地表垂直旋喷加固对 VI级围岩中浅埋暗挖隧道的沉降控制的研究

地表垂直旋喷加固对 VI级围岩中浅埋暗挖隧道的沉降控制的研究

汪礼

上海隧道工程有限公司 200000 摘 要 在软土地层，浅埋暗挖隧道施工过程中的地表沉降控制是重难点之一。文章以杭州市紫之隧道第 I标段浅埋暗挖西线隧道 VI级围岩段为例，针对隧道主要穿越土层——淤泥质粉质黏土具有“土体强度较低、开挖后自立性极差”的特点，在先期按照设计方案执行后产生隧道沉降较大的情况下，采用对开挖断面范围内垂直旋喷桩加固措施，有效控制了隧道沉降，保证了该段隧道的顺利完成，也为今后类似地质条件下浅埋暗挖隧道工程的沉降控制提供参考与借鉴。

关键词 紫之隧道 地表垂直旋喷加固 VI级围岩 淤泥质粉质黏土 沉降控制

1 工程概况

杭州市紫之隧道（紫金港路～之江路）工程第I标段为机动车专用隧道，双向四车道规模。本标段明挖段南起之浦路，向西北方向下穿五浦河，再由工作井转为暗挖段，下穿之江路。

工作井位于五浦河北岸、之江路南侧，以工作井为明暗挖隧道分界，工作井以西均为浅埋暗挖隧道，其中VI级围岩段西线隧道里程为K0+792.6～K1+043，长度为250.4m，隧道埋深为8~12m，隧道开挖跨度D为12.8m。

隧道VI级围岩段平面图见图1。

图1 隧道VI级围岩段平面图

1.1 地质条件

本工程西线隧道VI级围岩段土层从上至下依次为：①1杂填土、①2素填土、②1粉质黏土、⑤淤泥质粉质黏土、⑥含黏性土碎石、⑫2强风化泥质粉砂岩。

隧道穿越所处土层为⑤淤泥质粉质黏土，该土层主要为饱和、流塑、厚层状，同时夹少量粉土薄膜，土质较均匀，土体具有高压缩性，具有强度低、易产生蠕动且开挖后自稳能力极差的特点，开挖过程中土体变形量难以控制，施工风险大。

主要土层各项物理力学参数指标详见表1。

表1 浅埋暗挖隧道段主要土层物理力学参数表

工程影响范围内有五浦河，河面宽度为50～60m，深度约为5.9m，河堤由土石料堆砌而成。

本区域地下含水层主要为⑥含黏性土碎石，土体呈中密实状，渗透性差，水量贫乏。水位动态变化大，雨季水位较高，旱季水位低，年变化幅度通常为1.0～3.0m。该区域内，地下水主要受大气降水入渗补给，径流缓慢，主要以蒸发方式和向地势低洼处排泄。

1.2 隧道支护开挖型式

隧道超前支护形式为Φ108×6@30，L=30m超前大管棚+Φ42×4@30×300，L=450cm注浆小导管。同时采用注浆管，对隧道掌子面后方土体进行全断面注浆加固。

隧道采用CRD工法4部开挖的方式，将隧道从上至下、从左至右分为四个导洞，开挖顺序为①部→②部→③部→④部。钢架设计间距为0.5m/榀，为了尽早进行型钢钢架的施工，每次开挖进尺设置为一榀钢架，即0.5m。

每个导洞每次进尺施工完毕后，相应的临时支护要立即施工，避免长时间暴露。中隔墙竖撑及横撑均采用I18型钢，相邻两榀型钢之间采用Φ22纵向钢筋焊接连接，挂设双层钢筋网片、喷射20cm厚混凝土填充，同时在导洞底部贴着型钢钢架，侧向打设Φ42×4，L=4.5m锁腰锁脚锚管，并将其与型钢钢架通过钢板进行焊接连接。

隧道支护型式详见图2。

图2 VI级围岩段暗挖隧道支护型式横断面图

1.3 地表沉降监测点布设

在浅埋暗挖隧道的地表影响范围内埋设沉降观测点，间隔5m布设一个监测断面。数据分析以主要反应变形情况的中轴线位置监测点为例。地表沉降监测点的布置如图3所示。

图3 西线暗挖隧道地表沉降监测点布设平面示意图

2 施工问题

2.1 现场情况

西线隧道于2014年4月7日开始进行开挖施工，起点里程桩号为K0+792.6。4月30日，西线隧道开挖至里程K0+804.6处，即监测点XCJ2与XCJ3平面位置之间，隧道掌子面出现塌方，中隔墙出现两条竖向裂缝，其中一条为贯穿性裂缝。现场立即停止开挖，并对掌子面进行喷射混凝土加固，在导洞内设置钢管支撑，等待后续处理。

地表沉降监测数据如图4所示，XCJ1累计沉降-14.99mm，当日沉降-4.4mm；XCJ2累计沉降-120.17mm，当日沉降-81.9mm；XCJ3累计沉降-97.34mm，当日沉降-68.25mm；XCJ4累计沉降-23.06mm，当日沉降-13.61mm；XCJ5累计沉降-6.68mm，当日沉降-1.23mm。根据监测数据显示，XCJ2和XCJ3当日地表沉降有较为明显的突变。

图4 地表累计沉降曲线图

2.2 纵向地表沉降规律

浅埋暗挖隧道的地表沉降的纵向变化过程，如图5所示可分为四个阶段^[3]：

(1)微小变形阶段：当掌子面与地表沉降监测点水平距离在-1D至-2D范围内时，开挖施工会对监测点位置地表产生影响，由于掌子面后方的地层应力场发生变化，同时地下水的流失，监测点位置地表会产生部分沉降，此阶段产生的沉降值约为终值的10％～15％。

(2)变形急剧增大阶段：随着掌子面的向前推进，与地表沉降监测点的水平距离在-1D至3D的范围内时，开挖施工改变了隧道的边界条件，扰动了隧道上方覆盖的土体，引起了应力场重分布，同时产生卸荷效应，因此地表沉降速率加速增强，沉降随之急剧增大，此阶段产生的沉降值约占终值的60％～70％，为施工过程中的主要沉降阶段。

(3)缓慢变形阶段：当掌子面向前开挖超过地表沉降监测点，与监测点的水平距离达到3D以后，开挖面对监测点位置的影响减小，变形速率开始减缓，沉降缓慢增加，同时沉降曲线开始收敛，此阶段一直延续到5D，产生的沉降值约占终值的10％～15％。

(4)变形基本稳定阶段：当掌子面继续向前开挖，与地表沉降监测点的水平距离达到5D以后，地层趋于稳定状态，沉降增长缓慢，直至延续到8D基本不再变化。此阶段产生的沉降值约占终值的5％。

图5 地表沉降纵向变化规律

2.3 问题原因

监测点XCJ2里程为K0+802.6，监测点XCJ3里程为K0+807.6。发生问题时，掌子面里程为K0+804.6，距离XCJ2监测点0.16D，距离XCJ3监测点-0.23D，两监测点均处在变形急剧增大阶段。此时，隧道开挖对覆盖土体产生扰动，全断面注浆加固后的土体强度不能满足开挖时土体自立的要求，所以在隧道开挖过程中产生了隧道内裂缝及地表沉降较大的问题。

为了提高土体硬度及自稳能力，经过多方讨论及专家评审，采用地表垂直旋喷桩加固措施。

3 地表垂直旋喷桩加固措施

（1）旋喷加固范围

西线K0+822.6～K1+043段隧道开挖全断面、隧道开挖轮廓线3m范围内。

（2）旋喷桩参数

采用二重管高压旋喷桩加固，桩径φ600mm，800×900mm梅花型布置，桩长16m。采用42.5R复合硅酸盐水泥，水灰比为0.8，水泥掺量控制在380kg/m³～400kg/m³。

（3）旋喷桩加固施工要点

①准确划线放样，将桩位偏差、垂直度偏差控制在设计允许值之内，同时保证桩径和桩长不小于设计值。

②浆液配置时，严格按设计控制水灰比。不使用受潮或过期的水泥。

③旋喷施工间隔2～3孔跳孔施工，相邻两孔施工间隔时间控制在2天以上。

④在施工过程中，如果出现旋喷施工中断的情况，那么需要重新钻至桩底设计标高后，再进行旋喷施工。

⑤旋喷桩施工完成14天、28天，分别钻孔取芯，做无侧限强度检验，检查工程的施工质量。

4 地表沉降数据分析

在采用地表垂直旋喷桩加固措施后，土体强度满足开挖要求，西线隧道于2014年10月1日复挖，于2015年8月15日开挖至K1+043，至此，浅埋暗挖西线隧道VI级围岩段的施工顺利完成。

取地表垂直旋喷桩加固后、西线隧道施工过程中最终沉降最大的两个监测点XCJ21、XCJ38，以及地表垂直旋喷桩加固之前、西线隧道施工过程中沉降最大的两个监测点XCJ2、XCJ3，根据施工过程记录及监测数据，绘制图6所示典型监测点地表沉降纵向变化图。

图6 典型监测点地表沉降纵向变化图

观察典型监测点地表沉降纵向变化规律图：

（1）四条监测点沉降曲线均在横坐标-1～0.4范围中曲率逐渐增大，地表沉降增加速度逐渐加快，符合图5所示地表沉降纵向变化规律；

（2）XCJ2、XCJ3沉降曲线曲率明显大于XCJ21、XCJ38，XCJ2、XCJ3地表沉降增加速度远大于XCJ21、XCJ38，说明隧道开挖至XCJ21、XCJ38位置时土体强度大于隧道在XCJ2、XCJ3位置时的土体强度，土体自稳能力更好；

（3）XCJ2曲线在横坐标0～0.1范围时地表沉降超过XCJ21、XCJ38，XCJ3曲线地表沉降一直超过XCJ38、在横坐标0.3附近地表沉降超过XCJ21，且根据曲线趋势走向可以看出XCJ2、XCJ3沉降值将会一直超过XCJ21、XCJ38，说明隧道开挖至XCJ21、XCJ38时塌方的概率远小于隧道在XCJ2、XCJ3时开挖塌方的概率，施工风险更低。

5 结论

从图6典型监测点地表沉降纵向变化图可以得出结论，经过地表垂直旋喷桩加固后的土体自稳能力变强，开挖时沉降变小、增加速度变慢，浅埋暗挖隧道施工风险变低。

随着城市的发展，对地下空间的需求越来越大，浅埋暗挖工法的应用也越来越广泛，VI级围岩浅埋暗挖通道工程将会越来越多，在城市工程建设过程中如何有效地提高地表沉降控制水平也越来越迫切。而地表沉降受多种因素影响，具有地域特性，与具体的开挖方法、土质状况和地下水渗流影响程度等密切相关。文章从土体加固这个方面对地表沉降控制进行了研究，对今后类似的工程项目起到一定的借鉴作用。

参考文献

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