浅谈地铁施工中的暗挖施工方法

摘要：随着国家经济的高速发展，近年来我国地铁发展非常迅速，与此同时，浅埋暗挖法作为地铁施工的主要工法也得到了广泛地应用。众所周知，在人口密集、建筑设施密布的城市中进行浅埋隧道施工，由于岩土体开挖不可避免地对周围围岩产生扰动并引起地表发生移动和变形，当地表位移和变形超过一定限度时，势必会危及周围地面建筑物、城市道路和地下管线的安全。因此研究城市地铁隧道浅埋暗挖法施工引起的地层变形，对于减少隧道开挖对城市已有建筑设施的不良影响和保护地表环境具有十分重要的意义。

关键词：地铁隧道；浅埋暗挖法；台阶法；地层变形；监控量测

中图分类号：U45文献标识码： A

1．隧道施工的基本力学过程

隧道开挖是在存在初始应力场的地层中进行的，开挖引起地层初始应力状态的改变，即形成二次应力场，它是由地层初始应力场与开挖引起的附加应力场叠加而成的。在弹塑性应力状态下，隧道开挖后形成的二次应力状态中分为弹性区域和塑性区域。对于完整且强度比较高的围岩，隧道开挖后周围围岩处于弹性状态，对其影响范围可根据弹弹性力学的有关理论进行分析计算。对于破碎且强度比较低的围岩，开挖隧道后围岩处于塑性状态，对其影响范围的计算可根据弹塑性力学的有关理论进行分析。塑性应力状态的影响范围较大，比弹性应力状态要多出一个塑性区的范围。而对于具体塑性区的范围，可以通过数值模拟计算得出。隧道施作支护后，围岩中的应力变为三次应力状态。在弹性状态下，由于支护阻力存在，使得周边围岩的应力状态，从单向地 (或双向地) 受力变成双向地(或三向地)受力，从而增大周边的径向应力和减小周边的切向应力，同时提高了围岩的整体承载能力。在弹塑性应力状态下，塑性区范围会随着径向阻力的增加而相应减小，说明径向支护阻力的存在对形成塑性区的范围有直接的影响并能限制塑性区域的进一步的发展。因此对开挖的隧道及时施加支护，可以减小其开挖影响范围。随着时间的推移，整个结构的应力状态将再次稳定下来，即为四次应力状态。

隧道从开始掘进至施工完成这段时间内，土体开挖会破坏地层围岩内部初始的物理力学平衡状态，使得施工过程中围岩内部的各种力学因素不断地发生改变，直至达到开挖完成后的新的平衡稳定应力状态。由此可知，隧道开挖中的地层应力变化特征具有时间效应和空间效应，与施工过程或者说是与应力路径密切相关，其应力最终状态也不是固定不变的。

在隧道施工中，需要根据具体的工程地质条件选择合适的开挖方法，不可能总是采用全断面法一次断面成型，对常见的地铁浅埋隧道，由于地层破碎软弱，就必须分步开挖施工。分步开挖中，在不同时间上对应有分步施工过程，每一步

开挖后就形成一种短期特定的隧洞断面，不同的施工顺序意味着对地层不同的加载形式。在隧道开挖中不断变换的洞室断面和与此相对应的不同加载形式，不仅会影响隧道开挖中地层的应力、塑性区和位移变化，而且还影响隧道成型后的应力分布、塑性区大小以及地层位移状况。

2隧道施工引起的地层变形理论

隧道开挖引起地层变形包括了水平位移和地表沉降，而人们最关心的还是地表沉降的大小和分布。地表沉降主要由于开挖卸载时掌子面土体向隧洞内挤压所引起的，它包括开挖应力释放时掌子面土体向洞室内移动所产生的地表下沉、衬砌结构后面的空隙封闭所产生的地表下沉、隧道衬砌结构变形所产生的地表下沉和隧道结构由整体下移所产生的地表下沉。

隧道开挖过程中引起的地表沉降一般由施工地表沉降、土体固结地表沉降及土体次固结地表沉降所构成，不过次固结地表沉降主要产生于隧道运营阶段，施工中可不加考虑。

2.1 隧道施工引起的地层变形

在隧道施工期间，土层的初始应力状态受到破坏，土体应力变大，使得地层发生移动。土体中出现的应力增量，尤其是剪应力的出现、增加、松弛和消失，是地层发生位移变形的主要原因。

隧道施工所产生的沉降可以由“地层损失参数”来近似考虑，如果将沿着隧道开挖方向的地表断面定义为纵断面，垂直于隧道开挖方向的地表断面定义为横断面，则地铁隧道施工引起的地表纵向沉降可以看作一条累计概率曲线，地表横工程进度与成本、质量之间是相互联系的，可以说在理论上大家都知道成本与进度之间的关系是加快进度就要增加成本。因为要采取赶工措施要花费一定的费用：进度与质量的关系是加快进度会影响到工程质量的高低，由于人、机械的高强度作业改变了施工条件，可能就会影响到质量，可是在实际的施工过程中，承包商们并没有话费心思去思考怎么样使这三者之间的关系达到一种均衡。要么重质量要么抓成本，要么赶进度，总之是没有把这三者综合考虑。假如说进度滞后了，承包商们一般都会采取赶工措施，就要花费成本，但又不想花费太多的成本，那就只能在质量上下功夫了。可是由于质量不达标得不到业主、监理、质检的认可又返工，接着是进度又拖后了。这样依次形成一种恶性的循环，最终的结果是进度越来越拖后了，成本也越来越多。在工程项目建设中工程项目进度控制、质量控制和投资控制并列为工程建设控制的三大目标。工程项目进度控制是指在项目目标实施的过程中，为使工程建设的实际进度与计划进度要求相一致，使工程项目按照预定的时间完成及交付使用而开展的控制活动。在工程项目建设过程中，工程项目的实际进度往往不能按计划进度实现，实际进度与计划进度常常存在一定的偏差，有时候甚至会出现相当程度的之后。这是由于工程项目建设具有庞大、复杂、周期长、相关单位多等特点，工程施工进度无论在主观或客观上都受到诸多因素的制约。针对就如何采取措施加强对施工单位工程进度控制管理提出一些认识与看法。向沉降分布等效为一正态分布曲线，它们都有一个时空效应过程，随着隧道的开挖，其沉降值会不断增加。隧道施工引起的地层变形主要是由土体不均匀沉降和不均匀水平移动所导致的，对地面建筑物产生不同程度地影响，影响的程度主要根据地表沉降的大小和分布范围而确定。

2.2 浅埋暗挖法施工引起地层变形的主要影响因素

在隧道施工期间，由于地层被扰动甚至失稳和地下水的流失，从而引起地层变形。实际上引起地层变形的因素很多，也较复杂，具体工程中考虑的因素也多种多样。通过大量的工程实践，可以认为引起地层变形的主要因素有围岩的土体性质、地下水位、施工方法和埋深等。

1．围岩土体性质

隧道施工中是否能在地层中形成拱结构，对地层变形的影响很大。拱结构的形成可以大大加强地层的自承能力，减小地面沉降值，并能分担支护结构上的部分应力。拱结构的形成与围岩土体的物理力学性质紧密相关，城市地铁隧道多位于软弱地层中，土体性质复杂多变，因此施工前应对工程地质情况详细勘察，充分了解围岩土体特征，以便采取施工辅助措施，促进拱结构的形成。

2．地下水

城市地铁隧道大多在地下水位以下，地下水无论对施工安全还是地表沉降都会产生很不利的影响，地下水的存在会降低围岩强度，增加围岩和支护的压力，这就要求在施工中降低地下水位。但地下水的排放会造成地层中的自由水因为压力差的原因而不断损失，容易使地层出现超前和较大范围的沉降。特别是对于地下水位以下的流塑性地层，隧道开挖期间，应采用辅助措施改善地层，以降低施工风险和减少地表沉降。

3．地层应力释放率

根据地层土体的收敛约束理论，当地层发生变形时，拱顶覆土层作用在隧道支护上的压力将减小。通常所说的最佳支护概念就是在地层稳定的前提下，使支护结构承受尽可能多的力，也就是要将掌子面开挖土体的应力最大限度地释放出来。对城市浅埋地铁隧道，为保证施工安全及减小对周边环境的影响，必需将地表沉降值控制在一个较小的范围内，因此开挖中采取了超前加固地层和及时密贴大刚度支护等工法措施。由于城市地铁所处于的土层一般软弱破碎，施工时应控制地层应力释放率以减少地层沉降影响的范围。

4．双线隧道的相互作用

目前国内城市地铁多采用双线单行区间隧道，两隧道同时开挖时会相互影响。

大量工程实践证明，对于双线隧道，当中心线距超过 5 倍洞径时，属于分离式隧道，不必考虑它们施工中的相互影响。但当中心线距小于 3 倍洞径时，属于小间距隧道，此时不能忽略其对施工的相互影响。可以看出，若双线隧道间距较小，由叠加原理，两条隧道同时施工时引起的地层变形要大于单条隧道的施工，此时应加强监控量测以避免产生施工风险和引起较大的地面沉降。

5．隧道开挖方法

浅埋暗挖法多种多样，常见的方法有全断面法、正台阶法、中隔墙法（CD）、交叉中隔墙法（CRD）、双侧壁导坑法(眼镜工法)等。确定隧道开挖方法时，应综合考虑不同的工程地质条件、断面大小、地表环境条件等因素。若施工工法选择不当，不仅会严重影响施工速度和工程造价，同时也影响施工安全。根据国内外大量的工程实践经验，若从施工速度和工程造价上来看，开挖方法的选择应为全断面法―台阶法―CD 法―CRD 法―眼镜工法。但若从施工安全方性面来看，顺序刚好反过来。本文所依托的哈尔滨地铁工程采用的是上下台阶预留核心土法。台阶法施工对地表沉降影响较大 (引起的地表沉降量将近是 CRD 法的两倍)，但它工序简单，适用性较强，造价较低，施工速度较快，而且一般来说只要采用合理的施工工艺，即可满足工程所要求的地表沉降形初期支护和圆形二次衬砌断面。

2.3 控制浅埋暗挖法施工引起地层变形主要方法

浅埋暗挖法施工的精髓是充分发挥围岩的自承能力，尽量减少对地层的扰动，进行严格的施工量测，在具体的工艺技术要求上，亦即所谓的 “十八字”方针：“管超前严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”。由此，为有效地控制地层变形，应从以下四个方面考虑：

1．改善地层特性

隧道施工期间，对开挖面前方地层进行超前支护，改善围岩土体的性质，促进土体开挖时地层拱结构的形成，使其向有利于隧道稳定方面转化。地层预加固的方法很多，常用的有预注浆法、超前锚杆和超前管棚等。最常用的加固方法是传统的注浆法，通采用超前小导管注浆措施实现，合理的选择小导管及注浆参数，可以同时达到加固地层和堵水的双重效果。锚杆法施工中一般采用的是全长砂浆锚杆，由锚杆与砂浆共同组成锚固体。在施工中能提高待加固土层的整体强度和刚度，并能减少结构压力和抑制地层沉降。超前管棚较单纯的注浆法，具有更好的稳定开挖面、控制沉降的效果，且能提高施工速度。

2．适量排放地下水

地下水的存在会大大减少地层的自立时间，这在施工中是很不利的，排除地下水能够增加开挖面附近土体的强度和刚度。但地下水不宜过度排放，比如对于某些特殊地层如砂层，砾砂等，地下水的大量流失会引起隧道上覆多孔土层发生超固结现象，并导致地层的大范围沉降。因此，在保证隧道开挖面土体稳定的前提下，应避免过度抽排地下水。

3．选取合理的施工方法

控制地面沉降的关键是保持掌子面土体的稳定，尽量减小对围岩的扰动。

因此，在软土地层中进行隧道施工，一般都会采取分步开挖的方法。分步开挖不仅能保持开挖面的稳定，又可对隧道及时、有效地进行支护，减少了对地层的扰动。另外采取正确的施工步骤也是十分重要的，分析表明，不同的分部开挖方法和开挖顺序产生的地表沉降量往往差别较大，有目地地选择施工顺序可有效减少地表沉降量。隧道施工中应全面领悟“短开挖、强支护和快封闭”的实质，并务求落到实处。

4．及时密贴施作大刚度支护，使地层变形尽快趋于稳定。

城市地铁软土隧道施工控制地面沉降时，要求支护及时、密贴、大刚度、早限值，目前已较多地应用在国内外地铁单线隧道中。台阶法也分为很多种类，应根据不同工程的具体情况谨慎选择。台阶法中土体的分布开挖会增加对围岩的扰动次数，因此保证开挖掌子面的稳定是台阶法施工成功的关键。尤其在软弱地层中使用台阶法时，应充分领会“早封闭”的概念，一般多在上台阶底部增设临时仰拱，使上下台阶尽快各自闭合环。地面沉降通常具有时间效应，开挖时间越长，引起的地表累计沉降量也就越大。若加快隧道掘进速度，减少掌子面的暴露时间，则引起的累计沉降量也就越小，进而达到控制地表沉降的目的。

6．覆跨比和结构类型的影响

覆跨比指的是隧道拱顶上部覆土层的厚度与隧道结构跨度之比，这个比值对地面沉降的影响很大。若覆跨比大于 1―2，其施工相对简单，并且也比较容易控制沉降值；若覆跨比小于 1，此时施工需要投入大量的辅助工法，增加了工程造价。由此可见，这个因素非常重要，需认真对待研究。另外，隧道的结构类型对地面沉降也有影响，现在地铁隧道因考虑施工的方便和可操作性，通常采用马蹄封闭。采用浅埋暗挖法施工，求开挖后立即架钢拱、挂钢筋网、喷混凝土；要求喷射的混凝土与围岩密贴，不留空隙；要求支护刚度大，能控制地层变形，如经常采用的格栅拱；要求早封闭，即使采用的是分步开挖，也要尽量使各开挖步骤的支护是封闭的，必要时设置临时仰拱。

2.4 地层变形控制标准

城市地铁浅埋施工控制地层变形要比一般的浅埋隧道更加重要，不仅要保证隧道开挖中的施工安全，还要注意不能影响隧道附近临近建筑物的安全。我国地铁隧道施工引起的地表沉降值往往由专家根据经验确定，国内一些城市通常将沉降控制基准定义为 30mm,这个标准是隧道开挖对地面环境造成影响的最小控制值。表 2.1 列出了国内外一些地区地面沉降控制标准值。不过实践也证明，片面强调地表下沉的绝对值是不科学的，也很难找到合理的绝对值。应结合工程环境条件和隧道本身的安全要求，综合制定地面沉降控制的基准值。

3小结

（1）本文简要介绍了隧道开挖的基本力学过程，隧道开挖经历了三次应力状态的改变，即初始应力状态―洞室开挖后应力状态―支护体系应力状态―稳定应力状态。

（2）总结概括了隧道开挖对地层变形的影响因素为：土体的性质、地下水、地层应力释放率、隧道相互作用的叠加和施工方法等。提出了减小地层变形的具体技术措施为：改善地层特性、适度排放地下水、采用合理的施工方法和及时密贴大刚度支护等。

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