许大于1m。

尽快进行架立刚拱架、挂网、喷混凝土工序，是减少地层松弛的重要措施。

（5）重视施工安全监测，及时进行信息反馈，实行信息化施工。

3.2.3地面沉陷的观测结果

在隧道的掘进过程中，地面沉陷的纵向影响规律为：

当开挖面离测点1.5～2.0倍洞径时，地面即开始变形，其向上隆起的最大值为2~3mm；当开挖面距测点0.5倍洞径时，地表下沉速率明显增大，平均为0.41mm／d，此时地表沉陷量占下沉量的10％～13％；当上台阶开挖面通过测点、下台阶开挖面也不断向测点靠近时，地面沉陷值呈急剧变化阶段，平均下沉速率为1.69～2.63mm／d，下沉量为20.39mm，占总下沉量的48％～50％；当下台阶通过测点并及时地封闭仰拱后，沉陷曲线呈减速变化，其平均下沉速率为0.48mm／d，下沉量为9.77mm，占总下沉量的26％左右；当下台阶开挖超前测点2.0倍洞径时，变位趋于基本稳定阶段，下沉量约为2.4mm，占总下沉量的6％，而最后总下沉量的8％~10％将由2次支护衬砌来承受。

3.3新奥法在北京地铁西单车站工程中的应用[12，14]

3.3.1工程概况

北京地铁西单车站位于繁华的西长安街闹市区，地上车水马龙，地下管线密布（最大的为直径1640mm的污水管，恰好位于车站顶部）。

车站所处地层为第四系古永定河冲洪积层、砂及砂粘土层。

其中，60％的地层为粉细砂层，易坍塌，极不稳定，为洞室的开挖及1次支护结构的选择带来很大的困难。

鉴于该车站的特殊地理位置及赋存环境，采用浅埋暗挖法修建。

3.3.2施工方案的选择

用浅埋暗挖法修建的技术关键是如何有效地控制地表沉降和防止洞室周围土体的坍塌，确保施工过程中围岩的稳定，使结构受力合理，作业安全。

因此，寻求一个可靠的施工方案和合理的初期支护结构是极为重要的。

施工单位根据国内外同类工程实例比选出台阶法、单“眼镜”法、中隔壁法、双“眼镜”法等个方案的6种开挖程序，并采用相同的初期支护参数（如喷射混凝土强度、厚度、隔删间距等），相同的电算程序和相同的地层支护材料、物理力学指标进行分析，所引起的地表沉陷量及主要的经济、技术比较见表1。

表1北京地铁西单车站工程方法比较

Table1ComparisonbetweenconstructionmethodsforXidanstationofBeijingSubway

方案指标

地表沉陷量/mm

安全可靠度

喷射混凝土拆除量比

施工作业及其他

国内外现状

台阶法

>30

安全，稳妥

0.90

作业空间大，便于大型机械使用

国内外均有实例

单眼镜法

>30

施工过程易控、安全、稳妥可靠

0.90

作业空间适中，两侧洞适应大型机械设备，干扰大

国内外均有修建单跨洞室的工程实例

中隔壁法

<30

安全度高，稳妥可靠

1.10

1.15

作业空间适中，可用大型机械，施工干扰大

国外有成功的建设地铁车站的工程实例

双眼镜法

<30

施工过程安全度高，更稳妥可靠

1.00

作业空间小，施工干扰大，不利于使用大型机械设备

通过分析比较，最终选定大管棚和小导管注浆固结地层的超前支护的双“眼镜”法为施工方案。

3.3.3其他配套施工技术与工艺

（1）超前支护的技术与工艺

①大管棚超前支护。

在洞室开挖前，运用钻机沿洞室拱部轮廓线钻设管棚，管棚钻设范围、间距等根据不同的地质条件、洞室埋深来确定，其布设的范围一般为90°～130°，环向间距为3～4根／m，管棚的管径为Φ115～146mm，每循环长度为18～20m。

管内注1：

1的水泥砂浆，以减少其变形挠度。

2排管棚间的搭接长度，需根据开挖洞室的高度及

所处地质条件而定，西单车站所采用的搭接长度为3～3.5m。

②小导管注浆固结地层。

小导管材料一般采用Φ38～42mm的焊管，其钻设方法有2种：

一种是风吹成孔法，适用于砂质地层：

另一种是使用钻机钻设，适用于土质地层。

通过对车站的地层实地取样进行物理性能实验，选定了该处地层的注浆浆液配方，注浆固结半径为30～40cm，当水玻璃溶液浓度为10～25Be'、硫酸溶液浓度为10％～30％时，在弱碱性粉细砂地层中，2种溶液的体积比为（2～5）：

（1～2.6），一般注浆压力为0.3～0.5MPa，最大压力不能超过0.6MPa。

（2）开挖及1次支护的技术与工艺

①单洞掘进的原则与技术：

单洞掘进一般采用上下台阶施工，为保证开挖洞室及掌子面的稳定，必需遵循短进尺、快支护、速封闭、勤量测的原则。

在上台阶开挖中，采用环型开挖留核心土的方法来稳定掌子面。

在上台阶开挖过程中，为使1次支护尽早封闭成环，增强承载能力，要紧跟下台阶的开挖支护。

在软弱地层中，上、下台阶相距为1倍洞室跨度。

②1次支护的技术与工艺：

1次支护由钢筋隔栅、挂网喷混凝土组成，喷混凝土标号为C20。

在架立上台阶隔栅时必须采用加大拱脚或拱脚锚固的方法，以防止上拱1次支护的整体下沉。

⑧拱背回填注浆：

在1次支护施做完成后，由于喷混凝土自重作用等造成混凝土的自然下沉，使1次支护与地层之间产生空隙，为了避免由此产生地层变形、地面沉陷及应力集中等造成结构的破坏，必须进行拱背回填注浆。

3.3.4监控量测及反馈

西单地铁车站施工工程的监测量测体系由3个子系统共10个项目组成，所有项目都是相互关联、相互印证、相互补充的。

该车站正常施工地表下沉量控制在30mm以下，不良地段施工地表下沉量控制在48mm以下。

3.4盾构法在上海软土层中的应用——上海地铁1号线区间隧道[10]

3.4.1工程及地质概况

上海地铁1号线全长14.57km，设有13座车站，其中12座建在地下。

车站的区间隧道为内径5.5m的双线隧道，采用Φ6.34m土压平衡盾构掘进施工，掘进总长度约18km。

隧道覆土厚度6～15m，隧道施工沿线有道路、铁路、桥梁、商店、工厂、学校、民宅及地下管道。

地铁隧道在市中心掘进需穿过大片密集建筑群，因此必须控制地面沉降。

地铁1号线沿线土层主要物质力学指标见表2。

表2上海地铁1号线南段土主要物理力学指标

Table2MainphysicalandmechanicalparametersofsoilsinsouthregionofNo.1LineofShanghaiSubway

土层名称

层底深度/m

含水量w/％

空隙比e

粘聚力c/kPa

内摩擦角φ/（°）

静探比贯阻力Ps/kPa

标准贯入度N/击

褐黄色粉质粘土

2.2～4.0

30.5

0.91

14.5

12

1.0

6.5

灰色淤泥质粉质粘土

5.5～8.5

43.3

1.14

10

13

1.15

2

灰色淤泥质粘土

13～17

51.7

1.35

10.8

7

0.60

<1

灰色粘土

11.8～16.7

40.2

1.03

10

12

0.69

11.5

灰色砂质土

19～30

33

0.93

4

23

4.72

-

从地表往下地层为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土和砂质土。

区间地层主要为软弱的淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土，该层土的含水量较高（40％～60％），孔隙比大（1.2～1.6），内摩擦角φ值小（7°～15°），粘聚力c值小（1～13kPa），易塑流，属高压缩性土。

3.4.2盾构施工引起的地层变形

对隧道掘进中的一些重点保护区域进行了施工监控测试，包括地表变形、土层变形、构筑物变形以及土体水压力等项目。

同时，对盾构的主要施工参数进行了采集，如推力、推速、正面土压、姿态、同步注浆量和压力等。

文[10]分析地表隆陷的变化发展过程后，将其划分为5个阶段：

（1）盾构到达前（刀盘前方3m以外）：

盾构掘进对前方土体的影响距离略小（H+D）（H为覆土厚度，D为盾构外径），当隧道覆土为7～10m时，影响距离为12～15m。

地表隆陷变化较小，累计量小于5mm。

地表的隆陷由盾构的施工参数决定。

当设定土压值较大而出土量较小时，呈隆起状态：

反之，呈沉降状态。

（2）盾构到达时（刀盘前3m至后1m）：

地表承接上阶段的发展，但变化速率增大。

若呈隆起状态，则可达到峰值，累积隆起可达10～15mm：

若呈沉降状态，累积隆起可达10～20mm

（3）盾构通过时（刀盘后1m至盾尾脱出）：

一般情况下地表呈沉降变化，这主要由于盾尾的空隙未能及时充填注浆所致，其沉降量在10mm以内。

若盾尾同步注浆及时，充填率大于200％，因浆液向前充填而使盾构中部的地层由沉降转为隆起。

（4）盾尾通过时（盾尾脱出4m以内）：

盾尾脱出后，最易发生突沉，突沉量可达30mm。

若注浆及时，可控制突沉，甚至上隆，但随浆液的固化收缩又会逐渐下沉。

（5）后期沉降（盾尾脱出4m以外）；盾尾空隙引起的沉降逐渐减缓，此阶段又