地铁施工中地层沉降分析与控制

摘要：结合长春地铁一期工程第七标段解放大路站风道工程实例， 分析了软弱富水地层的沉降特性和引起地层沉降的原因，根据沉降原因提出了严格执行“十八字方针”、适度排放地下水、讲究开挖施工方法等控制对策，为软土地层进行城市地铁暗挖风道有效控制沉降提供借鉴。

关键词：地铁；浅埋；暗挖；沉降控制

中图分类号：U231+.3 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）07

1.工程概述

1.1 工程概况

解放大路站位于人民大街与解放大路十字路汇处，沿南北向跨路口设置，与规划地铁2号线呈“十”字换乘，1号线为标准双层、三跨拱顶直墙结构，暗挖主体长235.6m；2号线为标准双层、双跨拱顶直墙结构，暗挖主体长206.7m。

2号竖井位于2号线东端解放大路北侧绿地内，竖井深31.88m，采用倒挂井壁法施工，2号风道长50.15m，高22.1m，顶部埋深5-8m，采用CD法施工。

1.2 地层沉降的特性

根据监测资料汇总分析，风道开挖对地层沉降的影响具有以下特性。

（1）地表沉降值大于风道拱顶下沉值

在风道施工过程中，地表沉降值随着风道施工的进度逐步增大，特别是开挖至第3层导洞以后，沉降值一般为10～50mm，个别点达55mm以上；而洞内拱顶沉降值相对较小，最大15mm左右，洞内周边收敛值不超过1mm。

（2）开挖对地表影响范围大

风道开挖引起地表沉降范围大。从监控量测资料看，开挖引起地表沉降纵向、横向范围较大，一般超过开挖两侧边缘约10～20m的地面出现沉降裂缝。

（3）支护成环后土体达到稳定所需的时间较长

从长春地铁施工情况看，风道初期支护闭合成环后，其拱顶及地表仍有一定下沉，一般持续40d左右沉降基本结束。待结构二次衬砌施作完成后，才完全稳定。

（4）风道开挖超前影响范围小于其滞后影响范围

按可比下沉值比较，开挖超前影响范围一般约在20m左右；而对后方影响范围较大，唯有二次衬砌完成后，风道结构才趋于稳定。

2.地层沉降的原因分析

2.1地层土体特性的影响

风道力学理论认为，浅埋暗挖风道上覆地层已无自承载能力，荷载应全部由风道结构来承担。但实践表明，不仅土层，即使是干砂地层仍能形成自然载拱。长春地铁风道上覆土是第四系全新统人工填土和第四系中更新统冲洪积粘性土，人工填土形成期大多为近一二百年，其厚度不均，最大厚度约5m，其土质结构松散不均，抗剪强度偏低且不均匀，自稳性不良，风道开挖扰动后， 容易造成失稳坍塌。土的特性决定了地表影响范围大，地表下沉值大于风道拱顶下沉值，特别在砂层、富水地段表现更为突出。

2.2地下水的影响

地铁风道一般处在地下水位以下，开挖排水后地下水不断渗出，形成多道渗水通道，使地层持续失水，土层空隙及节理裂隙固结收缩，引起地表超前、超大范围沉降。从长春地铁施工监测情况看，地层持续失水是引起地表沉降最根本、最主要的原因。

2.3地层应力释放

由地层的收敛约束特性可知，随地层位移的增大，上覆地层施加到风道结构上的荷载将减小。最佳支护概念就是在允许地层产生稳定的位移条件下，使支护结构所受的力最小。城市地铁隧道，尤其是浅埋暗挖隧道，为保证地表的变形得到控制，原则上不允许地表出现超越规定值的下沉而换取最佳支护，地层预加固与及时支护且封闭成环是施工浅埋暗挖隧道的关键。

2.道多导洞叠加影响

在软土条件下，由于风道多导洞分台阶开挖，周围土层被频繁扰动，风道支护形成封闭结构历时较长，易产生地层大变形。

2.5施工方法

城市地铁隧道开挖常用的工法中，台阶法是引起地表下沉最为严重的一种施工方法，但因其操作简单，成本低，只要措施得当，一般可满足地表沉降要求。但台阶法也多种多样，需根据不同的断面形式及地层条件谨慎选取。

2.6开挖进尺的影响

软土隧道工作面难以自稳，因而必须支撑。研究表明，开挖时工作面需支撑的压力并不大，仅10MPa就足以使工作面短期内自稳，使开挖顺利进行；另外，稳定开挖工作面的支撑力与上覆土层的厚度以及土体的密度几乎没有什么关系，与风道的直径呈线性关系。法国的研究表明，如果工作面无支护距离小于0.2D，对稳定工作面开挖的支撑力无特别要求，但若超过此值，则无支护空间要求的稳定工作面开挖的支撑力就要变大，否则工作面就会失稳。软弱地层、浅埋暗挖法施工的隧道，开挖进尺的控制十分重要，应分析研究，有目的地控制。

2.7工作面的推进速度

沉降具有时空效应。工作面推进速度的加快，意味着各工序时间的缩短，风道开挖的空间亦小，其存在的时间亦短，利于控制地层变位的调整。

2.8初期支护刚度

大刚度支护是控制地表下沉的有效措施，尤其是对浅埋暗挖隧道。在总刚度一定的条件下，地层刚度小，势必要增大初期支护的刚度。复合式衬砌结构，根据设计的荷载分配，一般结构二次衬砌不承担施工期荷载，但根据实际施工及有关监测资料，初期支护后至地表达到稳定的时间较长，唯有二次衬砌后，风道及地表才完全稳定。因此，适当提高初期支护刚度对稳定地层是有好处的。

3.控制地层沉降的对策

地表下沉是多因素的综合作用。在地层条件一定的情况下，合理的设计与巧妙的施工乃是控制地表下沉的最为关键的手段。

针对上述原因分析，提出以下控制对策供参考。

3.1领会并严格执行“十八字方针”

浅埋暗挖法是在城市地铁隧道施工历经多地区实践基础之上提出的具有我国特色的软土隧道施工方法 。它的精神实质及要领都融合在这十八字方针里——“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。

“管超前”不仅仅是简单地利用小导管等进行超前预加固支护，其加固效果与小导管直径、长度、间距、安设角度、搭接长度以及浆液等都有关系；“短开挖”不是指台阶长度短，而是指控制循环进尺，少扰动地层，开挖范围小且留核心土；“快封闭”不仅仅是指全断面及早封闭，在分部开挖中，每一分部开挖面也应能尽快封闭。

3.2适度排放地下水

地下水的排放无疑会使上覆地层尤其是风道工作面附近地层的强度增加，刚度变大。但对于粗砂层等特殊地层，过度抽排地下水，会使多孔介质土层超固结，反而引起地表大范围沉降。因此，在能保证工作面稳定、能保证正常开挖的条件下，应尽量减少地下水的抽排，可根据情况采取止水帷幕或旋喷桩等阻断地下渗水通道，采取地表或洞内注浆措施封堵部分地下水；采取地表或洞内降排水时，尽量缩短抽排时间，掌子面开挖过后及时停止；采取断面注浆、喷混凝土等措施稳定工作面；根据具体地层条件，及时调整小导管、格栅支护参数、注浆参数，确保注浆效果。

3.3确定适合地层条件的施工方法

为有效控制地表沉降，台阶法应预留核心土，台阶长度应根据地层条件确定，地层愈软，台阶长度愈长；为使开挖各分部早闭合，上下应同时施工，按个按照规范要求的开挖循环进尺进行施工，特殊地段每循环开挖完成后，应及时喷射混凝土封闭开挖面。

3.4拉开风道导洞的开挖距离

风道分导洞开挖时，应严格控制各导洞开挖面的步距，尽量减少导洞开挖对地层沉降的叠加影响。软弱围岩其沉降影响范围大，建议两相邻工作面的开挖距离控制在15m以上。

3.5缩短开挖进尺

城市地铁尤其是软弱地层风道，开挖进尺应尽量小。根据实践经验，建议每循环进尺以一榀钢架间距为宜。

3.6加快工作面的推进速度

工作面速度的加快，意味着各工序施工时间的缩短，地层应力的释放得到有效控制，地层内部的变位调整也将减小。

3.7增大初期支护刚度

初期支护施作后，本身有一个徐变过程。超前支护，一般采取增大小导管直径、减小布置间距、严格注浆等措施加强；钢格栅，在间距一定时，宜增大主筋直径，增大支护初期刚度，以控制沉降。

3.8合理安排二次衬砌时间

孔隙水的调整所产生的附加应力是一个漫长的递增过程。软弱富水地层，随着渗排水，地表大范围沉降，初期支护的刚度与地层刚度的相互作用会愈来愈强，因此，软土风道应及时施作二次衬砌。长春地铁风道的实践表明，二次衬砌施作后，地层变位趋于稳定。

4.结论

地表下沉是多因素的综合作用，在地层特性一定的条件下，尽量采取措施，做到设计、施工与地层的偶合至关重要。 软弱围岩条件下进行地铁暗挖隧道施工，水是施工的大敌，如何有效地控制地下水，处理好降排水、施工与地表沉降三者的关系，尚需作更深入的研究

参考文献

[1] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽教育出版社，2005.

[2] 王铁生..地铁隧道竖井联系测量技术与精度分析[J]，铁道建筑，2005年 第5期.