浅埋暗挖法隧道施工技术及其地面沉降控制研究

王颖苗

（北京中领工程设计咨询有限公司，北京 100000）

隧道工程开挖施工在公路、铁路、地铁等工程项目建设中非常常见，由于隧道开挖需要破坏既有地层结构状态与关系，且会对隧洞室临空面周边一定范围内的地层应力场产生影响，进而导致地面发生一定程度上的沉降。当地面沉降超过允许范围时，就会对上部既有建筑物的结构稳定性与安全性产生威胁，因此必须引起施工作业人员的关注。在浅埋暗挖法隧道施工的过程中，对地面沉降的合理控制更是至关重要。

1 浅埋暗挖法隧道施工技术

1.1 施工原理

隧道区间开挖施工过程中选用浅埋暗挖法的基本原理：隧道工程开挖初期通过复合衬砌的方式承担基本荷载作用力，二次支护作为荷载安全储备，初期、二次支护结构共同承担特殊状态荷载作用力。围岩结构通过辅助工法超前支护的方式进行加固，以调动围岩结构自身承载作用力，并结合施工现场实际情况选用多种开挖方法支护封闭成环，与围岩结构形成联合体系，巩固支护效果。目前，该工法被广泛应用于软弱地层地下工程施工作业中，但考虑到围岩结构自身承载作用力不高，因此为达到对地表沉降的控制效果，复合衬砌结构应当在确保支护时效的前提下尽可能提高刚度水平，通过增加支护结构承载作用力的方式，合理降低围岩结构自身承载作用力，以达到控制地表沉降量的目的。

1.2 施工原则

在浅埋暗挖法隧道施工过程中，为最大限度确保开挖作业的顺利进行，同时实现对地表沉降量的合理控制，应遵循以下基本原则：（1）结合浅埋暗挖作业现场地层情况、既有建筑物构造特点以及现场施工机械的配置情况，对开挖方法进行合理选择。针对比较常见的大地层断面或地层条件较差的情况，可以将分部正台阶开挖法与辅助工法结合应用。反之，若地层断面小或地层条件良好，则可以优先选用全断面开挖工法。（2）在断面开挖过程中应当重视对辅助工法的选择与合理应用，在辅助工法应用基础之上结合实际情况优先考虑大断面开挖工法。（3）开挖作业面现场机械设备投入应当与地层、断面实际情况契合，按照工程造价×10.0%以上标准投入作业。（4）现场隧道开挖应当安排专人对通风状态进行监测与控制，密切处理各关键施工工序、作业人员以及内外部环境间的对应关系。（5）现场开挖施工期间应当基于对信息化技术的应用，合理调整与优化工序进度与实践安排，以保障施工进度与质量水平。

1.3 施工技术

浅埋暗挖法隧道施工开挖作业进行前，应当结合工程实际情况对开挖掘进方式进行合理选择，以提高施工工法与现场实际情况的适应性。具体对应关系如表1所示。施工过程中，原则上应以人工开挖为主，条件允许时可配合弱爆破、短进尺开挖工法的合理应用，并最大限度避免围岩结构受到扰动影响，开挖全程应当对爆破振动进行合理监测，爆破进尺必须严格控制在1.0m以内。

表1 不同类型隧道浅埋暗挖开挖掘进方式对应表

现场施工期间，为降低对围岩结构的扰动，最大限度控制地表沉降量，原则上应尽可能提高支护刚度，提前支护时间，同时配合对围岩结构条件的改良，对支护设计方式的合理选择。一般来说，浅埋暗挖法施工期间的支护设计应当结合对开挖现场地质条件、辅助工法、开挖方法的综合研究，并通过实验验证的方式在开挖期间持续改进。支护设计方式对应表如表2所示。

表2 开挖期间支护设计方式对应表

（1）土体加固施工技术。浅埋暗挖隧道施工过程中地表、地下沉降都是在初期支护作用前生成的，因此为控制沉降，必须在施工前期完善对开挖区域土体的预加固、支护施工。目前技术条件支持下常见的土体加固施工技术措施包括以下几类：①隧道超前锚杆支护：根据工法以及结构形式的不同，可分为悬吊式支撑、格栅拱支撑等几种类型。在开挖作业前将超前锚杆打入稳定岩层结构内，末端通过悬吊锚杆提供支撑作用力，以约束围岩结构变形，方便后续断面开挖以及喷锚作业，发挥土体加固的作用。②超前小导管注浆支护：通过格栅钢架构建共同支护体系，同时发挥注浆管与超前管棚的加固作用，注浆过程中可选用水泥浆、水泥-水玻璃双液浆等注浆材料，注浆压力按照0.5～1.0MPa标准控制，可确保浆液填充扩散均匀。③超前管棚支护：在开挖隧洞外轮廓周边按照一定间隔距离钻孔并安装大惯性矩钢管，通过注浆固结的方式形成支护体系，施工期间应当严格控制导向钢管钻孔精度以及大管棚导向墙施作，确保支护结构的安全可靠。④水平旋喷支护：一种新型的岩土结构加固技术，通过水平旋喷注浆在掌子面前方构筑拱形刚性体，以此种方式支撑上部荷载作用力，控制因开挖作业所产生变形以及隧道开挖过程中不良地层结构坍塌问题。该方法施工过程中在土层中水平钻进成孔，借助于水平状布设注浆管，通过喷嘴自内至外移动完成旋喷注浆施工。支护作业期间应当严格注意对浆液质量、承载力、桩长、桩位的控制。

（2）隧道开挖的施工技术。浅埋暗挖隧道开挖过程中的常见开挖技术方法包括全断面开挖、台阶开挖、中隔墙开挖等，其基本施工流程如图1所示，具体施工技术包括以下内容：①全断面开挖：适用于1～2级围岩结构，借助于移动钻孔台车全断面一次性钻孔作业，爆破成型，在此基础之上完成初期支护以及二次模筑衬砌施工作业，整体施工速度快、工序少，但可能因爆破作业带来移动、震动扰动，必须加强作业安全管理。②台阶开挖：结合实际情况划分工作面施工以适应地层变化，多在软弱围岩地层结构中应用，在隧道开挖过程中以正台阶法比较常见，可结合实际情况通过上下两部分步开挖、多部分步开挖等方式实现。③中隔墙法：建立在台阶开挖基础之上，每一部分开挖后及时支护以形成闭合单元，在不稳定岩体以及地层较差结构中应用频繁。需要注意的一点是，若施工条件无法满足施工要求，可以在中隔墙施作基础之上增设临时性仰拱，以交叉中隔墙的方式完成断面开挖作业。④双侧壁导坑法：可以将开挖断面大跨度施作转变为小跨度作业，在地层较差、开挖断面较大隧道项目中应用比较广泛。该方法的施工原理是将隧道工程开挖断面划分为左右两侧壁导坑，上部核心土、下台阶，分别完成施工作业，过程中各个分块开挖完成后独立闭合，施工期间中间变形基本不发展，但由于分块较多，扰动较大，因此对初期支护全断面闭合时间有较高要求。

2 工程实例

某地铁隧道开挖工程项目位于S市西北侧高新技术开发区，起讫里程为DK24+909.2～DK26+166.5，开挖隧道全长1.2km左右，为双洞双线隧道。隧道开挖区间选用浅埋暗挖法进行施工作业。开挖区间作业面为全线地下区间，埋设深度最大值为11.5m。根据前期施工方案与设计图纸规划，隧道开挖工作断面为椭圆形，开挖宽度为6.7m，开挖高度为7.0m，采用复合衬砌支护结构进行早期支护。整个隧道开挖区间位于开发区主街道下方，道路两侧既有建筑物包括商业、住宅、学校等，地势构造平坦，起伏波动不大，既有建筑物与开挖隧道间距离近，地下管线纵横交错，环境复杂，给浅埋暗挖施工带来一定影响。

3 地面沉降控制

3.1 地面沉降影响因素

图1 浅埋暗挖隧道施工基本流程示意图

（1）隧道埋设深度。地面沉降在很大程度上受到结构拱顶上部土层覆盖厚度、隧道结构跨度影响，两者比值即腹跨比越小，地面沉降风险越大。该工程中，腹跨比＞1.0时地面沉降可控制在30.0mm范围内；腹跨比＜1.0的情况下，浅埋暗挖隧道施工区段地面沉降将超过30.0mm的可控范围。

（2）围岩结构质量及土层性质。浅埋暗挖隧道结构开挖作业结束后，上部覆土层所形成自然拱最小土层厚度直接受到土体力学性质的影响，施工过程中凭借其稳定性达到初期支护的状态。但在围岩质量有缺陷的情况下，隧道开挖过程中覆土层难以避免出现坍塌问题，影响自然成拱效果，进而对地面沉降控制产生不良的影响。该工程中，隧道开挖过程中若可自然成拱，则地面沉降控制难度低，反之则地面沉降控制风险大。

（3）地下水构造及环境降水。一般情况下，隧道开挖作业面多集中在地下水位线以下区域，浅埋暗挖作业结束后地下水渗出比较明显，并在地下构造中形成渗水通道，地层因失水而出现土层收缩与空隙问题，形成较大面积沉降区段。尤其对于该工程项目而言，地层因浅埋暗挖所形成的连续性失水直接加大了地面沉降控制的难度。

（4）地层应力集中释放。在隧道浅埋暗挖作业过程中，地层位移持续增加，隧道结构上部覆土层荷载作用力有所降低，最佳支护状态是在满足地层稳定位移需求的前提下最大限度降低支护结构承受作用力。为控制地面变形，应按照固定值严格控制地面沉降，此过程中所涉及的措施包括支护、封闭成环、预加固等。

3.2 地面沉降控制措施

（1）合理排放地下水。地下水及时排放会促进土层结构强度、刚度水平的提高。若工程施工现场上部覆盖地层以砂砾层为主，过度排放地下水会导致上部覆盖多孔介质土层出现超固结的问题，进而给地面沉降的控制带来难度。因此，隧道开挖过程中应当以确保开挖作业面稳定性为前提，对地下水进行合理科学排放，并结合实际情况及时封堵地下渗水通道。在此基础之上，该工程开挖期间，在完成掌子面开挖作业后，通过掌子面周边开挖与注浆加固结合的方式提高工作面稳定性，并视情况停止排水作业。期间结合地层条件对注浆参数进行科学控制，以最大限度保证注浆加固效果。

（2）科学进行开挖施工。该工程项目隧道断面开挖选用上台阶与下台阶结合方式。上台阶开挖以人工风镐为主，开挖台阶长度在3.0～3.5m，开挖过程中人工装车翻至下台阶，循环进尺按照1.0m标准控制。上半断面开挖过程中自拱部环形土开始进行，尽可能保留中央土体结构，发挥掌子面承载作用力，完成拱部支护后再进行核心土开挖作业。下台阶开挖过程中该工程选用人工开挖与装载机开挖相结合的方式，按照1.0m控制循环进尺，自中央土体开始进行机械开挖，左右两侧的墙体预留0.5～1.0m宽度由人工方式进行开挖修正，开挖结束后及时封闭成环，以提高结构稳定性。配合人工开挖修正的方式使开挖轮廓线达到圆顺状态，并减少开挖作业对围岩结构的不良影响。

（3）强化初期支护。初期支护完成后支护作用力存在一定的变化趋势。结合已有工程实践经验，加强超前支护结构稳定性可以采取的措施包括控制导管间距、增加导管直径、以及扩大注浆加固范围等。结合该工程隧道开挖现场实际情况，在钢格栅支护结构形式下，采取了增大喷射混凝土厚度、增加锚杆直径、增加主筋直径的方式，促进初期支护结构刚度水平的提升，以达到合理控制地面沉降量的目的。

（4）及时二次衬砌。在浅埋暗挖隧道开挖作业过程中，受到断面开挖因素影响，孔隙水侵蚀开挖结构会导致附加应力水平的缓慢、持续性提升。对于该工程中所涉及的软弱富水地层区域而言，在渗水、排水持续进行的过程中，势必会产生日益增大的地表沉降量。考虑到这一情况，为了尽快恢复地层结构稳定性，控制初期支护结构刚度与地层刚度间的相互作用，就应当在初期支护开展基础之上及时、尽早进行二次衬砌，以稳定地层变形，控制地面沉降问题。需要特别注意的一点是，某些特殊情形下，二次衬砌浇筑作业还可能涉及隧道开挖工作断面边顶拱以及仰拱分隔部分，针对两者分界线的衬砌浇筑作业，必须适当缩短浇筑仰拱边墙的总时间，若浇筑环节出现气泡，现场施工人员可以通过翻转定型模板的方式予以处理。

（5）控制背后注浆。浅埋暗挖隧道断面开挖且进行初期支护后应及时通过背后注浆施工的方式填充支护结构背后间隙，并严格控制注浆加固压力水平，确保填充达到饱满效果，使初期支护结构与地层紧密固结。以此种方式弥补因隧道断面开挖给地层应力造成的不良影响，保证应力平衡状态，控制位移变形问题。

4 结束语

文章研究了浅埋暗挖法隧道施工的基本原理以及施工原则，并就土体加固施工技术方案以及隧道开挖的施工技术的选择与优缺点进行了分析。在此基础之上，结合某工程实例，探讨了地面沉降的影响因素，如隧道埋设深度、围岩结构质量、土层性质、地下水构造及环境降水、地层应力集中释放等，并针对上述影响因素，提出了针对性的地面沉降控制措施，包括合理排放地下水、科学进行开挖施工、强化初期支护、及时二次衬砌以及控制背后注浆等相关内容，旨在促进地面沉降的有效控制，进一步巩固浅埋暗挖隧道施工的整体效果，值得业内人员关注与重视。