城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控.pdf

第3期（总第185期）No.3(SerialNo.185)2016年6月CHINAMUNICIPALENGINEERINGJun.2016DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2016.03.017城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控赵峻（上海隧道工程有限公司，上海200032）摘要：浅埋暗挖法是城市内隧道工程中一种常用的施工方法,但由于工程水文地质条件的不确定性和施工环境的复杂性，使得浅埋暗挖法地下工程施工存在许多风险。如果施工不当,容易导致隧道坍塌。以紫之隧道工程I标暗挖施工坍塌处理为例,对引起坍塌的原因进行分析,归纳坍塌隧道修复以及预控应对措施,对浅埋暗挖城市隧道工程塌陷修复和预防具有一定的指导意义。关键词：浅埋暗挖；坍塌；修复；预控中图分类号：U458.3文献标志码：A文章编号：1004-4655（2016）03-0054-04近年来随着我国经济和社会的快速发展，城市全线避绕西湖风景名胜区，出蔡国忠山后下穿地铁隧道、公路隧道等地下工程越来越多，许多地西溪路、天目山路、沿山河，出地面后接既有紫金下工程需要穿越建（构）筑物、城市主干道或地质港路，设置1对匝道与之江路、西溪路相接。线路条件复杂地层，盾构施工技术和暗挖施工技术已被全长约14.4km，其中隧道长约13.9km。广泛采用。但浅埋暗挖法施工在软弱富水地层施工紫之隧道工程土建第I标段穿越之江路、梅灵中面临的安全风险也越来越严峻，在隧道工程施工南路段至山岭隧道之间，全长750m。浅埋暗挖法时造成坍塌事故的教训不少，本文结合紫之隧道工分别采用CRD法和台阶法施工（见图2、图3）。程案例对坍塌隧道处置和修复技术进行总结，提出φ42×4超前[1]预控措施。注浆小导管1工程概况一层台阶马口马口1.1地理位置二层台阶马口马口紫之隧道（紫金港路—之江路）工程双向4车三层台阶四层台阶道，为机动车专用隧道，工程南起之浦路，下穿五图2CRD工法施工图3四台阶法工法施工浦河、之江路、梅灵南路后进入山体向北延伸。工支护示意图支护示意图程地理位置见图1。1.2施工概况梅家坞溪本工程１标段隧道顶覆土7～14m，紫之隧道工程浅埋暗挖隧道穿越之江路段约250m，隧道云栖海航度假酒店浅埋暗挖段东线开挖断面位于⑤淤泥质粉质黏土、⑥含黏性土碎石土层，呈饱和软流塑状，围岩类别为VI级。采用浅埋暗挖段西线隧道工作井地表垂直旋喷加固，小导管超前支护，CRD工法之江路施工。五浦河穿越之江路后，隧道开挖面处于⑫k1c-1全图1工程地理位置示意图风化泥质粉砂岩、⑫k1c-2强风化泥质粉砂岩、⑫k1c-中风化泥质粉砂岩土层，围岩类别为V级。收稿日期：2016-04-11作者简介：赵峻（1972—），男，高级工程师，本科，主要采用小导管超前支护，台阶法施工。从事地下空间及隧道施工技术及应用。由于隧道左侧紧靠五浦河，且之江路地表以下54 第3期（总第185期）No.3(SerialNo.185)2016年6月CHINAMUNICIPALENGINEERINGJun.2016赵峻：城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控2016年第3期DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2016.03.0177m范围内为杂填土，隧道顶部地下水相当丰富，拟定为K1+175～K1+207。为使洞内尽快恢复施工，对隧道开挖施工影响相当大，施工期间发生过2次确保塌陷段后续施工的安全顺利，制订了修复的总较大的隧道坍塌险情，引起地表塌陷。体流程（见图5）。城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控2坍塌描述及原因分析监控量测2.1坍塌经过赵峻浅埋暗挖东线隧道施工至K1+207处（位于云地表处理地表回填坑内加固隧道边线栖海航酒店绿地地下），采用小导管超前支护台阶注浆加固（上海隧道工程有限公司，上海200032）法施工。开挖过程中掌子面较为稳定，但隧道顶部地下水疏排渗水现象较为明显。洞内在K1+189处进行初支二摘要：浅埋暗挖法是城市内隧道工程中一种常用的施工方法,但由于工程水文地质条件的不确定性和施工环境的复台阶支护施工，开挖线左侧岩层为全风化泥质粉砂洞内修复正常段淤泥破损段开挖后续段开挖杂性，使得浅埋暗挖法地下工程施工存在许多风险。如果施工不当,容易导致隧道坍塌。以紫之隧道工程I标暗挖岩，岩层较为松散夹有含黏性土碎石，在初衬混凝清理支护支护施工坍塌处理为例,对引起坍塌的原因进行分析,归纳坍塌隧道修复以及预控应对措施,对浅埋暗挖城市隧道工程土喷射过程中，该处拱顶出现初支混凝土掉落现象，塌陷修复和预防具有一定的指导意义。拱顶伴有渗水并持续增大，险情有逐步增大趋势，监控量测关键词：浅埋暗挖；坍塌；修复；预控中图分类号：U458.3文献标志码：A文章编号：1004-4655（2016）03-0054-04施工单位迅速组织洞内作业人员紧急撤离，随后隧图5塌方区域修复流程道内拱顶支架坍塌，引起地面塌陷，隧道坍塌里程3.2修复过程K1+184～K1+207，地表塌陷面积约为35m×25m塌方区域的修复过程见图6～图7。近年来随着我国经济和社会的快速发展，城市全线避绕西湖风景名胜区，出蔡国忠山后下穿（见图4）。地铁隧道、公路隧道等地下工程越来越多，许多地西溪路、天目山路、沿山河，出地面后接既有紫金下工程需要穿越建（构）筑物、城市主干道或地质港路，设置1对匝道与之江路、西溪路相接。线路条件复杂地层，盾构施工技术和暗挖施工技术已被全长约14.4km，其中隧道长约13.9km。广泛采用。但浅埋暗挖法施工在软弱富水地层施工紫之隧道工程土建第I标段穿越之江路、梅灵中面临的安全风险也越来越严峻，在隧道工程施工南路段至山岭隧道之间，全长750m。浅埋暗挖法图6土方回填施工示意图图7坑内钢筋混凝土回填施工图时造成坍塌事故的教训不少，本文结合紫之隧道工分别采用CRD法和台阶法施工（见图2、图3）。图4塌方区域横断面及纵断面隧道示意图3.2.1素混凝土回填措施程案例对坍塌隧道处置和修复技术进行总结，提出2.2坍塌原因分析在塌方区域内进行C20素混凝土回填，浇筑φ42×4超前[1]预控措施。注浆小导管紫之隧道工程1标段地质较差，属于软弱破碎高度约为1.5m，控制该层素混凝土距离地面高度1工程概况一层台阶为7m，对塌方区域的边坡铺设钢筋网片，其混凝岩层，全线地下水丰富，隧道拱顶处于含黏性土碎马口马口1.1地理位置二层台阶石层、全风化泥质粉砂岩变化地段，遇水容易软化，土的浇筑和钢筋混凝土板一起，形成混凝土护坡。马口马口紫之隧道（紫金港路—之江路）工程双向4车三层台阶围岩自稳能力较差，无法在拱顶地层形成稳定的压3.2.2钢筋混凝土回填措施四层台阶道，为机动车专用隧道，工程南起之浦路，下穿五图2CRD工法施工图3四台阶法工法施工力拱。开挖过程中拱顶容易掉块，地层损失引起拱在已经完成素混凝土面层上，按1m的间距，浦河、之江路、梅灵南路后进入山体向北延伸。工支护示意图支护示意图顶和地表沉降较大。沿隧道轴线方向铺设I18工字钢。在工字钢间进行程地理位置见图1。1.2施工概况坍塌段隧道正好位于云栖海航酒店绿化带，地钢筋绑扎，使钢筋和工字钢连接形成钢筋网，浇筑梅家坞溪本工程１标段隧道顶覆土7～14m，紫之隧势较低，为汇水区。隧道上方有酒店雨水、污水、厚1.5m的钢筋混凝土板。道工程浅埋暗挖隧道穿越之江路段约250m，隧道自来水管道。由于施工产生的沉降不可避免在地层在隧道边线按照1m间距均匀放置PVC管，云栖海航度假酒店浅埋暗挖段东线开挖断面位于⑤淤泥质粉质黏土、⑥含黏性土碎石内产生渗漏通道，引起隧道拱顶渗水土体软化。作为隧道边线加固的钢管桩预留孔用，同时在隧道土层，呈饱和软流塑状，围岩类别为VI级。采用坍塌段正好处于开挖施工工艺调整阶段，开挖塌方区域内按照2m×2m的间距放置PVC管，作浅埋暗挖段西线隧道工作井地表垂直旋喷加固，小导管超前支护，CRD工法从三台阶转为四台阶工法，初衬封闭成环有所滞为隧道拱顶注浆孔管。之江路施工。后，该段拱架受力处于最不利状态，加上拱顶渗水3.2.3地表注浆加固措施五浦河穿越之江路后，隧道开挖面处于⑫k1c-1全加剧初支变形的发展，导致初支体系失稳。在地表回填区域K1+180～K1+205处打设注图1工程地理位置示意图风化泥质粉砂岩、⑫k1c-2强风化泥质粉砂岩、3坍塌段修复浆孔，梅花型布置孔间距为2m×2m，注浆深度⑫k1c-中风化泥质粉砂岩土层，围岩类别为V级。3.1总体流程为11～18m，至原开挖中台高度，对钢筋混凝土收稿日期：2016-04-11作者简介：赵峻（1972—），男，高级工程师，本科，主要采用小导管超前支护，台阶法施工。根据地表沉降数据和坍塌范围，以及洞内施工板和拱顶之间的扰动土体和洞内坍塌土体进行注浆从事地下空间及隧道施工技术及应用。由于隧道左侧紧靠五浦河，且之江路地表以下情况，并考虑土体松动效应，塌陷区段处修复范围加固。5455 赵峻：城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控2016年第3期注浆加固浆液为双液浆，水泥浆与水玻璃的比3.2.6洞内水平加固措施例为1∶1，水泥浆比重控制在1.5～1.6，注浆提对修复段开挖拱顶、两侧1m范围内进行水平升速度在隧道洞内为每5min提升50cm，在隧道WSS注浆超前加固，范围从K1+175～K1+207，拱顶上方的土体内每5min提升30cm。分3段进行，每段长度为12m，搭接长度为2m。[2-3]双液浆注浆压力P极限压力值满足式（1）：拱顶以下2m范围内，按50cm×50cm间距梅花型布置3排。浆液采用双液浆,注浆压力控制在（1）1～2MPa，浆管回抽速度为每5min后退50cm。3洞内水平注浆加固示意图见图11。式中：Pu为注浆压力，MPa；γ为土的容重，g/cm；≈35h为注浆孔深度，m；φ为土的内摩擦角，（°）；c为土的内聚力，kPa。根据地勘报告中的淤泥质粉K1+175K1+2103质黏土γ=18.3g/cm，h=14m，φ=5°，c=11kPa，K1+207考虑到实际施工中注浆管压力损耗和压浆阻力，计算注浆压力Pu控制在1.5～2.0MPa之间。3.2.4隧道两侧加固措施K1+207塌方区倾覆拱架对东线隧道K1+180～K1+205边线两侧1m隧道外轮廓线水平注浆小导管外打设钢管桩，钢管桩直径为108mm，钢管桩间K1+186K1+1901.93.84距为0.6～0.8m，钢管桩深度至隧道腰线以下1m，K1+175K1+1821417深度控制为11m～18m。图11洞内水平注浆加固示意图(m)钢管桩打设完成后，在钢管桩内压入水泥单液3.2.7洞内开挖支护措施浆液，增大钢管桩的刚度，提高隧道两侧围岩的自K1+175～K1+207段的水平加固完成后，先稳能力。钢管桩打设横断面示意图见图8，钢管桩采用地质雷达对K1+185之后掌子面进行超前打设深度位置示意图见图9。地质预报，确认前方掌子面的土体土质为淤泥质黏土，未发现明显空洞及无大规模地下水体。钢管桩K1+175K1+182K1+207K1+210K1+180~K1+210区段超前地质预报雷达图见图12。NN05101520051015203.84图8钢管桩打设横图9钢管桩打设深度紫之隧紫之隧淤泥质黏土，未道东线道东线发现明显空洞断面示意图位置示意图（m）上部台上部台K1+185K1+1853.2.5洞内处理阶阶K1+127～K1+175隧道内涌入土体估计约图12K1+180~K1+210区段超前地质预报雷达图(m)33000m，清理前先对下半部土体预加固。加固工修复段施工采用台阶法加临时中撑支护进行开艺采用双液浆，每隔5m布设1排注浆孔，水平间挖，开挖步距为50cm，采用四台阶，各台阶的间距为2m，梅花型布置。K1+127~K1+175洞内涌距控制在5m内，初期支护成环距掌子面小于20m。土注浆加固见图10。对超前小导管进行加密处理，小导管长3.5m。每榀拱架打设超前小导管并注浆，提高拱顶周边土体的自稳能力，注浆压力控制在1～2MPa。在开挖过程中，一台阶拱架完成后，在一台阶核心土上布置临时竖撑，保证竖撑底部落脚密实。临时竖撑从掌子面退后10m，在三台阶左右拱架图10K1+127~K1+175洞内涌土注浆加固完成后，拆除临时中撑。56 赵峻：城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控2016年第3期赵峻：城市浅埋暗挖地下隧道工程坍塌的修复和预控2016年第3期注浆加固浆液为双液浆，水泥浆与水玻璃的比3.2.6洞内水平加固措施3.2.8修复效果4.2.3预留核心土开挖例为1∶1，水泥浆比重控制在1.5～1.6，注浆提对修复段开挖拱顶、两侧1m范围内进行水平在完成地面各项预加固措施后，对洞内塌方土预留核心土是比较有效的稳定掌子面的方法，升速度在隧道洞内为每5min提升50cm，在隧道WSS注浆超前加固，范围从K1+175～K1+207，体进行垂直注浆加固和清理，清理过程中土体自立超前支护完成后，用小型挖掘机沿上台阶开挖轮廓拱顶上方的土体内每5min提升30cm。分3段进行，每段长度为12m，搭接长度为2m。性良好。从K1+083进入塌陷区修复工作，掌子面线预留核心土进行掏槽开挖，严格控制台阶高度，[2-3]双液浆注浆压力P极限压力值满足式（1）：拱顶以下2m范围内，按50cm×50cm间距梅花和拱顶土体加固效果良好，按照台阶法加临时中撑用风镐或人工对欠挖部分进行开挖修整，随后立即型布置3排。浆液采用双液浆,注浆压力控制在严格控制开挖步距，及时初支封闭成环。整个塌陷喷射混凝土封闭，充分利用掌子面的空间支护效应。（1）1～2MPa，浆管回抽速度为每5min后退50cm。区修复工作用时20d，开挖过程拱顶日沉降量最大4.2.4及时闭环和仰拱施工3洞内水平注浆加固示意图见图11。2.8mm，初支封闭成环后累计沉降量最大为29mm，严格控制掌子面到封闭成环的台阶长度在2倍式中：Pu为注浆压力，MPa；γ为土的容重，g/cm；≈35安全完成塌陷区修复工作。地面注浆掌子面浆脉见的开挖直径内，避免上台阶过长，提高初期支护的h为注浆孔深度，m；φ为土的内摩擦角，（°）；图13，修复完成洞内效果图见图14。承载能力。封闭成环后尽早浇筑仰拱混凝土和二c为土的内聚力，kPa。根据地勘报告中的淤泥质粉K1+175K1+2103衬，使衬砌闭合成环，确保工程安全。质黏土γ=18.3g/cm，h=14m，φ=5°，c=11kPa，K1+2074.2.5重视信息化施工考虑到实际施工中注浆管压力损耗和压浆阻力，计定期做好地质超前预报，针对各种异常情况提算注浆压力Pu控制在1.5～2.0MPa之间。K1+207前采取措施。做好隧道内和地表变形监控量测工3.2.4隧道两侧加固措施塌方区倾覆拱架作，迅速反馈信息指导施工，及时处理存在的隐患，对东线隧道K1+180～K1+205边线两侧1m隧道外轮廓线水平注浆小导管图13地面注浆掌子面浆脉图14修复完成洞内效果图保证施工安全。外打设钢管桩，钢管桩直径为108mm，钢管桩间K1+186K1+1901.93.844隧道坍塌预控措施4.2.6“诱导式”塌方距为0.6～0.8m，钢管桩深度至隧道腰线以下1m，K1+175K1+1821417近年来国内浅埋暗挖隧道工程因地质恶劣或施“诱导式”塌方是近几年在高铁隧道工程提出深度控制为11m～18m。图11洞内水平注浆加固示意图(m)工不当造成的类似隧道塌方、地表坍塌案例比较的一种比较新的应急处理方法，主要指开挖过程中钢管桩打设完成后，在钢管桩内压入水泥单液3.2.7洞内开挖支护措施多，虽然这类事故往往具有突发性、不可预计性，围岩已处于失稳状态，洞内或地表已无法采取有效浆液，增大钢管桩的刚度，提高隧道两侧围岩的自K1+175～K1+207段的水平加固完成后，先但是通过对这些工程案例的总结分析，找出一些共措施的情况下，地面又无重要管线、构筑物，如果稳能力。钢管桩打设横断面示意图见图8，钢管桩采用地质雷达对K1+185之后掌子面进行超前性因素，从而采取相应的预控措施，可以有效避免强行施工或应急处理可能造成更大的工程和人身安打设深度位置示意图见图9。地质预报，确认前方掌子面的土体土质为淤泥工程风险和对城市环境的影响。全风险，把设备和施工人员撤到安全位置，做好一质黏土，未发现明显空洞及无大规模地下水体。4.1坍塌预兆定的安全措施，让隧道局部坍塌，在开挖范围内土钢管桩K1+175K1+182K1+207K1+210K1+180~K1+210区段超前地质预报雷达图见图12。坍塌预兆主要有以下几个内容：掌子面涌水、层形成新的平衡后，再采取地面或洞内加固措施，NN涌砂，引起开挖面失稳；拱顶沉降或地表沉降数据以快速恢复施工的一种措施。0510152005101520严重超出设计允许值，初支严重变形；初衬喷射混5结语3.84凝土产生纵横向裂纹或龟裂，伴随拱顶渗水、初衬紫之隧道1标工程在埋深较浅的V级、VI级图8钢管桩打设横图9钢管桩打设深度紫之隧紫之隧淤泥质黏土，未道东线道东线发现明显空洞掉块现象；隧道上方地表沉陷或建筑物倾斜。软弱围岩并富含地下水的地层进行浅埋暗挖施工，断面示意图位置示意图（m）上部台上部台K1+185K1+1854.2预控措施因围岩自稳能力较差，遇水易软化，隧道初支变形3.2.5洞内处理阶阶4.2.1地表水、地下水处理过大引起拱架失稳，导致隧洞坍塌、地表塌陷。据K1+127～K1+175隧道内涌入土体估计约图12K1+180~K1+210区段超前地质预报雷达图(m)浅埋暗挖施工必须加强工程水文地质的调查分此，对浅埋暗挖隧道在开挖、支护、注浆、衬砌、33000m，清理前先对下半部土体预加固。加固工修复段施工采用台阶法加临时中撑支护进行开析，包括地面各类排水设施的基本分布。对于各类排水等方面提出更高要求，针对引起隧道塌方、地艺采用双液浆，每隔5m布设1排注浆孔，水平间挖，开挖步距为50cm，采用四台阶，各台阶的间明水必须采取措施排出，防止地表水渗入、软化隧表坍塌的主要因素必须采取相应的预控措施，这些距为2m，梅花型布置。K1+127~K1+175洞内涌距控制在5m内，初期支护成环距掌子面小于20m。道周边围岩和掌子面。地下水采取降水或加固等措是有效减少浅埋暗挖法施工坍塌风险的关键。土注浆加固见图10。对超前小导管进行加密处理，小导管长3.5m。施，防止开挖过程中掌子面因涌水涌砂，或围岩遇每榀拱架打设超前小导管并注浆，提高拱顶周边土水软化降低自稳能力。参考文献：体的自稳能力，注浆压力控制在1～2MPa。4.2.2地层预加固措施[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，在开挖过程中，一台阶拱架完成后，在一台阶对于松散破碎地层或软弱土层，有条件的在地2009.[2]张成平,张顶力,王梦恕.浅埋暗挖隧道施工引起的地表塌陷分核心土上布置临时竖撑，保证竖撑底部落脚密实。面实施预加固，既可以对掌子面前方土体起到加强析及其控制[J].岩土力学与工程学报，2007（12）：3601-3606.临时竖撑从掌子面退后10m，在三台阶左右拱架作用，也可以对拱顶上方的土体充分加固，形成拱[3]杨世武.淤泥质地层浅埋暗挖施工技术控制措施[J].铁道工程学图10K1+127~K1+175洞内涌土注浆加固完成后，拆除临时中撑。顶上方的压力拱，提高土层的自稳能力。报，2003（2）：64-69.5657