通常在地铁建设时会出现隧道长度不够、地质环境复杂、截面尺寸过小等问题, 为保证地铁施工质量, 仅借助传统盾构施工技术是不够的。因此, 为提高施工效率和质量, 本文重点研究浅埋暗挖技术, 对富水地层隧道浅埋暗挖技术的提升有重大帮助。

横岭隧道起点是广东省河源市东源县仙塘镇, 终点是广东省河源市紫金县临江镇。隧道内单洞双线, 进出口里程分别为DK272+521.19—DK280+396, 全长7 874.81m。隧道经过低矮、复杂多变的山区, 沿线地形标高65.535～340.800m, 测试区域标高最大值是340.80m, 极差275.260m。隧道埋深12.65～201.90m。隧道起点处没有附属道路, 交通十分不便;隧道终点有小路分流, 交通较为便利。

如果隧道因土层因素出现竖向变形或下沉现象, 此时有必要对其采取支护措施。一项合理的支护方案可以提升隧道稳定性, 但当支护措施不够合理或操作不规范、不到位时, 土层也很难保持平稳状态, 土层会因未及时得到支护持续下沉、变形。经数据统计, 隧道埋设或地层环境等因素均会对其造成影响。在所有影响因素中, 以施工方式不当所带来的影响最为明显。

基于暗挖施工, 可充分发挥围岩的荷载能力, 由此起到初期支护效果。完成隧道开挖作业后, 在围岩荷载作用下进行喷锚处理。为进一步提升围岩荷载力, 一定要保证锚喷和围岩黏合牢固, 避免围岩出现大幅松动, 从而帮助支护与围岩共同受力。地质环境、埋深、尺寸等是影响隧道设计的关键因素, 当隧道周围环境条件恶劣时, 可采用环形台阶开挖法, 不仅能降低施工难度, 而且可有效解决城市隧道沉降的问题。降水及加固掌子面是隧道开挖之前施工的重点。

隧道工程中有“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的15字方针, 是有效解决砂层沉降的法宝, 保证技术操作符合方针中的要求, 掌控每个施工细节。以下建议也可有效控制下沉。

1) 施工时掌控好每个台阶的高低距离, 尽量保证施工操作干净利落, 封闭快、早成环。

2) 保证上台阶拱架和拱脚处理到位, 位置保持紧密。借助水泥垫板稳固拱脚, 将其放置在连接板下, 同时注重锁脚锚管及注浆质量。

3) 定期在初期支护背后进行回填注浆。初期支护与土体会发生分离的情况, 一方面与混凝土自重有关, 另一方面则受喷射密实度的影响, 此时会对初期支护和围岩的安全产生威胁并造成土层不稳定, 最终初期支护与围岩无法共同受力。因此, 时刻检查并及时回填注浆, 是保证初期支护正常使用的最大保障, 有助于及时止水、巩固承载体、改善结构的受力处境及解决地层下沉。

由于在富水砂层施工过程中围岩的平衡时间有限, 所以施工关键点是保证每个步骤能够快速完成, 一定要封闭快, 所有步骤要在围岩失去平衡之前完成, 否则围岩坍塌的后果十分严重。所以, 安置拱架、喷射混凝土等步骤一定要把控好时间。能否完全控制土层下沉, 不仅受到设备及优化方案的影响, 而且施工工艺、操作技术也直接影响土层下沉, 存在的影响因素颇多, 常见的有拱架焊接工作、台阶间距及连接筋等, 以上任何一个步骤不符合操作规范都会导致土层沉降, 更严重的会导致塌方。

1) 无核心土无超前支护台阶法的计算结果因为隧道开挖越深, 就会释放出更大的应力, 这是导致地层变形的关键因素, 所以在隧道施工期间应该着重注意释放应力。因为应力同时会引起地层变形, 如果开挖的上台阶长度小于1.5m, 不会影响地层变形, 往往开挖时隧道工作面的前、后方20m周围是出现地层沉降频率最高的地点。同时, 位于隧道拱脚上部的地层结构稳定性不足, 极易出现变形, 而隧道底部则设置回弹区, 因此在实际施工过程中应注重仰拱部分的施工。空间效应是隧道工程的常见现象, 也是引起地表沉降的主要原因, 所以施工时要十分关注该处, 地表沉降总量会达到60%, 主要沉降地点是开挖面10～20倍洞径范围之内。如果开挖长度小于1.5m, 不会影响地层变形, 隧道地表才可稳定。

2) 采用无核心土无超前支护当隧道施工借助这种方法时, 要采取开挖上台阶进尺2m的台阶。各施工步骤沉降量如图1所示。

由图1看出, 超前支护台阶法与无超前支护台阶法对底层变形有不同的作用。比较2种方法, 超前支护可起到控制地层变形的作用, 并且在地表沉降方面第1种方法比第2种方法多80%。隧道中变形最严重的区域集中在开挖面前后20m之内的地层, 整体以“V”形扩散。随着隧道开挖位置的改变, 地表沉降现象也存在明显差异。经验表明, 在对上台阶部分进行开挖时地表沉降最明显, 所以在施工期间要有效控制上台阶开挖所造成的影响, 以防后患。同时, 开挖下台阶也会对地层造成一定影响, 所以隧道施工初期的支护工作不可避免。

无核心土无超前支护台阶法、单侧壁导坑法具有较高的相似性, 具体体现在地表沉降、地层变形等方面。但如果比较单侧壁导坑法和无超前支护无核心土台阶法所引起的地表沉降和地层变形程度, 前者明显要小于后者。基于数据统计可知, 单侧壁导坑法可起到良好的地表变形控制效果, 基于此方法所产生的地表沉降及地层变形均得到良好地控制, 还有助于巩固拱顶, 不会引起隧道拱顶出现受拉情况。

比较单侧壁导坑法与台阶法, 前者可更有效地控制隧道围岩的变形, 不过其施工技术要求较高, 而且节点处没有足够条件对隧道进行防水。比较多种数据、施工技术、后期效果, 发现无核心土有超前支护台阶法也能有效控制隧道围岩变形。本隧道工程最终决定采取无核心土有超前支护台阶法。

对上述资料进行分析可知, 无论是否存在地下水, 所对应的地表沉降槽曲线形状均大体相当。但比较隧道施工区域存在地下水和不存在地下水的情况, 两者对地表沉降的影响也不同, 隧道存在地下水时地表沉降会增加40%。显而易见, 前者造成的后果更为严重, 这与地层中的水体出现持续下降的现象密切关联, 在孔隙水压力持续减少的影响下必然会导致地表出现沉降现象。由此可知, 在围绕富水段展开浅埋暗挖施工时, 应格外注重地下水所带来的影响 (见图2) 。

由图2可知, 尽管地下水并不会对地层变形等方面造成影响, 但它会加剧拱顶沉降程度, 且沉降区主要集中在隧道上方地表25m区域。

为确保数值计算准确性、可靠性及合理性, 在本次隧道工程开挖施工期间, 对隧道的地表沉降、水平收敛、拱顶沉降进行监测。拱顶及地表沉降监测结果如图3所示。

由图3可知, 当考虑地下水所带来的影响后, 地表沉降实测结果与预期值具有高度相似性。无论是否考虑地下水的影响, 实测的水平收敛变形现象都极为微弱, 尽管其不会带来明显影响, 但并不代表施工中可忽略此部分因素。随着隧道埋深的加大, 此时对应的拱顶及地表沉降现象也更明显, 开挖隧道过程中会对地层变形造成影响。

浅埋暗挖施工是隧道施工中的关键技术, 施工效率较高, 拆迁量较少, 在施工中灵活性较高, 对于富水地层环境而言具有较高可行性, 是隧道工程不可缺少的一部分。本文围绕浅埋暗挖施工展开探讨, 提出其应用方法, 实际成果表明此方式具有良好的可行性, 可显著提升施工质量。