地鐵隧道施工對地層變形的影響

地鐵隧道施工對地層變形的影響——淺埋暗挖法對地層變形的影響摘 要:進入21世紀，我國地鐵建設步入了快速發展的階段，各大城市地鐵建設項目競相開工。正確選擇有效的地鐵施工方法是地鐵建設快速、安全、有效的有力保障。施工技術的不斷發展提高，已初步形成專門的學科體系，極大地推動了地鐵建設事業的快速發展。本文主要引用深圳地鐵的案例進行分析淺埋暗挖法對地層變形的影響。關鍵詞：地層變形 淺埋暗挖法 影響因素1.淺埋暗挖法簡介 施工方法對地鐵車站和區間隧道結構型式的確定以及地鐵土建工程造價有決定性影響。施工方法的選擇，受沿線工程地質和水文地質條件、周圍環境條件、線路平面位置、隧道埋置深度等多種因素的制約，同時對施工期間的地面交通和城市居民的正常生活、施工工期、工程的難易程度等產生直接影響。 地鐵區間隧道采用礦山法施工是近年來為適應城市淺埋隧道的需要而發展起來的一種施工方法，也稱淺埋暗挖法。目前在我國地鐵區間隧道建設中已廣泛采用。淺埋暗挖法施工，工藝簡單、靈活，并可根據施工監控量測的信息反饋來驗證或修改設計和施工工藝，以達到安全與經濟的目的。 淺埋暗挖法認為淺埋隧道按松散荷載計算，超淺埋隧道則按全土柱加地面動、靜換算荷載計算，并提倡采用巖柱理論和太沙基公式進行結構分析計算。隧道施工時，由于承載拱效應，原始地層應力并非全部轉化為作用在結構上的荷載，作用在隧道襯砌上的壓力小于初始應力（這已被大量的工程測試資料所驗證），這是由于隧道開挖后洞室周圍地層應力釋放，隧道的拱形形狀及地層內部摩擦力等導致的承載拱發揮作用，使周圍地層應力重分布并產生兩種變化，即一部分被釋放，另一部分向深部和其它方向轉移。當施設襯砌支護后，地層應力釋放過程受到抑制，一部分釋放荷載作用于襯砌結構上，這部分荷載的大小正是需要計算的。2.淺埋暗挖施工技術2.1地鐵隧道的主要施工技術 通常在地面條件允許的情況下，地鐵區間隧道宜采用明挖法，但對社會環境影響很大，僅適合在無人、無交通、管線較少之地應用。隨著我國工程建設法規、法制的完善、對大型工程建設項目綜合效益的要求和環境保護意識的提高，在城市地下鐵道的建設中，因埋深條件、周邊環境條件等因素的限制，在建筑物密集的繁華市區和特殊地質地形區段普遍要求采用暗挖法施工。淺埋暗挖法是一種適合不同斷面、造價偏低、靈活多變的施工方法，是今后應推廣的施工方法。2.2淺埋暗挖設計理論 淺埋暗挖設計理論的特點是運用量測信息，反饋于設計和施工，同時采取超前支護、改良地層、注漿加固等配套技術來完成隧道及地下工程的設計與施工。隧道深埋或淺埋并非單純指洞頂與地面之間的厚度，還應結合上覆地層的水文地質與工程地質特征、松散狀況，圍巖結構特征及風化、破碎程度，斷層影響的程度，結構強度以及地下水等因素綜合判定。通常，深埋隧道荷載按塌落拱計算；淺埋隧道按松散荷載計算；超淺埋隧道則按全土柱加地面動、靜換算荷載計算。3.淺埋暗挖法的應用3.1淺埋暗挖法的應用 近幾年來隨著城市軌道交通的發展, 許多的地鐵乘客出入口與人行地下通道規劃在一起, 但其施工方法大多采用明挖法, 然而在既有道路改造中, 采用明挖法和蓋挖法施工占地多、交通干擾大、地下管線拆遷量大、容易造成環境污染。如果在上海引進淺埋暗挖法就克服了上述缺點, 減少了對環境的影響, 能保證交通暢通和地下管線的正常使用。3.2暗挖施工引起地層變形的影響因素分析 淺埋暗挖法最初應用北京地鐵是在第四紀地層、無水、地表無建筑物的條件下，采用了管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測、速反饋的施工原則成功應用的。在超前小導管注漿加固等輔助措施的配合下，不斷完善得到一系列輔助施工措施，目前運用的廣州、深圳地鐵都是非第四紀地層，且富含地下水，伴有砂層，地表密集民房、埋深最小達0.8m、暗挖車站跨度達26m等復雜條件，因此，對暗挖法的施工工藝和輔助工法提出了更高的要求，以此保證地鐵施工對周邊環境的環保和安全要求。4.深圳地鐵案例分析 本文選取深圳地鐵I期工程6標段為例剖析不同施工工藝對地表沉降的影響程度。4.1工程概況 6標為雙線單洞隧道，馬蹄形斷面(6.2mx6.7m），正臺階法開挖，區間隧道范圍內上覆第四系全新統人工堆積層，海積沖積層及第四系中統殘積層，下伏燕山期花崗巖，地下水豐富；隧道埋深較淺，部分位置上覆砂層，開挖面土質強度較低，上覆砂層地段條件極差。4.2超前預加固輔助工法 從最初的超前小導管注漿預加固到現在應用廣泛的各種淺埋暗挖輔助工法都以適用不同的地層條件及隧道周邊環境要求為標準。從6標的工程實踐來看，針對不同的地層條件，特別是在地下水豐富地區施工地鐵隧道（大部分標段不能采取前期降水處理），在不同的地質條件下，超前預加固方法和參數的選擇相當重要。 6標一般地層條件下，隧道上覆粘土或粉質粘土，且土層較厚，故水量較小，因此采用超前小導管注漿預加固；一般地層到富水砂層地段之間的過渡段水量逐漸變大，采用長短結合的小導管注漿預加固，達到雙層的加固效果，短導管外插角比長導管大，管徑和間距增大；在富水砂層地段采用長短結合的小導管注漿預加固或小管棚加固，后者對改善開挖面條件和控制地層變形效果顯著。注漿壓力及注漿量的控制對預加固效果有影響，地層較好的情況下可以不注漿。4.3開挖時空順序 地鐵隧道開挖在土中進行，開挖擾動使原始地層應力重分布，而土的自穩能力較差，暗挖法開挖不像盾構法施工有足夠的抗力支撐擾動地層，只能以超前預加固和“短開挖、早支護”保證地層的穩定。因此掌握開挖和支護的時空效應對穩定地層，保證施工安全，控制地層變形都有很大幫助，對于掌子面而言要把握開挖進尺、分步開挖順序；對雙線隧道則要確定左右線的間距。4.4施工進度的基本情況分析 施工進度的快慢與開挖進尺及每一個開挖循環所用的時間有關，因此，考慮在預加固前提下土體的自穩時間及地層的塑性變形發展確定工序?，F場每個工序循環耗時如表1，每個班做1．5個循環，開挖進尺為1mm／循環，無支護時間為4小時；而當地層條件較差時，開挖進尺減小為0．75或0．6m／循環，超前預支護長短結合需要更多時間，而開挖土方減少開挖時間減少，即預支護強度提高和無支護時間減少，地層變形減小。 隧道通過含水砂層地段時，施工進度慢則掌子面裸露時間長，而上臺階沒有施作臨時橫撐或臨時仰拱，且上臺階拱腳容易積水，土的強度又低，雖然用鋼板或木板支撐，拱部結構仍產生整體下沉，隧道結構不及時封閉成環，對沉降的發展不易控制。因此施工過程中工程技術人員應當及時做好超前的地質預報，隨時改變頂支護參數，保證安全、快速施工。六標一般情況上、下臺階2～3m／d(下臺階機械施工，相對進尺快，有時隔天開挖)砂層地段開挖進尺小，開挖困難進度慢，甚至不時停工，其沉降大.當然在地層條件極差位置，土體易失穩，6標邊墻曾出現噴混凝土前大面積土體滑落，相當危險，現場采用三臺階開挖，縮短每步開挖的時間，保證了施工的順利進行。這也是對地層變形的有效控制。5.努力方向 我國已有近40年的地鐵修建史，尤其是近十多年來的快速發展，豐富和創新了我國地鐵規劃、設計、施工、管理運用、防災救災設備維修的技術方法及工作制度。由于我國地域廣大、地質情況多樣，地鐵修建技術也必然極具復雜性和高難度。就目前來講，我們已有的技術手段可以應付除西部和東北地區以外的大部分區域的城市地鐵修建任務，更為可貴的是我們已經鍛煉和造就了一大批有經驗的、有高度責任感的地鐵建設工作者和能吃苦耐勞、有風險精神及創新智慧的設計、施工隊伍。展望未來，為使我國地鐵修建技術日臻完善，保證地鐵工程質量，實現地鐵的社會經濟效益最大化，我國尚需在以下幾個方面努力。 5.1盡快統一地鐵和輕軌修建的設計、技術標準、施工技術規范和工程驗收技術標準，以便使我國地鐵和輕軌工程設施和設備產品規范化、系列化,對國產化也十分有利. 5.2組織力量對地鐵施工設備進行系統研制開發。 5.3加強地下工程施工輔助工法的研究開發和創新。 5.4在地下工程防水施工工藝、新材料、新技術方面加大研究的力度和進程。 5.5強化環保意識，地鐵的修建較大地改變了城市區域地層的地應力和水文地質的原始狀態，尤其是水土流失會造成生態環境的改變,甚至會形成災害隱患。